ОНТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЧАСЫ:
ВОЗМОЖНЫЙ МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ
"Пробл. старения и долголетия", 2009, № 4
А. В. Писарук
Государственное учреждение "Институт геронтологии им. акад. Д. Ф. Чеботарева АМН Украины", 04114 Киев
© А. В. Писарук (avpisaruk@ukr.net), 2009.
Развитие живых организмов представляет собой строго упорядоченную во времени последовательность различных процессов. Не говоря уже об эмбриогенезе, постнатальный период жизни организма состоит из ряда стадий. Например, половое созревание и менопауза у всех животных данного вида наступают через определенное время после рождения. Что обеспечивает эту упорядоченность процессов? Можно предположить, что в живых организмах для организации различных процессов во времени (в том числе для управления развитием) служат биологические часы. Часы, отсчитывающие время нашей жизни, обычно являются лишь красивым литературным образом в научно-популярных статьях о старении. В науке всерьез они не рассматривались. Так, В.М. Дильман в своих популярных изданиях элевационной гипотезы старения использует термин "Большие биологические часы" [3]. Однако это скорее метафора. В.Н. Анисимов пишет об эпифизе как о хронометре жизни, но не предлагает конкретного механизма отсчета времени [1].
Впервые детальное описание молекулярно-генетического механизма отсчета времени жизни организма предложил А.М. Оловников в своей статье о "контроле биологического времени в индивидуальном развитии" [4]. Основная идея гипотезы А.М. Оловникова состоит в том, что в клетках (как в делящихся, так и в постмитотических) существуют молекулярно-генетические часы, отсчитывающие время жизни и управляющие развитием организма. Механизм отсчета времени состоит в укорочении специализированной ДНК (хрономеры) в каждом цикле биологического ритма (Т-ритма). Гормональный сигнал Т-ритма запускает механизм укорочения хрономеры, в которой содержатся гены, контролирующие экспрессию хромосомных генов. Поэтому при утрате хрономерных генов в процессе укорочения хрономеры изменяется экспрессия хромосомных генов, что обусловливает развитие и старение организма. Роль Т-ритма может играть циркадианный ритм (для короткоживущих организмов) и инфрадианный (лунный) ритм — для долгоживущих организмов (с целью экономии длины хрономеры). Однако, несмотря на высокий уровень обоснования своей гипотезы, предположение А.М. Оловникова о том, что организм использует внешний природный ритм для отсчета времени жизни, противоречит ряду фактов:
- скорость развития и продолжительность жизни пойкилотермных организмов значительно зависят от температуры среды;
- скорость развития и продолжительность жизни теплокровных организмов зависят от калорийности питания.
В то же время, периоды природных ритмов постоянны и внутренние ритмы (циркадианный, лунный), синхронизированные с ними, также имеют постоянный период. Важным аргументом против хронометра жизни, основанного на внешнем физическом ритме, является то, что ход таких часов не зависит от процессов в организме. Управление развитием организма с помощью этих часов будет осуществляться без обратной связи. Поэтому биологические часы, управляющие развитием, не могут иметь постоянную скорость хода. Напротив, скорость их хода должна зависеть от различных регуляторных факторов, несущих информацию о процессе роста и развития организма. Замедление роста организма должно замедлять ход биологических часов.
Онтогенетические часы
Часы, отсчитывающие время жизни с целью управления онтогенезом, называют онтогенетическими часами [5]. Онтогенетические часы должны измерять не физическое, а биологическое время. Это должны быть эндогенные часы, на ход которых влияет температура тела и все те факторы, которые изменяют скорость метаболизма. Тогда такие часы смогут адекватно измерять ход биологического времени и управлять развитием организма. Молекулярный механизм этих часов может быть подобен циркадианным часам, но без температурной компенсации и синхронизации светом. Это должен быть молекулярный осциллятор, запоминающий число циклов собственных колебаний. Длительное запоминание возможно только путем модификации молекулы хромосомной ДНК, так как другие молекулы в клетке недолговечны. Модификация ДНК может состоять в ее укорочении на постоянную величину в каждом цикле онтогенетических часов. В этом А.М. Оловников совершенно прав, хотя тот механизм, который он предлагает в своей гипотезе, на мой взгляд, слишком сложен и основан на неизвестных на сегодняшний день принципах. Согласно предлагаемой нами гипотезе, онтогенетические часы представляют собой автономный внутриклеточный молекулярный осциллятор, запоминающий количество циклов собственных колебаний путем модификации специализированной молекулы ДНК (хроно-ДНК). Онтогенетические часы предназначены для управления онтогенезом путем включения (выключения) "темпоральных генов" [2] через заданное время от начала развития организма (запуска часов). В качестве осциллятора онтогенетических часов был использован механизм циркадианного осциллятора, который обеспечивает периодические колебания концентрации "часового" белка в клетке. Однако как перевести непрерывный процесс изменения концентрации этого белка в дискретные события укорочения молекулы хроно-ДНК? Решая подобную задачу, А.М. Оловников предположил существование нового, не известного науке биофизического процесса, скраптинга ("механический разрыв хрономерной ДНК, не выдерживающей напора транскрипционной машины, побуждаемой к суперскоростному движению вдоль матрицы пиком гормонального Т-ритма"). При этом гормональный пик должен быть коротким (около 10 мин) и иметь специфическую последовательность колебаний концентрации гормона. Это нужно для того, чтобы укорочение хрономеры не происходило при других (не связанных с Т-ритмом) колебаниях концентрации гормонов. Процесс скраптинга должен происходить однократно в каждом цикле. То, как это достигается, подробно описано автором в своей работе [4]. Основную роль здесь играет сброс торсионного напряжения хрономерной ДНК при ее укорочении. Такой сложный процесс укорочения хроно-ДНК явился побудительным мотивом придумать более простой механизм. Для отрезания фрагмента хроно-ДНК в каждом цикле специального молекулярно-генетического осциллятора может использоваться хорошо известный фермент — эндонуклеаза рестрикции (рестриктаза) II типа, расщепляющая ДНК в строго определенной точке по отношению к сайту узнавания. Длина сайта связывания на ДНК для различных рестриктаз составляет 4, 6 или 8 нуклеотидов. Важным свойством рестриктазы является ее способность узнавать и связываться только с определенной последовательностью нуклеотидов. Согласно предлагаемой гипотезе, онтогенетические часы представляют собой автономный внутриклеточный молекулярный осциллятор, запоминающий количество циклов собственных колебаний путем укорочения молекулы хроно-ДНК. Онтогенетические часы предназначены для управления онтогенезом путем включения (выключения) "темпоральных генов" через заданное время от начала развития организма (запуска часов). Простейший механизм онтогенетических часов мог бы состоять в том, что часовой белок, синтезирующийся циклически при работе осциллятора, является рестриктазой (или ее активатором). Однако как сделать, чтобы процесс обрезания хроно-ДНК в каждом цикле был однократным? Для этого можно использовать рестриктазу, состоящую из двух субъединиц (например, рестриктаза II Т-типа). Если каждая из этих субъединиц (назовем их белки "А" и "В") будет появляться в ядре клетки по очереди и, связываясь с концом хроно-ДНК, образовывать на нем активную рестриктазу, то эта задача будет выполнена. Поэтому осциллятор онтогенетических часов может быть построен из двух осцилляторов, подобных циркадианным, связанных между собой таким образом, чтобы каждый из них поочередно включался и производил свою субъединицу рестриктазы. Для этого нужно, чтобы А-белок блокировал синтез В-белка, и наоборот.
Механизм онтогенетических часов
Запоминание времени происходит путем отрезания t-сегмента хроно-ДНК с помощью специальной рестриктазы, сборка которой совершается на концевом t-сегменте из белков А и В в каждом цикле работы осциллятора. Эти белки последовательно синтезируются на рибосомах, так как каждый из них ингибирует синтез другого. Кроме того, каждый из этих белков является репрессором собственного гена и активатором гена другого белка. Для запоминания числа циклов осциллятора (времени жизни) служит специализированная ДНК (хроно-ДНК), состоящая из многократно повторяющихся одинаковых коротких последовательностей нуклеотидов — t-сегментов.
Запоминание времени происходит путем отрезания t-сегмента хроно-ДНК с помощью специальной рестриктазы, сборка которой происходит на концевом t-сегменте из белков "А” и "В” в каждом цикле работы осциллятора. Эти белки последовательно синтезируются на рибосомах, так как каждый из них ингибирует синтез другого. Кроме того, каждый из этих белков является репрессором собственного гена и активатором гена другого белка. В первой фазе t-цикла под влиянием В-белка активируется ген А-белка и синтезируется его мРНК. Далее она диффундирует в цитоплазму, где на рибосомах начинается синтез А-белка. Этот синтез возможен только при отсутствии В-белка, так как последний, связываясь с мРНК, блокирует трансляцию. Поэтому синтез А-белка начинается после разрушения B-белка. Затем А-белок диффундирует в ядро, где он связывается с концевым t-сегментом хроно-ДНК, блокирует собственную продукцию, связываясь с регуляторным участком своего гена, а также активирует ген, кодирующий В-белок. Свободные молекулы А-белка быстро разрушаются. Вторая фаза t-цикла начинается с активации гена, кодирующего В-белок, и синтеза его мРНК. Далее происходит диффузия мРНК в цитоплазму и синтез В-белка на рибосомах. Синтез начинается только после полного разрушения А-белка, который блокирует синтез В-белка, связываясь с его мРНК. Далее В-белок диффундирует в ядро, где связывается с концевым t-сегментом хроно-ДНК и образует вместе с А-белком (который связался с концом хроно-ДНК в первой фазе цикла) t-рестриктазу. Последняя обрезает концевой t-сегмент хроно-ДНК. Обрезанный комплекс "t-сегмент + t-рестриктаза" разрушается. В-белок блокирует собственную продукцию, связываясь с регуляторным участком собственного гена, и активирует продукцию А-белка, соединяясь с регуляторным участком его гена. Свободные молекулы В-белка быстро разрушаются. Снова наступает первая фаза цикла. Период колебаний онтогенетических часов должен зависеть от температуры тела: увеличиваться при ее снижении и уменьшаться при росте. Это следует в связи с тем, что от температуры зависит скорость диффузии макромолекул и активность ферментов, а значит, — скорость синтеза мРНК и белков.
Механизм отсчета времени жизни организма, описанный в настоящей работе, отличается от предложенного А.М. Оловниковым следующим:
- в основе онтогенетических часов лежит автономный молекулярно-генетический осциллятор, а не биологический Т-ритм, синхронизированный с природным ритмом; поэтому измеряется биологическое, а не физическое время, и скорость хода онтогенетических часов зависит от температуры тела;
- механизм укорочения хроно-ДНК связан со сборкой на ее концевом сегменте особой рестриктазы (из двух субъединиц, последовательно появляющихся в ядре клетки), а не со сверхскоростной транскрипцией (скраптингом). Таким образом, отличие описанного механизма от его "прототипа" носит принципиальный характер. Кроме того, можно полагать, что он проще и основан на меньшем числе допущений.
Онтогенетические часы и старение
Старение как последний этап онтогенеза может быть легко запрограммирован эволюцией в хроно-ДНК ("гены смерти") и ограничивать продолжительность жизни. Однако в этом есть смысл только тогда, когда реальная продолжительность жизни особей в популяции слишком велика и тормозит смену поколений, необходимую для адаптации к изменяющейся среде. В действительности же, реальная продолжительность жизни особей намного меньше их видового предела. Поэтому необходимости в "механизме смерти" нет. Отсюда правомерен вопрос: какое отношение описанный механизм контроля биологического времени имеет к старению? Является ли работа этого механизма причиной старения? Для ответа на этот вопрос необходимо вспомнить элевационную теорию В. М. Дильмана, в которой он постулировал, что старение является следствием безостановочной работы механизма развития [3]. В. М. Дильман обосновал единую причину развития и старения — рост порога гипоталамуса по отношению к гормональным сигналам отрицательной обратной связи. Если рассматривать репродуктивную систему, то быстрый рост порога гипоталамуса по отношению к эстрогенам в подростковом возрасте приводит к половому созреванию (из-за значительного увеличения продукции половых гормонов), а затем (в 40-50 лет у женщин) — к "выключению" половой функции (менопаузе) вследствие "обрыва" обратной связи. "Выключение" репродуктивной системы у женщин необходимо потому, что, начиная с 40 лет, экспоненциально растет частота развития болезни Дауна и другой генетической патологии, связанной с накоплением мутаций в яйцеклетках. Рост порога гипоталамуса с возрастом приводит к постепенному отклонению от гомеостаза и в других эндокринных системах. В конечном счете эти отклонения становятся несовместимыми с жизнью. В. М. Дильман назвал гипоталамус "Большими биологическими часами". Однако вопрос о том, почему в онтогенезе изменяется порог гипоталамуса, остался открытым. Возможно "Большие биологические часы" В. М. Дильмана это и есть онтогенетические часы в клетках гипоталамуса. А если остановить онтогенетические часы сразу после окончания периода развития, может быть, и стадия старения не наступит? Интересный случай, который можно интерпретировать как остановку часов жизни, описан B. F. Walker и соавт. [6]. Девочка Брук Гринберг антропометрически и на вид соответствует нормальному 11-месячному ребенку, хотя хронологически ей уже 16 лет. Структура мозга и нейроэндокоинные функции соответствуют младенческому возрасту. При этом у нее отсутствуют известные науке генетические аномалии. В настоящей работе описан гипотетический механизм автономного молекулярно-генетического осциллятора, не синхронизированного с ритмами окружающей среды и меняющего период своих колебаний при изменении скорости метаболизма. Однако этот конкретный механизм следует рассматривать лишь как один из возможных вариантов хронометра жизни. Вполне вероятно, что реальная система окажется значительно отличающейся от модели. Эти различия могут касаться не только параметров системы, периода колебаний, но и ее структуры. Можно предложить много различных механизмов биологических часов, но ответить на вопрос, какой из них "изобрела" природа, могут только экспериментальные исследования. Целью этой работы было обосновать необходимость и возможность существования в живых системах механизма отсчета времени жизни. Может быть, эта работа направит кого-то на поиск такого механизма.
Литература
Анисимов В. Н. Эпифиз, биоритмы и старение организма // Успехи физиологических наук.2008.39, № 4. С. 40-65.
Войтенко В. П. Время и часы как проблема теоретической биологии // Вопр. философии.1985. № 1. С. 73-82.
Дильман В. М. Большие биологические часы.М.: Знание, 1986. 256 с.
Оловников А. М. Редусомная гипотеза старения и контроля биологического времени в индивидуальном развитии // Биохимия.2003.68, вып. 1.- С. 7-41.
Северин Ф. Ф., Скулачёв В. П. Запрограммированная клеточная смерть как мишень борьбы со старением организма // Успехи геронтологии. 2009. T. 22, № 1. С. 37–48.
Walker R. F., Pakula L. C., Sutcliffe M. J. et al. A case study of "disorganized development" and its possible relevance to genetic determinants of aging // Mech. Ageing Dev.2009.30, N 5.P. 350-356.
Файл статьи можно скачать здесь.
