Интенсивность внепланового репаративного синтеза ДНК в фибробластах после ультрафиолетового облучения была изучена Хартом и Сетлоу [43]. В фибробластах долгоживущих млекопитающих повреждения восстанавливались с большей скоростью, чем в фибробластах короткоживущих. Установлена линейная связь между логарифмом продолжительности жизни видов и интенсивностью включения 3Н-тимидина в их ДНК, т. е. большая продолжительность жизни может быть обусловлена более эффективной репарацией ДНК (рис. 9.3) [43]. Литтл [74] также сообщил, что репаративная способность ДНК снижена на поздних пассажах культивируемых фибробластов. Эти исследования, однако, не объясняют, почему репаративная активность ДНК снижается в пожилом возрасте или почему она больше у долгоживущих видов. Если это вызвано снижением уровня ферментов репарации, то необходимо знать причину этого снижения. Итак, имеется достаточно доказательств для утверждения, что старение не вызывается соматическими мутациями, возникающими в результате действия проникающей радиации и других экзогенных факторов.
Рис. 9.3. Зависимость между продолжительностью жизни и интенсивностью включения нуклеотида, содержащего изотоп, в ДНК фибробластов в стандартных условиях в ходе репарации после ультрафиолетового облучения [43]
Оргел [88] предложил теорию ошибок, согласно которой ошибки, появляющиеся при передаче информации на этапах транскрипции и трансляции, могут вызвать накопление дефектных белков и привести к старению. К числу ошибок относится включение неправильных нуклеотидов в мРНК во время транскрипции, что может приводить к изменению триплетных кодонов, или включение неправильных аминокислот во время трансляции, из-за чего белки частично или полностью инактивируются. Ошибки в белках, которые сами участвуют в белковом синтезе, таких, как ферменты транскрипции и трансляции, особенно усиливают процесс накопления ошибок в клетках. Эти ошибки могут саморазмножаться, вызвать экспоненциальное увеличение дефектных ферментов и белков и привести к "катастрофе ошибок", следствием которой будет старение и смерть клетки.
Накопление ошибок в ферментах, ответственных за метаболизм, может и не привести к повреждениям, так как эти ферменты имеют короткий период полужизни, вскоре деградируют и ошибка ликвидируется. Если, однако, ошибка появляется в молекуле РНК-полимеразы или аминоацил-тРНК — синтетазы, то это может быть причиной включения неправильных аминокислот во все виды белков, которые синтезирует клетка. Тогда уровень дефектных белков будет экспоненциально нарастать. Например, дефектная РНК-полимераза может способствовать появлению нескольких ошибочных нуклеотидов в мРНК различных типов, из-за чего могут появиться изменения в кодонах. Дефектная аминоацил-тРНК — синтетаза может нагрузить тРНК ошибочной аминокислотой, которая включится в белок вместо другой аминокислоты. Теория ошибок основана на предположении, что механизм передачи информации может повреждаться. Другими словами надежность, или точность, этого механизма не абсолютны и ошибки, однажды возникшие в ферментах белкового синтеза, могут распространяться.
Позже Оргел [89] модифицировал свою теорию и постулировал, что, даже если точность механизма синтеза белка не абсолютна и допускает появление ошибок, такие ошибки не обязательно накапливаются, так как последующие генерации белоксинтезирующего аппарата дискретны. Согласно Оргелу, если Cn означает частоту ошибки в n-й генерации белоксинтезирующего аппарата, R — частоту конечной ошибки и α — константу пропорциональности между числом ошибок в синтезирующем аппарате и во вновь синтезированных белках, то
Cn+ 1 = R + αCn.
Если C0= 0, то Cn= R(1 + α + α2 +… αn-1); если а > 1, то С постепенно увеличивается; если а >> 1, то частота ошибки увеличивается по экспоненте и вызывает "катастрофу ошибок".
Однако а может не быть больше 1, и тогда "катастрофа ошибок" не будет неизбежной. В таких случаях достигается постоянная частота ошибки, равная R/(1-α) [90]. Возможны две различные ситуации. Предположим, что первая генерация белоксинтезирующего аппарата, который продуцирует аминоацил-тРНК — синтетазу, рибосомные белки и т. д., не допускает ошибок. Так как точность работы аппарата не абсолютна, вторая генерация может допускать несколько ошибок, третья — еще больше и т. д. В ходе этого процесса может возникнуть одна из двух ситуаций: 1) частота ошибок рано или поздно достигнет такого высокого уровня, что клетки не смогут дальше функционировать, произойдет "катастрофа ошибок"; 2) частота ошибок может приблизиться к постоянному положительному значению или достичь равновесного уровня, при котором нельзя будет обнаружить феномен старения. Оргел [90] считает, что клетки могут создавать белоксинтезирующий аппарат, допускающий меньше число ошибок, из аппарата с более высоким уровнем ошибок; они делают это с помощью ферментов, которые убирают ошибочные белки [36], в результате чего происходит стабилизация малой частоты ошибки.
Ряд исследователей провели эксперименты с целью проверить теорию ошибок. Принц и Гросс [95] нашли, что мутант leu-5 Neurospora синтезирует термочувствительный лейцин-активирующий фермент, который при высокой температуре замещает Leu другими аминокислотами в период трансляции. При низкой температуре синтез белка протекает более или менее нормально и Neurospora имеет обычную продолжительность жизни. Однако при повышенной температуре (35 °C) мутант раньше подвергается старению. Левис и Холлидей [70] сообщили, что точность синтеза белка снижается, когда этот мутант содержится при 37 °C вместо 25. Впрочем, частота ошибок вскоре стабилизируется и остается постоянной значительное время. Однако клетки начинают стареть примерно после 70 ч. Авторы представили данные о том, что при 37 °C быстро снижаются термолабильность и удельная активность глутаматдегидрогеназы этого гриба.
Ошибки в синтезе белка могут также возникать вследствие соматических мутаций или наоборот. Поэтому эти два механизма трудно отличить один от другого. Например, ошибки в белоксинтезирующем аппарате могут привести к изменению структуры ДНК-полимер азы, которая в свою очередь может способствовать возникновению ошибок или мутаций в ДНК путем введения неправильных нуклеотидов при репликации [49].
Если накопление ошибок является причиной старения клеток, то необходимо ответить на ряд вопросов. Например, вопрос, который поставил сам Оргел [90], заключается в следующем: почему ошибки не накапливаются в клетках зародышевого пути? Если бы они там накапливались, то виды вымерли бы. Оргел предполагает, что процессы "контроля качества" могут действовать в период оогенеза и раннего развития и приводить к элиминации яйцеклеток или эмбрионов с высоким уровнем ошибок, как это происходит с яйцеклетками человека в пожилом возрасте. Другой вопрос состоит в том, как и почему такой механизм "контроля качества", если он существует, прекращает функционировать после завершения развития? Более того, если возникновение ошибок есть причина старения, прекращения деления клеток и их смерти, то отсюда следует, что трансформированные или опухолевые клетки не должны содержать ошибок. Маловероятно, чтобы репликация ДНК и синтез белка протекали в трансформированных клетках, с абсолютной точностью. Если при трансформации надежность увеличивается, то как это осуществляется?