Молекулярная биология - одна из бурно развивающихся областей биологии, и здесь больше, чем в каком-либо другом направлении, ощущается разрыв между научным анализом и синтезом. Это утверждение в особенности справедливо для сравнительных молекулярных исследований и, в частности, поиска связи ВПЖ с различными молекулярно-биологическими показателями.
К настоящему времени в сравнительном аспекте наиболее изучен размер генома. По некоторым оценкам, такие данные имеются для более 1000 видов, в том числе для более 200 видов млекопитающих (Гинатулин, 1984). Тем не менее связь ВПЖ с размером генома остается практически не изученной. Для большей надежности хранения генетической информации еще несколько лет назад исследовалась возможность существования положительной корреляции между ВПЖ и размером генома. Однако вскоре стало очевидным, что эти соображения если и верны, то лишь для низкоорганизованных групп животных. Так, эволюционно более примитивные беспозвоночные (коловратки, моллюски, насекомые), обычно не отличающиеся высокой ВПЖ, как правило, имеют сравнительно небольшие размеры генома. Причем с повышением уровня организации у беспозвоночных наблюдается увеличение размера генома (Mirski, Ris, 1951). При переходе от низших хордовых к позвоночным эта величина растет в несколько раз, по всей вероятности, путем тандемных дупликаций и полиплоидизации. На этом этапе рост размера генома сопровождается значительным увеличением ВПЖ, т. е. существует положительная коррелятивная связь между размером генома и ВПЖ. Однако положительная корреляция сохраняется только в определенном диапазоне, вне которого особенности структуры и регуляции генома, очевидно, становятся более существенными, чем эффект дублирования определенных последовательностей ДНК. Наименьший размер генома, считающийся минимально необходимым для нормального существования многоклеточных эукариот, по различным оценкам составляет 0.2-0.4 пг (Гинатулин, 1984). Учитывая, что у наиболее долгоживущих наземных видов (крупные черепахи, птицы, приматы и др.) размер генома составляет 3-10 пг, можно предположить, что «избыток» ДНК в несколько десятков раз наиболее оптимален для долголетия.
В сравнительно небольших таксономических группах связь ВПЖ с размером генома практически отсутствует. По нашим оценкам, как у 48 видов млекопитающих, так и у 26 видов приматов в отдельности коэффициент корреляции между ВПЖ и размером диплоидного генома был очень близок к нулю (например, у приматов г = -0.05). Так как у близкородственных видов млекопитающих с близкими значениями ВПЖ размер генома может значительно отличаться, отсутствие коррелятивной связи между ВПЖ и размером генома не должно показаться неожиданным. Аналогичное утверждение, очевидно, справедливо для числа хромосом, числа их плеч и др. (Kato, 1977).
Геном эукариот содержит многократный «избыток» ДНК, не несущий непосредственной информации об аминокислотной последовательности белков и, очевидно, выполняющий регуляторные и структурные функции. Эта фракция ДНК, известная как ПП, может быть представлена в геноме до 106 и более одинаковыми повторами в отличие от УП, которые имеют в геноме обычно 1 - 3 копии. Благодаря отличиям кинетики ренатурации относительно легко идентифицируются и ОП. Представлялось интересным изучение коррелятивной связи ВПЖ с абсолютным содержанием (пг) и долей (%) этих последовательностей. В классе млекопитающих и в отряде приматов, в частности, нами не была обнаружена коррелятивная связь между ВПЖ и содержанием УП, ОП и ПП. Однако в долевом выражении между ВПЖ и УП проявлялась тенденция к отрицательной корреляции. Например, у 21 вида г = -0.401. Аналогичная величина для ОП была несколько меньше {г = -0.281). Из всех исследованных последовательностей только доля ПП положительно коррелировала с ВПЖ (г = 0.304). Эти данные свидетельствуют, что не размер генома или отдельных его фракций, а постепенное усложнение биологической организации и механизмов регуляции, очевидно, сопровождало рост ВПЖ в классе млекопитающих. Однако слабая выраженность этой корреляции указывает, что долевое содержание УП и ПП - слишком обобщенный показатель и другие, более специфические, параметры генома определяют генетическую детерминированность ВПЖ.
В связи с этим было интересно сопоставление с ВПЖ степени дублированности в так называемых мультигенных семействах, представляющих собой в разной степени дивергированные и дуплицированные последовательности. Из этого класса последовательностей к настоящему времени наиболее хорошо изучены гены рРНК, тРНК, гистоновые гены и ряд более сложных мультигенных семейств. Проведенный нами анализ склоняет к заключению, что, очевидно, нет сколько-нибудь отчетливой коррелятивной связи между ВПЖ и числом повторов в перечисленных выше мультигенных семействах. Так, частота повторения высокомолекулярной рДНК (28S + 18S) составляет: дрожжи - 100-120, нематода - 55, дрозофила - 200-250, лягушка - 760, курица - 200, мышь- 100, человек- 150-300 и т. д. Аналогичные величины для каждого вида тРНК на гаплоидный набор составляют: дрожжи - 10, дрозофила - 5-12, лягушка - 180, мышь - 100, крыса - 10, человек - 10-20, а для гиетоновых генов: дрожжи - 2, дрозофила - 110, аксолотль - 2700, лягушка - 45-50, курица- 10, мышь- 10-20, человек - 40. Примерно такая же картина наблюдается при сопоставлении частоты повторов в других изученных мультигенных семействах.
Не удалось обнаружить даже направленности возможной коррелятивной связи не только числа генов, но и размеров отдельных генов. Известно, что в транскрибируемых генах имеются «лишние» последовательности - интроны, которые вырезаются в ходе сплайсинга и в отличие от экзонов не попадают в цитоплазму. Суммарная длина экзонов одних и тех же генов у разных видов практически не отличается и, естественно, не коррелирует с ВПЖ. С ВПЖ не коррелировали также ни суммарная длина, ни число интронов, причем длина интронов колебалась в значительных пределах у разных видов.
Отсутствие сколько-нибудь отчетливых коррелятов ВПЖ среди параметров, характеризующих структуру и организацию генома, позволяет надеяться, что подобные показатели могут быть обнаружены среди функциональных характеристик, например транскрипции. Известно, что степень транскрибируемости ДНК определяется сложностью ядерной РНК, т. е. суммарной длиной всех отличающихся друг от друга молекул РНК. К сожалению, данных о сложности ядерной и полисомной РНК удалось собрать немного, тем не менее в них просматривается определенная связь с ВПЖ: по мере увеличения ВПЖ растет сложность РНК. Так, в культуре клеток дрозофилы, хомячка и человека, ВПЖ которых примерно составляет 0.25, 3 и 110 лет, сложность ядерной РНК соответственно равна 44, 116 и 410 млн. нуклеотидов, а сложность полисомной (А) РНК - 8.8, 27 и 41 млн. нуклеотидов. Другие данные о степени и скорости транскрибируемости отдельных последовательностей ДНК, числа копий РНК на ядро и др. малочисленны и противоречивы (Газарян, Тарантул, 1983).
С позиции гипотезы «изнашивания» для длительности жизни важнее не столько размер генома или отдельных его фракций и семейств генов, сколько их отношение к объему клетки, величина «зоны обслуживания» единицы генетического материала. Можно было допустить, что у долгоживущих видов отношение размера диплоидного набора хромосом (2C) к объему клетки (V) окажется больше, чем у короткоживущих. Однако вопреки подобным предположениям между ВПЖ и величиной 2C/V для изученных нами типов клеток была обнаружена отрицательная коррелятивная зависимость. Так, для клеток Пуркинье 15 видов млекопитающих
Для клеток 3-го и 7-го спинальных ганглионов были получены примерно такие же зависимости с г = -0.777 и л = -0.730 соответственно. Также отрицательной оказалась корреляция при отнесении размера генома к объему не клетки, а ядра. Иначе говоря, чем свободнее и дальше друг от друга расположены хромосомы в ядре, тем больше ВПЖ.
Интересно, что содержание мРНК нередко больше у долгоживущих видов, хотя у короткоживущих обмен, как правило, выше. Все это делает обоснованным поиск коррелятов ВПЖ среди показателей, характеризующих пластическую обеспеченность. С этой целью нами были изучены видовые отличия интенсивности захвата 3Н-лейцина и его включения в белки (рис. 21). Животные брались в опыт в месячном возрасте, когда у них формируется поза стояния и начинается переход к самостоятельному кормлению. Проведенные опыты показали, что во всех исследованных нами тканях захват меченого лейцина уменьшался, а интенсивность его включения в белки увеличивалась по мере увеличения ВПЖ (рис. 21). Из этих данных следует, что на фоне медленного потребления аминокислот у долгоживущих видов наблюдается интенсивное их включение в макромолекулы, следовательно, имеет место более экономное и многократное использование попавших в клетку аминокислот. При этом нельзя исключить и ряд других объяснений полученных результатов, например существование положительной корреляции между ВПЖ и скоростью роста (Economos, 1981).
Рис. 21. Связь ВПЖ с интенсивностью захвата 3Н-лейцина (А) и его включения в белки (Б) лабораторных млекопитающих (мыши, крысы, морские свинки, кролики, кошки, собаки) а - лобная кора, б - гипоталамус, в - скелетная мышца, г - миокард, д - надпочечник, е - костный мозг, ж - почки, з - печень.
При анализе связи ВПЖ с периодом полужизни белков крови были обнаружены несколько иные соотношения.
Сопоставляя литературные данные о периодах полужизни меченых йодом альбуминов и глобулинов, И. M. Спектор (1974) обнаружил прогрессивное увеличение этих величин по мере увеличения ВПЖ. Рассчитанные нами коэффициенты корреляции при этом оказались достоверными (для альбуминов - г = 0.814, глобулинов - г = 0.803). Проведя более глубокий анализ литературного материала о межвидовых отличиях биосинтеза белка, Риде и Лобли (Reeds, Lobley, 1980) пришли к заключению, что многие из этих отличий - результат применения разных методов. При использовании стандартных условий оказывается, что синтез белка у разных видов имеет сходные черты по потоку аминокислот, соотношению синтеза белка и расхода энергии и, возможно, по изменению биосинтеза белка с ростом животных.
Таким образом, генетическая детерминированность ВПЖ не оставляет сомнений в том, что так или иначе должна существовать тесная коррелятивная связь между ВПЖ и определенными параметрами генома. Вместе с тем, как показал даже поверхностный анализ, далеко не все параметры генома коррелируют с ВПЖ. Это безусловно затрудняет поиск коррелятов ВПЖ, но должно быть расценено как положительный феномен, так как ограничивает круг показателей, целенаправленная модификация которых может привести к увеличению ПЖ.
См. также:
Морфофизиологические корреляты
Корреляты механизмов витаукта
Обсудить на форуме
