2
9984

Эволюция старения

Компас посвящен эволюционной теории старения

на сайте с 27 августа 2008

Эволюционная теория старения

Russell Wallace Эта теория зародилась когда Рассел Уоллес(Russell Wallace), знаменитый эволюционист, работавший с Дарвином,
выдвинул идею о том, что долголетие, превышающее возраст потомства
невыгодно для видов. Дети и родители конкурируют за ресурсы. Это может свидетельствовать в пользу идеи о генетически программируемом старении. Дополнительным аргументом является программируемое кортикостероид-опосредованное саморазрушение лосося после нереста. Но как заметил биолог Герман Медавар (Herman Medawar), если бы не было старения, то не было бы необходимости в размножении.
Если старение- продукт действия сил эволюции, то оно должно быть
программируемым. Но большая часть животных в природе гибнет от
несчастных случаев, конфликтов и болезней, и в этих условиях кажется
сомнительным, что старение предопределено эволюцией. С другой стороны- уже на ранних стадиях старения снижается способность животного выжить, таким образом происходит селекция против старых особей. Представители альтернативной точки зрения сравнивают генетическое программирование с конструированием спутника для сбора информации о планете.
Конструирование сконцентрировано на том, чтобы гарантировать, что
спутник достигнет места назначения и представит собранные данные когда облетит планету. Аналогия очень образная, под спутником подразумевается репродуктивный период.  Одной из целей репродукции является разрушение особи.

Широкий диапазон продолжительности жизни разных видов кажется убедительным доказательством того, что старение генетически предопределено. Слон живет в 10-20 раз дольше, чем мышь, но число сердцебиений у них одинаковое в течение жизни, просто у слона 30 в минуту, а у мыши 300.
Оба вида делают 200 млн. дыхательных движений. Оба имеют метаболический потенциал около 200 ккал (он характерен и для других млекопитающих, но у человека он равен приблизительно 800ккал- мозг использует больше энергии, чем любой другой орган). Геронтологи, которые сравнивали продолжительности жизни различных видов, объясняют это противоречие тем, что корреляция продолжительности жизни и веса гораздо лучше, чем корреляция с массой мозга у приматов.
Значимые характеристики вида также влияют на продолжительность жизни у разных видов: большой размер, способность летать, мозг, наличие иголок, раковины или панциря, холоднокровность. Все, кроме последней характеристики, снижает уязвимость для хищников.
Конкуренция особей одного вида за партнеров и ресурсы более важна, чем хищники и другие опасности. Эволюционные силы позволяют развиваться более сильным и устойчивым животным, это подразумевает и оставление как можно большего числа потомков, и каждый потомок должен получать больше заботы и ресурсов. Выживание генов лучше обеспечивается увеличением продолжительности жизни и репродуктивного периода "репродуктивно-успешных" взрослых особей, у которых будет больше потомства, значительное число которых не выживет и не станет репродуктивно-активными особями.
Коротко-живущие организмы растрачивают метаболическую энергию на антиоксиданты и репарацию ДНК вместо того, чтобы использовать ее для роста и репродукции. Когда у животного есть враги, то эволюция вкладывает некоторые ресурсы в быструю репродукцию и репарацию (в том числе и репарацию ДНК), а большее количество генетических ресурсов в удлинение репродуктивного периода (а значит удлиняется и продолжительность жизни). Например, у птиц мембрана митохондрий содержит большое количество ненасыщенных жирных кислот, что делает их менее уязвимыми для перекисного окисления. Белковый комплекс дыхательной цепи митохондрий генерирует у птиц меньше свободных радикалов, чем у млекопитающих. Это свидетельствует о том, что животные с хорошо сконструированными клетками могут жить несколько столетий.
Человеческие стволовые клетки теоретически могут жить миллионы лет
благодаря усиленной продукции ферментов ДНК- репарации, антиоксидантных ферментов и теломеразы.

Продолжительность жизни

Убедительное объяснение феномена старения дает эволюционная теория старения (Kirkwood et al 2000). Дело в том, что, как впервые отметил Медавар (Medawar et al 1952), действие отбора ослабевает с возрастом. В результате вредные для организма аллели, если их вредное действие проявляется только в конце жизни, не выбраковываются отбором и могут накапливаться. Более того, если какой-либо аллель дает даже незначительное преимущество в раннем возрасте и вреден в более позднем, он все равно будет отбираться (Williams et al 1957). В результате продолжительность жизни, характерная для различных животных, формируется в процессе эволюции в соответствии с внешними условиями. Например, продолжительность жизни мыши около 2 лет, потому что в дикой природе большинство мышей погибает в течение первых двух лет (90% мышей погибает в течение первого года (Kirkwood et al 2000). Концентрация поврежденных белков будет поддерживаться на низком уровне примерно до середины жизни, пока это выгодно с точки зрения эволюции, т.е. пока действует отбор. Для поддержания низкой концентрации поврежденных белков требуется высокая скорость их замены, что, в свою очередь, требует больших энергетических затрат. Поэтому, как только давление отбора ослабевает, скорость обновления белков падает, что и приводит к увеличению концентрации повреждений.

Насколько верна теория Вильямса?

Джордж Уильямс (George C. Williams) Традиционно автором эволюционной теории старения называют знаменитого американского биолога-эволюциониста Джорджа Уильямса (George C. Williams), основателя "эволюционной медицины". Он предположил, что аллели, которые в каком-то возрасте действуют разрушительно, могут сохраняться, если они в чем-то улучшают приспособленность организма в более ранний период его жизни; эта двойственность называется антагонистической плейотропией. Такую переменную роль вполне могут играть гены, определяющие синтез репродуктивных гормонов. Он отмечал, что не рассматривает старение как эволюционную черту для организмов, у которых малы различия между половыми и соматическими клетками. Длительное время считалось, что кишечная палочка-излюбленная модель для исследований-не обладает даже намеком на эти различия, но выяснилось, что и она стареет-это проблема знаменитой теории Уильямса (Turke, 2008).
Сейчас в научном мире ведутся споры о правильности этой теории, проводятся различные исследования в области эволюционной биологии старения. Некоторые из недавних исследований мы обсудим ниже.

Эксперименты по искусственной селекции

Эволюционные биологи проводят эксперименты по искусственной селекции для определения роли эволюции в детерминации продолжительности жизни. Подобные
исследования проводит Майкл Роуз (Michael Rose) из Department of Ecology and Evolutionary Biology, University of California. В своих работах он исследовал многие поколения дрозофил и определил, что те особи, которые оставляют потомство в конце жизненного цикла, живут на 30% дольше других. Нагрузка при увеличенной продолжительности жизни определяет повышенный уровень SOD, CAT и ксантиндегидрогиназы, а также белков теплового шока, это увеличивает сопротивляемость стрессу. Например, экспрессия Hsp22 (одного из белков теплового шока) у долгоживущих особей в 2-10 раз выше.
Статьи доктора Роуз:
Отсроченное старение и сопротивляемость обезвоживанию у Drosophila melanogaster.

Увеличение уровня hsp22 в линиях Drosophila генетически запрограммировано для увеличения продолжительности жизни.

Старение и бессмертие.

Становиться умнее: стратегии для конструирования пренебрежительного старения.

Взаимодествия между повреждениями, сопротивляемостью стрессу, репродукции и старением у Drosophila melanogaster.

К сожалению такие разносторонние исследования проводятся на лабораторных моделях, которыми давно стали дрозофилы. Подобные исследования на людях сильно затруднены в силу биологических причин- невозможно в полной мере проследить столько поколений людей.

Избегание "плохих" генов

Август Вейсман считал, что генетические изменения в соматических клетках не могут переходить в зародышевые клетки и передаваться следующим поколениям. Тем не менее, существуют доказательства, что некоторые эффекты окружающей среды могут приводить к наследственным изменениям в ДНК зародышевых клеток, из чего можно предположить, что возможно некое соматическое влияние на зародышевые клетки. Это влияние в больше степени заключается в наличии оксидативного стресса, который вызывает мутации и эпигенетические изменения. Этот эффект более выражен у самцов, проявляясь в характеристиках сперматозоидов. В статье "Избегание "плохих" генов: оксидативное повреждение ДНК зародышевых клеток и выбор партнера"  испанские ученые Velando A, Torres R и Alonso-Alvarez C из Университета Виго (Universidade de Vigo) высказали гипотезу о том, что самки избегают самцов с оксидативно-поврежденной ДНК половых клеток с помощью оксидативно-зависимых сигналов. Эта новая гипотеза может пролить свет на неразрешенные вопросы эволюционной биологии, такие как выгоды полиандрии (многомужия), "парадокс гнезда", и роль половой селекции в эволюции старения.
Но возникает несколько вопросов, среди них:
 1) Что это за сигналы, как передаются и воспринимаются, отчего зависят, возможны ли их модуляции?
 2) Как именно выбор партнера влияет на эволюцию старения?
Надеемся, что в ближайшее время ученые ответят на эти вопросы.

Остеопороз

остеопороз
Повышение  продолжительности жизни привело к увеличению числа пожилых людей в популяции. Число людей, больных остеопорозом, значительно выросло.
Остеопороз- это системное возраст-ассоциированное заболевание, которое, среди всех млекопитающих, поражает только человека. Для остеопороза показана наследственная предрасположенность. При условии генетической детерминированности, это пост-репродуктивное заболевание (оно передается из поколения в поколение) основывается на принципах эволюции.
Девид Карасик (David Karasik) из Institute for Aging Research Hebrew SeniorLife and Harvard Medical School в статье "Остеопороз в эволюционной перспективе" делает попытку объяснить это заболевание с точки зрения эволюции, отбора, изменений окружающей среды, которые приводят к изменению продолжительности жизни и болезням цивилизации, в том числе остеопорозу. Эволюция человека, "плохие" и "хорошие" гены, возможности влияния на них- на эти вопросы предстоит найти ответы.

Генно-инженерные модели

Günter Lepperdinger Главная цель исследований процесса старения-идентифицировать молекулярные механизмы старения на клеточном уровне, которые приводят к возникновению возраст-ассоциированных нарушений и заболеваний человека. Недавний прогресс в изучении животных-моделей старения приводит к определению молекулярных механизмов и генетических детерминант процесса старения, который консервативен в ходе эволюции. Данные на модельных животных могут быть экстраполированы для человека. Группа австрийских ученых из Institute for Biomedical Aging Research под руководством Günter Lepperdinger в статье "Генно-инженерные модели для исследований старения человека" сообщает о создании специальной базы данных GiSAO- уникального ресурса для изучения паттернов (образов) экспрессии, участвующих в старении, апоптозе и оксидативном стрессе, на протяжении всего генома на примере модельных систем. Это позволит идентифицировать гены-кандидаты, которые были определены для дрожжей, дрозофилы и нематод. Ученые считают,что подобные исследования помогут в определении эволюции процесса старения.

Теломеразная активность и масса тела

Vera Gorbunova Теломераза подавляется в большинстве соматических клеток млекопитающих. В результате эти клетки подвергаются репликативному старению. Это имеет важное значение в подавлении образования опухоли и в процессе старения. Подавление активности теломеразы характерно не для всех млекопитающих. Например, у мышей теломераза экспрессируется в соматических клетках, и культуры мышиных клеток в лаборатории бессмертны при выращивании в среде с физиологической концентрацией кислорода. В каком состоянии теломераза присутствует у других организмов? Почему у некоторых видов теломеразная активность подавлена, а у некоторых-нет? На этот вопрос попытались ответить Вера Горбунова и Андрей Селуянов из University of Rochester. На основе собственных исследований и литературных данных они проанализировали теломеразную активность у большого количества видов грызунов. Эти исследования показали, что теломеразная активность коррелирует не с продолжительностью жизни, а с массой тела. У больших грызунов теломеразная активность подавлена, в то время как у мелких она сохраняется. Ученые предлагают модель, в которой большой вес тела определяет риск онкологических заболеваний, что играет роль в эволюции супрессии теломеразы и репликативному старению. Другими словами, в ходе эволюции подавление теломеразной активности появилось как компенсация увеличения массы тела.

Статья: "Теломеразная активность и масса тела".

Старение репродуктивной системы

Гипотеза "матери"- одно из главных адаптивных объяснений менопаузы у человека. Она заключается в том, что прекращение репродукции представляет собой стратегию, согласно которой матери старшего возраста должны максимизировать затраты ресурсов для выживания и репродукции своих потомков вместо собственной репродукции. Исследования ученых из Laboratory of Survival and Longevity Max Planck Institute for Demographic Research имеют своей целью протестировать эту гипотезу. Было проведено большое статистическое исследование, в результате которого было выяснено, что менопауза и последующий пост-репродуктивный период значительно улучшаются при соблюдении двух условий:
 - значительное снижение мертворождения и риска родовых травм
 - снижение смертности матерей
 при увеличении возраста матери.
Ученые будут продолжать исследования в этой области. Возможно они помогут в освещении связи репродуктивной системы и старения.

В заключение

Эволюционная теория старения спорна. Находится множество ее противников и последователей. В той или иной мере многие ученые признают  роль эволюции в процессе старения. В эволюционных исследованиях старения есть несколько проблем, среди них:
1) Плохая систематизированность исследований.
2) В основном исследования ведутся на дрозофилах и мышах. При всей развитости современной науки, предположения об эволюции трудно экстраполировать на человека.
3) Выводы исследователей зачастую поверхностны.
4) Не создается целостной картины связи эволюции и старения.
Остается надеяться, что исследователи ответят на многие неразрешенные вопросы и создадут стройную систему знаний об эволюции старения.

9 ноября 2008 года

Комментарии

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter