Является ли антагонистическая плейотропия универсальной в биологии старения?
Steven N Austad, Jessica M Hoffman:
Is antagonistic pleiotropy ubiquitous in aging biology?
Evolution, Medicine, and Public Health, 2018.
Ссылки и список литературы см. в оригинале статьи.
Перевод: Евгения Рябцева
Резюме
60 лет назад была предложена гипотеза, согласно которой эволюционный механизм старения является генетическим компромиссом между приспособленностью в молодом и смертностью в пожилом возрасте. На тот момент генетических доказательств в пользу этой гипотезы не существовало, однако к настоящему времени их накопилось уже достаточно много. Такие компромиссы, известные как антагонистическая плейотропия, очень распространены, а возможно даже универсальны. В 1957 году в статье Джорджа Уильямса (George Williams) была сформулирована гипотеза антагонистической плейотропии в старении, первые намеки на которую давал Питер Медавар (Peter Medawar). Согласно гипотезе антагонистической плейотропии старения, животные имеют гены, усиливающие приспособленность в раннем возрасте, но снижающие ее на более поздних этапах жизни. При этом такие гены могут быть предпочтительными для естественного отбора, даже если они вызывают развитие фенотипа старения, так как действие отбора выражено сильнее именно в раннем периоде жизни. 60 лет назад не было известно ни одного из генов, предсказанных Уильямсом, однако методы современной молекулярной биологии позволили идентифицировать сотни генов, усиление, ослабление или полное подавление активности которых увеличивает продолжительность жизни и улучшает состояние здоровья в лабораторных условиях. Является ли это убедительным доказательством гипотезы Уильямса? Какие применения имеет гипотеза Уильямса для разработки современных медицинских вмешательств, направленных на улучшение здоровья человека и продление периода здоровой жизни? В данной статье представлен краткий обзор современного уровня изученности вопроса антагонистической плейотропии как в природных, так и в лабораторных условиях. В целом, во всех случаях, когда эффекты антагонистической плейотропии серьезно изучались, они были выявлены. Однако не все компромиссы совершаются непосредственно между репродуктивной способностью и долголетием, как часто считается. Выявление распространенности, если не универсальности антагонистической плейотропии говорит о том, что многие молекулярные механизмы старения могут быть общими для разных организмов, и эти механизмы старения потенциально можно ослаблять с помощью прицельных вмешательств.
Введение: головоломка старения
Логика эволюции путем естественного отбора прямолинейна. В любой популяции встречаемость генных аллелей организмов, оставляющих набольшее количество размножающихся потомков, будет увеличиваться в последующих поколениях за счет уменьшения встречаемости аллелей организмов, менее успешных в размножении. Для того чтобы оставить много потомков, организмы должны быть успешными в выживании, то есть они должны жить достаточно долго для достижения репродуктивного возраста и впоследствии продолжить размножение. Согласно этой логике и процессу, естественный отбор, в конечном счете, производит организмы, великолепно выживающие и размножающиеся в своем окружении.
С этой точки зрения старение является эволюционной головоломкой. Если продолжительное выживание и размножение всегда приветствуется естественным отбором, почему старение, которое с эволюционной точки зрения можно определить как возрастное угасание уровня выживаемости и размножения, практически универсально в природном мире? Или, как это сформулировал Джордж Уильямс, «это удивительно, что после, казалось бы, сверхъестественного процесса морфогенеза, сложный многоклеточный организм не должен обладать способностью к выполнению гораздо более простого задания, а именно поддержания и сохранения того, что уже сформировалось». Другими словами, почему эволюция не формирует биологию организмов таким образом, чтобы старение никогда не происходило?
Одно из возможных решений этой головоломки заключается в том, что эволюция формирует биологию организмов так, чтобы они никогда не старели в естественных для них условиях, то есть в окружении, в котором они появились и эволюционировали. В редких случаях старение может развиваться в природе и становится очевидным только тогда, когда животные живут намного дольше, чем они могли бы прожить в естественных условиях, то есть когда мы защищаем их от естественных угроз, превращая в питомцев или домашний скот, а также при содержании в зоопарках. В таких случаях мы обеспечиваем им, также как себе, жизнь в контролируемом климате и без угрозы от хищников. Некоторые геронтологи-биомедики считают эту гипотезу верной. Однако это не так и на сегодняшний день результаты множества полевых исследований свидетельствуют о том, что старение диких животных является феноменом очень распространенным, если не близким к универсальному.
Таким образом, для того чтобы понять, как старение развивается в природных популяциях, придется решить настоящую головоломку. К счастью, эволюционные биологи раскрыли эту тайну.
Эволюционные теории старения
Сэр Питер Медавар, один из наиболее влиятельных родоначальников изучения эволюционного старения, отметил сходства между головоломкой старения и головоломкой болезни Гентингтона – неизбежно фатального аутосомно-доминантного неврологического заболевания. Если это заболевание наследуется и всегда приводит к гибели, почему естественный отбор не исключил ответственные за это аллели из генов человека? Это объясняется тем фактом, что болезнь Гентингтона обычно развивается поздно – во время или даже после окончания репродуктивного периода. С эволюционной точки зрения, губительный для здоровья аллель, не оказывающий влияния на репродуктивный успех своих носителей, не подвержен очищающему действию естественного отбора. Напротив, очевидно, что мутантные аллели, нарушающие репродуктивную способность на ранних этапах жизни, будут в большой немилости у естественного отбора. Следуя этой логике, чем раньше с репродуктивной точки зрения ощущаются эффекты аллеля, тем сильнее отбор влияет на его судьбу. Смысл этой простой идеи заключается в том, что сила естественного отбора в отношении сохранения или устранения новых аллелей тем меньше, чем позже на протяжении жизни проявляются их эффекты.
Догадка Медавара заключалась в том, что он применил эту же логику к старению. Он предположил, что, так как новые мутации возникают постоянно и гораздо чаще бывают губительными, чем полезными, любая новая губительная мутация, оказывающая на репродукцию или выживаемость влияние, проявляющееся только на поздних этапах жизни, будет недостаточно сильно подвержена давлению естественного отбора. В результате подобные аллели могут накапливаться в геномах на протяжении поколений. Эта концепция известна как гипотеза накопления мутаций Медавара.
Джордж Уильямс признал фундаментальную идею Медавара, однако он заметил нечто, подразумевающееся этой идеей, хотя сам Медавар упомянул это лишь вскользь. Он отметил, что аллели, оказывающие положительное влияние на выживаемость или репродукцию на ранних этапах жизни в условиях сильного давления естественного отбора, однако вызывающих губительные эффекты в более старшем возрасте, когда его давление ослабевает, могут активно сохраняться под действием естественного отбора, несмотря на вред, наносимый ими на поздних этапах жизни. Положительное влияние аллеля в молодом возрасте в сопоставлении с его более поздними отрицательными эффектами получило название антагонистическая плейотропия. Плейотропия в данном случае используется как описательный термин для множественных эффектов одного гена. Дополнительный вывод из гипотезы Уильямса гласит, что новые мутации, увеличивающие продолжительность жизни или замедляющие старение, с большой вероятностью оказывают какое-либо отрицательное влияние на выживаемость в раннем возрасте или репродукцию. Помимо разработки общей концепции антагонистической плейотропии, в 1957 году Уильямс опубликовал статью, в которой сделал 9 специфичных предположений о существовании и относительной скорости физиологического старения в определенных условиях. Удивительно, но 60 лет спустя 6 из 9 предположений имеют, по крайней мере, ограниченные эмпирические доказательства.
Однако какая из теорий старения – накопление мутаций или антагонистическая плейотропия – является более универсальной для представителей разных видов? Почти незамеченное следствие из гипотезы накопления мутаций Медавара заключается в том, что из-за случайного характера мутагенеза комплекс губительных мутаций, накапливающихся в одной генетической линии, будет характерен только для нее и, соответственно, будет неизбежно отличаться от комплексов мутаций в других линиях. Поэтому механизмы, лежащие в основе старения, учитывая, что накопление мутаций является его основной причиной, для генетических линий внутри одного вида будут отличаться ожидаемо меньше, чем между разными видами. С другой стороны, мы предполагаем, что ограниченное количество биологических процессов имеют скорее странные характеристики, делающие их полезными на ранних этапах жизни и губительными на поздних, а гипотеза антагонистической плеотропии Уильямса гласит, что многие механизмы старения могут быть универсальны для разных видов. Современное использование модельных организмов для изучения старения в целом допускает существование антагонистической плейотропии. Является ли это допущение оправданным?
Проверка эволюционных теорий
На сегодняшний день наиболее часто проверяемой в лабораторных условиях является гипотеза о генетических механизмах старения. Одним важным достоинством лабораторных экспериментов является то, что они позволяют тщательно контролировать окружающую среду. Однако, с точки зрения проверки эволюционных гипотез, у них есть серьезный недостаток – отсутствие даже отдаленного сходства с условиями, в которых в реальности происходила эволюция видов и изучаемых признаков. В лабораторных условиях физические условия постоянны и безопасны в отличие от непредсказуемо варьирующих условий реального мира. Биологические условия, в том числе отсутствие хищников, конкурентов и паразитов, также безопасны и неизменны. Полученные в лаборатории экспериментальные результаты необходимо интерпретировать с осторожностью, одновременно учитывая их эволюционную значимость. В качестве примера можно привести определенные гипоморфные мутации локуса рецептора к инсулину и инсулиноподобному фактору роста daf-2 у нематод C.elegans, которые стабильно увеличивают продолжительность жизни и жизнеспособность. Это поднимает эволюционный вопрос: почему в естественных условиях аллели дикого типа не заменились такими гипоморфными аллелями? Ответ на этот вопрос был получен в результате создания условий простой конкуренции между долгоживущей мутантной линией, которая изначально была заявлена как имеющая нормальную скорость роста и фертильность, с линией дикого типа. Долгоживущие мутанты исчезают через несколько поколений из-за небольшого, незамеченного ранее, снижения фертильности на ранних этапах жизни. Аналогичным образом, содержание червей в почве, являющейся их естественной средой обитания, а не в агаре – их обычной среде обитания в лаборатории – полностью устраняет преимущество схожей долгоживущей мутантной линии daf-2. Эти результаты демонстрируют сразу несколько причин, по которым эволюционные гипотезы значительно лучше проверять в естественных или, по крайней мере, приближенных к естественным условиям.
В лабораторных условиях эволюционные гипотезы можно эффективно проверять с помощью экспериментальных эволюционных парадигм. Это подразумевает применение специфичного режима отбора и проведение мониторинга эволюционных изменений на протяжении поколений. Например, Стернс и коллеги на протяжении 60 поколений применяли к одной группе плодовых мушек высокую случайную смертность, а к другой группе – низкую случайную смертность. В результате оказалось, что режим высокой смертности приводил к укорочению продолжительности жизни, снижению возраста полового созревания и ускорению репродуктивной траектории по сравнению с режимом низкой смертности. Эти данные оказались полностью сопоставимыми с результатами природного эксперимента, в котором опоссумов, естественным образом эволюционирующих на лишенном хищников острове, сравнивали с опоссумами нормальной популяции на населенном хищниками материке.
Ниже представлены два примера гипотезы антагонистической плейотропии в природных популяциях, после которых приведены более специфичные примеры для каждого из четырех организмов, традиционно изучаемых в лабораторных условиях: дрожжей, круглых червей, плодовых мух и мышей. Это продемонстрирует, каким образом лабораторные организмы позволяют исследователям выявлять отдельные гены антагонистической плеотропии. Следует помнить, что, несмотря на применимость эффектов антагонистической плейотропии (то есть компромиссов между размножением и долголетием) к человеку, до сих пор не существует убедительных доказательств ответственности какого-либо гена или аллеля за подобные компромиссы. Это обусловлено тем, что исследования генетики человека имеют скорее наблюдательный, чем экспериментальный характер и, соответственно, основываются на корреляциях, которые необязательно являются причинными. Поэтому, несмотря на то, что ниже авторы обсуждают касающиеся человека выводы, они не указывают, какие из них являются чисто спекулятивными.
Компромиссы в природных популяцияхЗа последние десятилетия экологи и эволюционные биологи выявили в природных популяциях десятки компромиссов, касающихся признаков, появившихся в результате эволюции. Большая их часть касается «платы за размножение»: особи, которые размножаются (или размножаются больше) демонстрируют соответствующее снижение выраженности какого-либо параметра приспособленности, будь то иммунитет, энергичность или долголетие. Следует отметить, что подобные компромиссы подтверждают гипотезу антагонистической плейотропии, однако из-за того, что генетические основы компромиссов в природных популяциях обычно неизвестны, их нельзя полностью объяснить этим механизмом. Помимо этого такие компромиссы подтверждают теорию старения Кирквуда, известную как теория одноразовой сомы, которая также сопоставима с теорией антагонистической плейотропии. Существует огромное количество литературы по компромиссам в природных популяциях и в других обзорах описана интеграция множества аспектов «платы за размножение». В данной статье приведено лишь несколько примеров, возможно имеющих антагонистически плейотропную основу: размножение и долголетие, а также размножение и иммунитет.
Размножение и долголетие
Наиболее часто наблюдаемый в природных популяциях компромисс подразумевает отрицательную ассоциацию между плодовитостью и долголетием. Отрицательные корреляции между продолжительностью жизни и размножением описаны для множества позвоночных, в том числе пресмыкающихся, птиц и млекопитающих. Помимо этого широко описаны компромиссы, характерные для млекопитающих, однако обычно их изучение проводят в лабораторном контексте, позволяющем индивидуально изучать пойманных диких животных. Например, в большой популяции западных чаек для рано спаривающихся особей характерен повышенный риск смертности по сравнению с особями, начинающими спаривать в более старшем возрасте. Аналогичным образом, спаривающиеся обычные белки имеют более короткую продолжительность жизни по сравнению с особями, откладывающими первое спаривание. Интересен тот факт, что эти компромиссы часто не наблюдаются в популяциях млекопитающих и птиц, живущих в неволе. Это свидетельствует об облегчении давления отбора, движущего антагонистическую плейотропию, в безопасных условиях окружающей среды. Таким образом, тогда как компромиссы между продолжительностью жизни и размножением выглядят обычным делом в природных популяциях, вовлеченные в это гены в большинстве случаев неизвестны, поэтому мы не можем однозначно отнести их ни к гипотезе антагонистической плейотропии, ни к гипотезе одноразовой сомы.
Размножение и иммунитет
Тогда как компромисс между размножением и долголетием или другими параметрами старения является наиболее изученной «платой за размножение», также было продемонстрировано отрицательное влияние иммунной системы на размножение в раннем возрасте. В богатом патогенами окружении ослабленная иммунная функция должна снижать ожидаемую продолжительность жизни. Например, самки обыкновенных гаг, выращивающих большие выводки, имеют сниженную иммунную функцию, что может уменьшать выживаемость в будущем, а также подавлять будущее размножение выживших особей. Аналогичным образом, спаривание полосатых земляных сверчков подавляет определенные аспекты иммунитета, что повышает смертность особей, вступивших в спаривание. Кроме этого, самцы плодовых мух дрозофил, спарившиеся с большим количеством самок, имеют сниженную способность к излечению от бактериальных инфекций. Аналогичным образом были описаны компромиссы между размножением и способностью противостоять паразитарным инфекциям у мухоловок-белошеек, что косвенным образом оказывает влияние на долголетие. Все эти компромиссы между размножением и иммунитетом потенциально могут обуславливать другие компромиссы между репродукцией и долголетием, то есть могут быть потенциально опосредованными генами антагонистической плейотропии.
Антагонистическая плейотропия в лаборатории
Тогда как компромиссы между репродукцией и другими параметрами приспособленности очень распространены, а возможно, даже повсеместны в природных популяциях, обеспечивающие эти компромиссы отдельные гены редко изучаются по многим причинам, в том числе из-за отсутствия геномных ресурсов для многих видов и из-за слабого интереса со стороны экологов, изучающих природные популяции. Способствующие антагонистической плейотропии гены наиболее часто идентифицировались у модельных организмов в лабораторных условиях. В связи с этим фокус этого короткого обзора будет смещен в сторону антагонистически плейотропных эффектов определенных генов, идентифицированных у четырех наиболее активно изучаемых лабораторных моделей: дрожжей, круглых червей, плодовых мушек и мышей. Открытие антагонистической плейотропии в лабораторных условиях произошло благодаря (i) экспериментам по прямому отбору по признаку долголетия или (ii) частичной или полной инактивации гена, обеспечивающего значительное увеличение продолжительности жизни, которая, при последующем изучении, оказывала губительное влияние на какой-либо из аспектов приспособленности в молодом возрасте. В таблице 1 представлено несколько хорошо изученных генов, открытых с помощью описанных выше экспериментов на традиционных модельных организмах.
Таблица 1. Примеры генов, мутации которых в лабораторных условиях приводят к увеличению продолжительности жизни, сопровождающемуся антагонистически плейотропными эффектами
|
Вид |
Ген |
Увеличение долголетия |
Плейотропный эффект |
|
Круглые черви (C.elegans) |
|
|
|
|
|
daf-2 |
100% |
Снижение активности размножения на ранних этапах жизни |
|
|
age-1 |
65% |
Снижение устойчивости к голоданию |
|
Плодовые мушки (D.melanogaster) |
|
|
|
|
|
chico |
50% |
Бесплодие |
|
|
Inr |
85% |
Бесплодие |
|
Домовые мыши (Mus musculus) |
|
|
|
|
|
prop-1 |
50% |
Бесплодие |
|
|
p66shc |
35% |
Снижение плодовитости и материнского инстинкта |
Дрожжи
Одноклеточные почкующиеся (или пекарские) дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) являются одной из наиболее хорошо изученных моделей старения, и множество оказывающих антагонистические эффекты генов было идентифицировано в экспериментах на дрожжах. Например, 65% всех линий дрожжей с увеличенной из-за инактивации единичных генов продолжительностью репликативной жизни имеют сниженную приспособляемость по сравнению с дрожжами дикого типа в экспериментах по прямой конкуренции. По большей части снижение приспособляемости обусловлено уменьшением скорости роста по сравнению с дрожжами дикого типа. Помимо этого результаты более ранних анализов, проведенных с помощью методов системной биологии, свидетельствуют о том, что антагонистическая плейотропия может вносить значительный вклад в функционирование механизмов межбелковых взаимодействий и целостность систем. У другого вида дрожжей – делящихся дрожжей (Schizosaccharomyces pombe) – хромосомные перестройки могут одновременно приводить к снижению репродукции (мейоза) и усилению роста (митоза) по типу антагонистической плейотропии.
Круглые черви
Круглые черви Caenorhabditis elegans являются наиболее изученной беспозвоночной моделью в изучении старения. В исследованиях на этих червях идентифицированы сотни генов, подавление активности которых увеличивает продолжительность жизни. Однако эксперименты на таких долгоживущих мутантах часто не позволяют определить, оказывают ли мутации какое-либо влияние на репродукцию (ни в отношении плодовитости, ни в отношении продолжительности периодов между откладкой яиц). Однако более тщательный поиск обычно приводит к выявлению эффектов антагонистической плейотропии.
Как было упомянуто во введении, наиболее стабильное и выраженное положительное влияние на продолжительность жизни C.elegans оказывает ген daf-2, кодирующий рецептор к инсулину/инсулиноподобному фактору роста. Гипоморфные мутации этого гена обеспечивают значительное снижение активности репродукции (на 18-23%) по сравнению с особями дикого типа, одновременно удваивая продолжительность жизни. Однако репродуктивные эффекты проявляются на ранних этапах жизни, когда давление отбора наиболее велико. При непосредственной конкуренции daf-2-мутанты быстро вытеснялись червями дикого типа. В условиях постоянного присутствия питательных веществ daf-2-мутанты исчезали за 4 поколения, а при периодическом кормления они вымирали еще быстрее – за 3 поколения. Гипоморфные мутации гена age-1, также вовлеченного в сигнальный механизм, опосредованный инсулином/инсулиноподобным фактором роста, увеличивают продолжительность жизни на 65% по сравнению с червями дикого типа. Интересно, что при непосредственной конкуренции с особями дикого типа в условиях неограниченного количества пищи ни одна из сторон не имеет преимуществ. Однако при эпизодической доступности пищи, приближающей условия обитания к естественным, age-1-мутанты быстро вымирают, что объясняет сохранность аллели дикого типа в природе.
Еще одним примером для C.elegans является ген clk-1, кодирующий фермент, необходимый для биосинтеза убихинона. При генетическом повреждении гена clk-1 продолжительность жизни увеличивается на 20-40%, в зависимости от температуры окружающей среды. Существует также множество антагонистических плейотропных эффектов ранних этапов жизни, в том числе снижение метаболической активности, удлинение периода развития и снижение темпа размножения. Аналогичным образом, увеличивающие продолжительность жизни мутации 24 генов, оказывающих влияние на процесс развития, также снижают плодовитость. Многие из этих генов, такие как clk-1, вовлечены не только в хорошо изученный сигнальный механизм, опосредуемый инсулином/инсулиноподобным фактором роста.
В комплексе эти результаты свидетельствуют о том, что увеличивающие продолжительность жизни генетические вмешательства могут оказывать сильно отличающиеся друг от друга антагонистически плеотропные эффекты. Тогда как не все они оказывают непосредственное влияние на репродуктивную функцию, определенные аспекты приспособленности на ранних этапах жизни неизбежно подавляются, что в естественных условиях обитания снижает вероятность отбора аллелей, способствующих долголетию.
Помимо нокаутирования отдельных генов, информацию о повсеместной роли антагонистической плейотропии в эволюционных компромиссах предоставили эксперименты по отбору на круглых червях. При отборе по признаку раннего размножения на протяжении более чем 40 поколений наблюдался компромисс с поздним размножением, но не с уменьшением продолжительности жизни. Данный эксперимент проводили в лабораторных условиях, поэтому его результаты следует интерпретировать с осторожностью. Однако они свидетельствуют о том, что, несмотря на свою универсальность, ограничения антагонистической плейотропии не всегда касаются долголетия. Они также могут оказывать влияние на репродуктивное долголетие.
Базовая модель, описывающая механизм, посредством которого лабораторные мутации ведут к увеличению продолжительности жизни с одновременным снижением репродуктивной успешности.
Плодовые мушки
Различные виды плодовых мушек рода дрозофила (Drosophila) являются, пожалуй, наиболее хорошо описанной группой видов, применяемых для изучения эволюционных вопросов старения. Эксперименты на дрозофилах варьируют от эмпирических исследований влияния отбора по признаку отложенного размножения на долголетие в лабораторных условиях до более популярной в настоящее время идентификации генов, увеличивающих продолжительность жизни. На сегодняшний день уже открыто несколько десятков генов, инактивация или повышенная экспрессия которых увеличивает продолжительность жизни наиболее широко используемого вида плодовых мушек D.melanogaster. Однако, как видно по экспериментам на круглых червях, результаты многих работ по изучению влияния этих мутаций на долголетие как не демонстрируют влияния на репродукцию или другие компоненты приспособленности на ранних этапах жизни, так и не были воспроизведены другими лабораториями. По этой причине в данной статье внимание уделяется ряду наиболее воспроизводимых мутаций отдельных генов, а также нескольким из многих селекционных экспериментов, проведенных на D.melanogaster.
Экспериментальная эволюция отобранных линий и гибридов свидетельствует о том, что основным генетическим механизмом, лежащим в основе поздней смертности плодовых мушек, является скорее антагонистическая плейотропия, чем накопление мутаций Медавара. Линии D.melanogaster, отобранные по признаку позднего размножения, живут дольше со сниженной активностью размножения на ранних этапах жизни, по сравнению с контрольной линией. Помимо этого была выявлена отрицательная корреляция между ранним размножением и устойчивостью к голоданию – традиционно оцениваемой величине, значение которой у дрозофил снижается по мере старения. Аналогичным образом, линии D.simulans, отобранные по признаку отложенного роста, отличаются долголетием, что также подтверждает существование антагонистической плейотропии, однако в данном случае отложенное созревание не приводит к общему снижению плодовитости, как можно было предположить. В то же время, в природных условиях замедленное созревание потенциально может приводить к отрицательным, с точки зрения приспособленности, последствиям, что делает этот признак неблагоприятным для отбора. Второй набор линий D.melanogaster, подобранный по признакам раннего или позднего размножения, продемонстрировал бОльшую продолжительность жизни у поздно размножающихся линий при отсутствии снижения активности раннего размножения. Однако личинки короткоживущих рано размножающихся линий имели конкурентное преимущество перед личинками поздно размножающихся линий. Это свидетельствует о антагонистически плейотропных компромиссах между ростом личинок и долголетием, а не размножением и долголетием, что подчеркивает существование нескольких важных компонентов приспособленности на ранних этапах жизни. Интересен тот факт, что эксперименты на различных линиях, отобранных искусственным образом независимо друг от друга, демонстрируют то, что лабораторные условия могут оказывать выраженное влияние на параметры жизненного цикла, в особенности плодовитость. Это свидетельствует о том, что эффекты генов антагонистической плейотропии настолько подвержены влиянию факторов окружающей среды, что одна лаборатория может выявить компромисс между долголетием и размножением, тогда как у других это не получается даже при работе с теми же линиями.
В ряде исследований на дрозофилах одновременно выявлялись подтверждения теорий антагонистической плейотропии и накопления мутаций. Из этого напрашивается вывод, согласно которому два потенциальных эволюционных механизма старения не являются взаимоисключающими. Результаты недавно проведенной интересной работы на полученных в результате родственного скрещивания линиях дрозофил свидетельствуют о том, что множество единичных нуклеотидных полиморфизмов ассоциировано как с антагонистической плейотропией, так и с накоплением мутаций в ответ на воздействие ряда стрессоров. Тогда как и антагонистическая плейотропия, и накопление мутаций могут способствовать появлению тех или иных параметров жизненного цикла у дрозофилы, следует иметь в виду, что во всех исследованиях, посвященных изучению эволюции данной группы видов, выявляется, по крайней мере, один компромисс по принципу антагонистической плейотропии.
Так же, как было описано на дрожжах и нематодах, отдельные гены могут увеличивать продолжительность жизни, оказывая при этом отрицательное влияние на размножение дрозофил. Так же, как у нематод, многие гены, проявляющие такие антагонистически плейотропные эффекты, в случае дрозофил вовлечены в сигнальный механизм, опосредуемые инсулином/инсулиноподобным фактором роста. Например, инактивация гена chico, кодирующего субстрат инсулинового рецептора (InR) у дрозофил, увеличивает продолжительность жизни, одновременно вызывая снижение фертильности у гетерозиготных особей. Гомозиготные по данной мутации самки бесплодны и отличаются большой продолжительностью жизни. Сам по себе нокаут гена InR у дрозофил увеличивает продолжительность жизни, однако такие самки не производят жизнеспособных яйцеклеток, предположительно за счет влияния нокаутированного гена на экспрессию ювенильного гормона. Непосредственное нокаутирование гена ювенильного гормона также увеличивает продолжительность жизни с одновременным значительным подавлением продукции яйцеклеток. Однако сниженная активность генов сигнального пути, опосредуемого инсулином, не оказывает непосредственного влияния на фертильность. Например, повышенная экспрессия у дрозофил фактора транскрипции forkhead (dFOXO) увеличивает продолжительность жизни без очевидного влияния на плодовитость. Аналогичным образом, долгоживущие мутанты генов indy и jnk не демонстрируют снижения фертильности, ассоциированного с увеличенной продолжительностью жизни. Однако, как было упомянуто выше, помимо общей фертильности, существует целый ряд параметров плодовитости на ранних этапах жизни. Поэтому и в подобных случаях нельзя исключать компромиссы. Например, очень немногие исследователи, интересующиеся старением, анализируют конкурентную способность личинок, даже несмотря на то, что результаты ряда исследований продемонстрировали компромиссы между этим показателем и долгожительством взрослых особей. Фактически у нескольких независимых друг от друга долгоживущих линий плодовых мушек, полученных с помощью искусственного отбора, наиболее стабильно ассоциированным с большой продолжительностью жизни признаком была сниженная жизнеспособность личинок. Поэтому удивительно, что у дрозофил был идентифицирован целый ряд генов, увеличивающих продолжительность жизни без очевидного влияния на фертильность. Однако, с другой стороны, фертильность может быть не основным антагонистическим компромиссом с большой продолжительностью жизни у плодовых мушек. В связи с этим не удивительно, если окажется, что большая часть увеличивающих продолжительность жизни генов оказывает отрицательное влияние на другие аспекты общей приспособленности.
Мыши
На домовых мышах (Mus musculus) целенаправленно не проводилось ни полевых исследований, ни долгосрочных лабораторных исследований отбора – двух предпочтительных методов проверки верности эволюционных гипотез. Однако отбор лабораторных мышей на протяжении многих поколений проводился по высокому темпу размножения и другим признакам, ассоциированным с их коммерческим использованием в лабораторных исследованиях, и его можно считать отчасти «естественным экспериментом». В лабораторных условиях одомашненные мыши имеют ускоренное половое созревание и более крупные выводки по сравнению с мышами дикого типа (недавних потомков диких мышей, живущих в лаборатории). Учитывая отбор по признаку ускоренного размножения, согласно теории антагонистической плеотропии, можно предположить, что в результате лабораторные мыши должны стареть быстрее, чем животные дикого типа. И действительно, по крайней мере, в условиях лаборатории эти имеет место.
Следует упомянуть одно исследование на мышах, проведенное в симулированных полевых условиях. Изначально было показано, что удаление одного из сплайс-вариантов обеспечивающего передачу сигналов в цитоплазме белка p66shc, реагирующего на стрессовые факторы и факторы роста, увеличивает продолжительность жизни и повышает клеточную устойчивость мышей к окислительному стрессу. Несмотря на то, что в последующих исследованиях не удалось воспроизвести эффект увеличения продолжительности жизни, у мышей с нокаутированным p66shc были выявлены другие улучшающие состояние здоровья признаки, в том числе повышенная чувствительность тканей к инсулину, а также устойчивость к развитию ожирения, атеросклероза и ишемических повреждений. И опять, в рамках гипотезы антагонистической плеотропии, эти улучшающие состояние здоровья признаки ассоциированы с недостатком белкового продукта нормального гена, что предположительно должно иметь отрицательные последствия с точки зрения приспособленности. Действительно, при поселении лабораторных мышей дикого типа и мышей с полностью нокаутированным геном p66shc или гетерозигот по нему в обширном вольере на открытом воздухе в западной России численность мышей с генотипом дикого типа за 13 месяцев увеличилась почти в 3 раза, тогда как численность мышей с нокаутированным p66shc уменьшилась в 4 раза, а численность гетерозигот сохранилась примерно на исходном уровне. Дальнейшие лабораторные исследования выявили возможные причины низкой жизнеспособности мышей с одним или двумя нокаутированными аллелями p66shc. К ним относятся: сниженная устойчивость к холоду и голоданию, а также более низкая плодовитость и менее выраженный материнский инстинкт. Таким образом, как полностью, так и гапло-нокаутированный генотипы имели сниженную дарвиновскую приспособленность по сравнению с генотипом дикого типа, по крайней мере, в данных условиях. Это также не противоречит антагонистической плеотропии, ассоциированной с геном p66shc.
На сегодняшний день существует более двух десятков модифицированных мышиных генотипов, увеличивающих продолжительность жизни в лабораторных условиях. Однако отклонения в развитии или размножении редко выявляются у мышей, модифицированных с целью замедления старения или увеличения продолжительности жизни. Возможно, наиболее хорошо описанными с точки зрения размножения являются карликовые мыши Ames и Snell, потому что параметры их развития и размножения изучались в рамках ряда ранних исследований до того, как было выявлено их исключительное долгожительство. Карликовые мыши Ames демонстрируют самое большое увеличение продолжительности жизни из эффектов, полученных с помощью всех известных мутаций, и имеют только один поврежденный фактор транскрипции (prop-1), необходимый для развития гипофиза. Соответственно, для них характерен дефицит нескольких гипофизарных гормонов (гормон роста, пролактин и тиреотропный гормон), что делает их мелкими, чувствительными к холоду и бесплодными. Карликовые мыши Snell не имеют фактора транскрипции (pit-1), активируемого prop-1. Их фенотип практически идентичен фенотипу Ames, и обе линии демонстрируют множество проявлений, напоминающих замедленное старение. Помимо этого оба генотипа отличаются долгожительством: мыши Ames живут на 48-67%, а мыши Snell – на 42% дольше контрольных особей. Оба карликовых генотипа также имеют сниженную плодовитость или стерильность, ассоциированную с долгожительством. Очевидно, что это можно интерпретировать как антагонистическую плеотропию в лабораторных условиях, и такие мутации никогда не сохранились бы в ходе отбора в диких популяциях.
Заключение
Когда Джордж Уильямс в 1957 году впервые предложил свою теорию антагонистической плейотропии, он предложил гипотетический пример гена, ускоряющего процесс формирования артерий в процессе развития, но приводящего к кальцинозу артериальных стенок на поздних этапах жизни. К этому его подтолкнуло отсутствие на тот момент известных генов, имеющих такую странную особенность – приносить пользу в начале жизни и оказывать губительное действие позже. На протяжении примерно 20 прошедших лет молекулярная биология стала рогом изобилия таких генов и за последние 60 лет 6 из 9 сделанных Уильямсом предсказаний нашли свое подтверждение. Как это ни парадоксально, сегодня на передовой линии исследований старения находится другой тип антагонистической плейотропии – польза на поздних этапах жизни за счет вреда на ее ранних этапах.
Здесь мы только вскользь прикоснулись к поверхности очень большой темы. Однако эта тема должна привлекать все больший интерес, так как биология старения находится на пороге ряда серьезных открытий. Исходя из имеющихся данных, в животном мире (а, возможно, это распространяется на все живое) антагонистическая плейотропия является очень распространенной, если не универсальной. При выявлении какого-либо аллеля или новой мутации, увеличивающей продолжительность жизни, практически всегда обнаруживается какое-то отрицательное проявление на ранних этапах жизни. Это объясняет неспособность аллелей долгожительства выдерживать отбор в природных популяциях. Однако, тогда как антагонистическая плейотропия, судя по всему, является практически универсальной, большинство действующих по принципу антагонистической плейотропии аллелей в природных популяциях до сих пор не выявлено, а лабораторные исследования, описывающие увеличивающие продолжительность жизни аллели, не выявили влияния на приспособленность на ранних этапах жизни. Эти пробелы в знаниях еще следует заполнить и можно предположить, что результаты работы в обоих направлениях предоставят больше убедительных доказательств в пользу теории антагонистической плейотропии в старении. Одно из последних открытий, особенно утешительное для людей, мечтающих о продлевающих период здоровой жизни медицинских вмешательствах, заключается в том, что такие вмешательства не следует применять до относительно позднего возраста – до окончания репродуктивного периода. В таких случаях неясно, будут ли эффекты антагонистической плейотропии проявляться на ранних этапах жизни. Таким образом, эволюционная биология не исключает возможность применения медицинских вмешательств для замедления процесса старения.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
