Гомперц или харман: два подхода к изучению эволюции старения обзор 2015 г. Г. А. Шиловский, Т. С. Путятина, А. А. Марков



бет1/2
Дата05.02.2018
өлшемі438.58 Kb.
  1   2
УДК 576.385: 57.017.6: 575.113: 612.67

ГОМПЕРЦ ИЛИ ХАРМАН: ДВА ПОДХОДА К ИЗУЧЕНИЮ ЭВОЛЮЦИИ СТАРЕНИЯ

Обзор

© 2015 г. Г.А. Шиловский, Т.С. Путятина, А.А. Марков

1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,

биологический факультет, 119991 Москва; тел. +7(495)939-2385,

электронная почта: shilovsky@genebee.msu.su
Поступила в редакцию
Известно, что с возрастом усиливаются процессы, приводящие к нарушению целостности генома. Это связано как с увеличенной продукцией активных форм кислорода, так и со снижением эффективности антиоксидантной защиты и систем поддержания стабильности генома. Накопление с возрастом различных нерепарируемых повреждений генома может являться причиной развития многих возрастных заболеваний и появления фенотипических и физиологических признаков старения. Очевидно также, что существует тесная связь между механизмами поддержания стабильности генома, с одной стороны, и длительностью жизни, с другой. В связи с этим большой интерес вызывает работа германского Института демографических исследований по выявлению нестареющих животных, в которой были приведены кривые выживаемости, смертности и фертильности 45 видов животных и растений и одной водоросли (Джонс и др., 2014). Мы разделили все исследованные виды на четыре группы по отношению смертности в терминальном возрасте (соответствующий 5%-ному выживанию) к средней за весь исследованный период. Для животных первой группы (включая человека) (долгоживущих и стареющих), метод Джонса позволяет «прорисовать» смертность практически в течение всего жизненного цикла. То же самое касается короткоживущих животных, (например, нематоды C. elegans или полевки-экономки), вне зависимости от того, наблюдается ли у них «актуарное» старение или нет. Что же касается долгоживущих видов с менее выраженным увеличением (или даже снижением) смертности (например, для крокодила Джонсона, рака-отшельника или обыкновенной сосны), а также животных со средней ПЖ, которые достигают барьера 5%-ного выживания раньше, чем успевают физиологически постареть, то здесь метод Джонса позволяет охарактеризовать лишь малую часть жизненного цикла, не позволяя судить о том, как проявляется старение на поздних стадиях жизненного цикла. Так, известно, например, что у старых деревьев (в том числе сосны и калины) признаки физиологического старения проявляются достаточно явно, хотя Джонс и относит их к нестареющим организмам. Мы сделали вывод, что классификация предложенная Джонсом и соавт. дает возможность приблизительно разделить животных и растения только по степени актуарного старения, тогда как для оценки подверженности физиологическому старению необходимо построение более сложных моделей.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: продолжительность жизни, старение, нестареющие виды, кривые выживания.

_______________________

Принятые сокращения: ПЖ – продолжительность жизни.

* Адресат для корреспонденции.


Краткое название: эволюция старения и продолжительности жизни
ВВЕДЕНИЕ

Цель данной работы заключалась в исследовании процесса старения и его эволюции, а также сравнения основных его закономерностей у животных, находящихся на разных ступенях эволюционного древа.

Изначально существовали два магистральных подхода к изучению старения.

В одном случае первостепенное значение придавалось поиску механизмов и молекулярных «субстратов старения», в первую очередь это касалось накопления повреждений ДНК экзогенными и эндогенно генерируемыми радикалами (Харман, 1956, Эмануэль, 1965, Акифьев, Потапенко, 2001). Одним из наиболее известных проявлений старения является накопление с возрастом повреждений ДНК [1–6]. Поскольку ДНК считается матрицей, с помощью которой можно восстановить все клеточные составляющие, то накопление повреждений ДНК и снижение способности репарировать и реагировать на повреждения ДНК с возрастом и будут приводить к ухудшению функционирования как отдельных клеток, тканей и органов, так и всего организма в целом (что и приведет со временем к увеличению вероятности его гибели). Считается, что это связано не только с возрастным увеличением внутриклеточного содержания ДНК-повреждающих агентов, но и со снижением потенциала систем, ответственных за поддержание стабильности генома [7–12]. В качестве возможных причин таких изменений называют накопление спонтанных соматических мутаций, генетическую запрограммированность и др. [13–15]. Сбои в системах обеспечения целостности генома могут играть важную роль в процессах старения и в развитии возрастных заболеваний [15, 16]. Способность организма к поддержанию высокой эффективности функционирования этих систем в течение всей жизни может также являться важным фактором, определяющим индивидуальную и видовую ПЖ (Shilovsky et al., 2013). Таким образом, животные с большей ПЖ должны обладать лучшей способностью реагировать на повреждения ДНК. Это подтверждается наличием положительной корреляции между активностью систем, вовлеченных в репарацию ДНК, и максимальной ПЖ млекопитающих [9, 17–19, 129, 130].

Второй магистральный путь, начавшийся в 19 веке с работ Гомперца, математика, специалиста по страхованию жизни, также получил большое распространение (Гаврилов и др., 1978; Урланис, 1978; Гаврилов, Гаврилова, 1991; Мамай, 1997; Comfort, 1979; Austad, 1997). Гомперц показал, что у человека наблюдается старение, определяемое им как увеличение силы смертности с возрастом, то есть при разбиении жизни человека на некоторое число равных интервалов, вероятность умереть (число умерших в данном интервале по отношению к числу живых на его начало), с возрастом неуклонно растет, и предположил, что это свойство касается всех организмов («закон смертности») (Gompertz, 1825).

Впоследствии были построены и проанализированы таблицы и кривые выживания для многих других представителей животного мира. Выяснилось, что отсутствие «актуарного старения» (то есть неувеличение вероятности смерти с возрастом), не обязательно ведет к большой ПЖ (см. далее), то есть система, успешно противостоящая увеличению доли умерших, не обязательно профункционирует дольше других. Со временем появилась еще одна проблема на стыке математики и биологии, а именно соответствие актуарного и физиологического старения. Так, у видов, вероятность смерти которых не увеличивалась с возрастом, могли наблюдаться признаки угасания некоторых физиологических функций и накопление дегенеративных изменений, то есть «физиологическое» старение. Было высказано много предположений о причинах такого несоответствия. Финч предложил два критерия пренебрежимого старения: отсутствие увеличения смертности с возрастом и пренебрежимо малые функциональные ухудшения с возрастом (Finch, 1998).

Для понимания возникновения этого феномена старения и изменений его в ходе эволюции, на наш взгляд, необходимо начать с рассмотрения наиболее известных теорий.
ТЕОРИИ СТАРЕНИЯ

Сотни теорий были предложены для объяснения непосредственных механизмов старения (Comfort, 1979; Medvedev, 1990; Kirkwood, 2010).

Август Вейсман, рассматривая проблему старения с научной точки зрения, первым предположил, что старость является результатом эволюции. Он писал, что, поскольку нестареющие организмы вредны, так как занимают место молодых, эволюция должна приводить к появлению программы старения. Биологическим механизмом такой программы он считал ограничение числа делений соматических клеток (в отличие от неограниченно пролиферирующих половых клеток), а, соответственно, межвидовые различия ПЖ у животных - числом клеточных генераций. Тем не менее, текущие теоретические подходы еще не объясняют подробно, почему старение развилось у некоторых видов, а не других не развилось (Baudisch, 2008). Р. Фишер предложил в качестве главной причины возникновения старения снижение силы отбора с возрастом (Fisher, 1930). В эволюционной концепции Медавара («теории накопления мутаций») старение постулируется как случайное неадаптивное явление (Medawar, 1946, 1952). Медавар критиковал идеи Вейсмана, что старение есть результат эволюции, утверждая, что животные в природе редко доживают до старости, причиной чему служат многочисленные летальные случайности, и поэтому старые особи не влияют на генофонд популяции, как в пользу старения, так и против него.

Другими словами, после пика репродукции сила естественного отбора стремится к нулю, и далее имеет место лишь стохастическое снижение функциональности (Helfand, Inouye, 2002). Если вредные мутации, проявляющиеся в молодости, встречают жесткое сопротивление отбора из-за отрицательного вклада в приспособленность (оставление потомства), то аналогичные мутации, проявляющиеся поздно, относительно нейтральны, поскольку их носители уже передали гены потомству. Данная концепция обосновывает также отсутствие специализированных генов «программы старения».



Теория Вильямса («антагонистическая плейотропия») постулирует плейотропные гены старения (Williams,1957). Они усиливают репродуктивный успех в молодом возрасте, несмотря на отсроченные негативные эффекты, причем мутации этих генов приводят к увеличению ПЖ за счет снижения фертильности [Vijg et al., 2005]. Теория антагонистической плейотропии подтверждается феноменом старения делящихся клеток (необратимое прекращение делений при повреждениях), стимулируя в раннем возрасте жизнеспособность путем уменьшения вероятности рака и в то же время ограничивая ПЖ вследствие накопления дисфункциональных стареющих клеток (Campisi, 2005).

Особым случаем антагонистической плейотропии является предложенная Кирквудом теория «одноразовой сомы» (Kirkwood, 1977). В ней говорится о существовании генов, контролирующих перераспределение энергетических ресурсов от сомы к репродукции (конкуренция репарации соматических повреждений, требующей затрат энергии, с репродукцией). С эволюционной точки зрения, если в результате постоянного давления на популяцию неблагоприятных условий среды шансы прожить долго невелики, то большие энергозатраты на поддержание сомы нецелесообразны, и оптимальным решением является быстрое размножение, чтобы успеть оставить потомство. Когда жизненные условия вида изменяются (например, новая экологическая ниша, заселение новых местообитаний) и соответственно возрастает шанс более длительного существования, более эффективно будет переключить баланс в пользу поддержания жизнеспособности, поскольку в таком случае репродуктивная жизнь увеличится. Остад приводит пример, что в популяции опоссумов, случайно заселивших отдельный островок, по сравнению с «материковыми», увеличилась средняя ПЖ и замедлилось физиологическое старение (определяемое по структуре коллагеновых сухожилий хвоста) (1997).

Также было предложено существование генов обеспечения долгожительства (longevity assurance), основная функция которых - поддерживать выживание организма путем репарации соматических клеток (Vijg et al., 2005), то есть теорию «программы долголетия», что подтверждается идентификацией десятков мутаций, увеличивающих ПЖ и влияющих на стрессоустойчивость организма (Guarente, Kenyon, 2000; Longo et al., 2005; Partridge et al., 2005). Значительную роль в этом процессе играют эпигенетические модификации хроматина (Pogribny, Vanyushin, 2010; Boyd-Kirkup et al., 2013). В отличие от вариантов, рассматриваемых теориями накопления мутаций и отработанной сомы, опирающихся на постоянное давление неблагоприятных условий среды (хищников, болезней), такая программа долгожительства могла возникнуть в эволюции для переживания кратковременных экстремальных внешних воздействий (резкое изменение температуры, снижение калорийности питания (Guarente, Kenyon, 2000; Vijg et al., 2005).
Кривые смертности. Анализ изменения функций при старении (плодовитости, подвижности, памяти) демонстрирует, что различные органы и ткани подвергаются возрастзависимым нарушениям с разной скоростью. Кроме того, длительность жизни варьирует от особи к особи. Даже генетически сходные или идентичные особи могут иметь принципиально различные траектории ПЖ (например, рабочие особи и матки общественных насекомых).

Известные различия в долгожительстве между разными видами составляют несколько порядков: 106 - между всеми таксонами (от дрожжей до сосны долговечной) и 102 - внутри одного класса (от бурозубок до гренландского кита, от почвенных нематод до паразитических). Возрастные изменения могут различаться по скорости: быть медленными (у некоторых губок, деревьев, глубоководных рыб, черепах), постепенными (у человека) или внезапными (у лососей). Существуют также практически нестареющие виды и виды с «отрицательным старением» - когда плодовитость и размеры с возрастом увеличиваются.

В Институте демографических исследований по выявлению нестареющих животных, группой ученых института демографических исследований г. Росток (Max Planck Research Group on Modelling the Evolution of Ageing) под руководством А. Баудиш были проведены исследования кривых смертности и фертильности (Джонс и др., 2014).

Рис. 1 Демографические траектории по Джонсу (2014). Относительная смертность (красный) и фертильность (синий) как функции возраста, от момента наступления зрелости до того возраста, когда в живых остается только 5% взрослых особей; смертность и рождаемость нормированы относительно средних. Графики расположены в порядке убывания относительной смертности к терминальному возрасту. Выживаемость (в логарифмической шкале) от момента наступления зрелости изображается затененной областью. Пунктирные линии - для траекторий, полученные с помощью метматических расчетов.

После терминального возраста, размер выборки, как правило, небольшой и определение возраста зачастую проблематично. Размерность оси возраста варьируется от нескольких дней до столетий.

Смертность или уровень смертности (показатель смертности) в данной работе (рис. 1, красные кривые, ось Y слева) стандартизована. Исходные возрастные значения для каждого вида поделены на среднее время их жизни (средняя смертность всех взрослых живых от зрелости до терминального возраста). Таким образом, на графике приведен уровень смертности в данном возрасте по сравнению со средним за весь период времени жизни. В аналогичном виде представлена и фертильность. Средняя отмечена пунктирной серой линией. Выживаемость (доля когорты, которая все еще жива в данном возрасте по отношению к количеству живых к моменту наступления половой зрелости. (рис.1, серые кривые, ось Y справа,) представлена в логарифмическом масштабе.



Эти стандартизированные значения назвали относительной фертильностью и относительной смертностью. От наиболее высокого уровня относительной смертности в терминальном возраста (рис. 1, слева вверху) до самого низкого уровня (рис. 1, внизу справа), виды упорядочены последовательно, ряд за рядом и слева направо
Данные работы Джонса (2014) мы рассортировали и представили в виде трех таблиц (табл. 1 - для растений, 2а - для представителей типа хордовых (в данном случае - позвоночных), 2б - для все остальных таксонов животных), содержащих русское и латинское название видов и их принадлежность к таксонам более высокого порядка. Все рассмотренные виды мы пронумеровали так же, как они упоминаются в тексте исходной статьи (от 1 до 48 по уменьшению смертности) и подразделили на четыре большие группы, где группа I включает виды с наименьшим изменением смертности с возрастом, а IV – с наибольшим. Всего в работе Джонса (2014) представлены нормированные кривые смертности и фертильности из широкого спектра систематических групп (11 млекопитающих, 12 других позвоночных, 10 беспозвоночных, 12 сосудистых растений и 1 бурой водоросли).


Вид, название

Класс*

Отдел

ПЖ95, лет

Номер по Джонсу

Фертильность

Смертность

Группа ?

Рост смертности

Латинское

Русское

Avicennia marina

Авиценния морская, белый мангр

Двудольные

Цветковые

123

48





I

0,5

Quercus rugosa

Дуб морщинистолистный

Двудольные

Цветковые

177

46





I

0,7

Laminaria digitata

Ламинария пальчаторассеченная*

*Бурые водоросли

*Охрофитовые

8

45





I

0,8

Viburnum furcatum

Калина вильчатая

Двудольные

Цветковые

66

44





I

0,8

Atriplex acanthocarpa

Лебеда колючеплодная

Двудольные

Цветковые

9

40





I

1

Rhododendron maximum

Рододендрон крупнейший

Двудольные

Цветковые

14

36





I

1,1

Borderea pyrenaica

Диоскорея пиренейская

Однодольные

Цветковые

27

34





I

1,1

Ulex minor

Улекс малый

Двудольные

Цветковые

39

33



↓≈

I

1,1

Geonoma orbignyana

Кольчатая пальма

Однодольные

Цветковые

123

31





II

1,2

Agava marmorata

Агава испещренная

Однодольные

Цветковые

26

30





II

1,2

Cryptantha flava

Криптанта желтая

Двудольные

Цветковые

11

29





II

1,2

Pinus sylvestris

Сосна обыкновенная

Голосеменные

Голосеменные

30

25





II

1,5

Hypericum cumulicola

Зверобой

Двудольные

Цветковые

4

24



≈↑

II

1,8

Таблица 1. Возрастная динамика фертильности и смертности у растений и водорослей. Условные обозначения: ↑-повышение; ↓-снижение; ≈-отсутствие изменений;



Таблица 2а.


Вид, название

Класс*

Воля (В)/ Неволя (Н)

ПЖ95

ПЖ

ПЖ95/ ПЖ

Номер по Джонсу

Фертильность

Смертность

Группа ?

Возраст полового созр., лет?

Латинское

Русское

Gopherus agassizii

Гофер пустынный западный

Ре

В

64

80

0,80

47





I

12

Lacerta vivipara

Живородящая ящерица

Ре

В

6

11

0,55

32





I

2

Crocodylus johnsoni

Крокодил Джонсона

Ре

В

40

50

0,80

26





II

12

Rana aurora

Красноногая лягушка

А

В

11

15

0,73

42





I

3

Parus major

Большая синица

П

В

4

15,4

0,26

37





I

0

Ficedula albicollis

Мухоловка-пеструшка

П

В

5

9,8

0,51

35





I

1

Accipiter nisus

Ястреб-перепелятник

П

В

8

20,2

0,40

28





II

1

Cygnus olor

Лебедь-шипун

П

В

16

70

0,23

22



≈↑

II

2

Apus melba

Белобрюхий стриж

П

В

16

26

0,62

21





II

1

Fulmarus glacialoides

Южный глупыш

П

В

33

45

0,73

6





IV

4

Leucopsar rothschildi

Балийская майна

П

Н

18

25

0,72

3





IV

1

Marmota flaviventris

Желтобрюхий сурок

М

В

11

21,2

0,52

27





II

2

Microtus oeconomus

Полевка-экономка

М

Н

0,92

1,8

0,51

23



≈↑

II

0,08

Ovis aries

Овца

М

Н

12

22,8

0,53

19





II

1

Rupicapra rupicapra

Серна

М

В

9

17,6

0,51

18





III

1

Pan troglodytes

Шимпанзе обыкновенный

М

В

49

59,4

0,82

16





II

8

Cervus elaphus

Благородный олень

М

В

17

26,8

0,63

13

≈↓



III

3

Capreolus capreolus

Европейская косуля

М

В

13

17,5

0,74

12





III

1

Papio сynocephalus

Желтый павиан

М

В

24

40

0,60

10





III

5

Panthera leo

Африканский лев

М

В

17

27

0,63

9

≈↓



III

2

Orcinus orca

Косатка

М

В

59

90

0,66

7





III

11

Homo sapiens

Человек, охотники-собиратели

М

В

81

122

0,66

5





IV

12

Homo sapiens

Человек, шведки, 1881 г.р.

М

Н

89

122

0,73

2





IV

13

Poecilia reticulata

Тринидадская гуппи

Р

Н

3,17

60

0,05

4





IV

0,17

Таблица 2а. Возрастная динамика фертильности и смертности у позвоночных. *М- Млекопитающие, П - птицы, Р - рыбы, Ре - Рептилии, А - Амфибии



Условные обозначения: ↑-повышение; ↓-снижение; ≈-отсутствие изменений; В – животных наблюдали на воле, Н – в неволе.


Вид, название

Класс*

Тип

Воля (В)/ Неволя (Н)

ПЖ 95

Номер по Джонсу

Фертильность

Смертность

Группа

Возраст полового созр., лет

Латинское

Русское

Paramuricea clavata

Горгонария двуцветная

Коралловые полипы

Стрекающие

В

44

43





I

7

Haliotis rufescens

Красное морское ушко

Брюхоногие

Моллюски

В

17

41





II

7

Pagurus longicarpus

Рак-отшельник

Высшие раки

Членистоногие

Н

8

39





I

1

Hydra magnipapillata

Гидра магнипапиллята

Гидроидные

Стрекающие

Н

1400

38





I

0

Ceratitis capitata

Средиземноморская плодовая мушка

Насекомые

Членистоногие

Н

0,17

20





II

0,008

Drosophila melanogaster

Плодовая мушка

Насекомые

Членистоногие

Н

0,14

17





III

0,003

Pediculus humanus

Человеческая вошь

Насекомые

Членистоногие

Н

0,09

15





III

0,003

Caenorhabditis elegans

Нематода

Chromadorea

Нематоды

Н

0,07

14





III

0,011

Macrotrachela sp.

Бделлоидные коловратки

Бделлоидные

Коловратки

Н

0,18

11





III

0,0055

Daphnia longispina

Водяная блоха

Жаброногие

Членистоногие

Н

0,13

8





III

0,011

Таблица 2б. Возрастная динамика фертильности и смертности у беспозвоночных

Условные обозначения: ↑-повышение; ↓-снижение; ≈-отсутствие изменений; В – животных наблюдали на воле, Н – в неволе.


Каталог: from key


Достарыңызбен бөлісу:
  1   2


©stom.tilimen.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет