Гипотеза антагонистической плейотропии - Antagonistic pleiotropy hypothesis

В гипотеза антагонистической плейотропии был впервые предложен Джордж К. Уильямс в 1957 году как эволюционный объяснение для старение.[1] Плейотропия это явление, когда один ген контролирует более одного фенотипического признака в организме.[2] Антагонистическая плейотропия - это когда один ген контролирует более одного признака, при этом по крайней мере один из этих признаков полезен для приспособленности организма в раннем возрасте, и, по крайней мере, один из них в дальнейшем ухудшает приспособленность организма из-за снижения силы воздействия. естественный отбор.[3][4] Тема G.C. Идея Уильяма об антагонистической плейотропии заключалась в том, что если ген вызывает как усиление воспроизводства в раннем возрасте, так и старение в более позднем возрасте, тогда старение будет адаптивным в эволюции. Например, одно исследование предполагает, что, поскольку фолликулярное истощение у женщин вызывает как более регулярные циклы в раннем возрасте, так и потерю фертильности в более позднем возрасте, в результате менопаузы, он может быть выбран из-за того, что его ранние преимущества перевешивают его поздние издержки.[5]

Сила выбора сюжета

Как ограничение на совершенство

Антагонистическая плейотропия - одна из нескольких причин, по которым биологи-эволюционисты считают, что организмы никогда не могут достичь совершенства через естественный отбор. Антагонистически плейотропные гены являются объяснением компромиссы в фитнесе.[3] Это означает, что гены, которые плейотропно контролируют некоторые полезные черты и некоторые вредные черты; таким образом, если они сохранятся в результате естественного отбора, это помешает организмам достичь совершенства, потому что, если они обладают преимуществами гена, они также должны обладать недостатками или недостатками. Примером этого могут быть самки грызунов, которые живут в гнезде с другими самками и могут в конечном итоге кормить детенышей, которые им не принадлежат, из-за их интенсивного родительского стремления.[6] Будет выбрано это сильное родительское стремление, но организмы по-прежнему будут совершать ошибку, кормя детенышей, которые им не принадлежат, и неправильно распределяют свои ресурсы.

Выгоды и затраты

Антагонистическая плейотропия имеет несколько негативных последствий. Это приводит к задержке приспособление, измененный путь эволюция, и снижение адаптации других черт.[7] Кроме того, общая польза от аллелей значительно (примерно наполовину) снижается из-за плейотропии. Тем не менее, антагонистическая плейотропия имеет некоторые эволюционные преимущества. На самом деле сохранение генов напрямую связано с плейотропным характером организма.[8] Это означает, что гены, которые контролируют несколько признаков, даже если эти признаки имеют различное значение для приспособленности организма, имеют большую устойчивость в эволюционном контексте.

Роль в половом отборе

Принято считать, что эволюция вторичных половых признаков продолжается до тех пор, пока относительные затраты на выживание не перевешивают выгоды от репродуктивного успеха.[9] На уровне гены, это означает компромисс между вариацией и выражением выбранных черт. Сильный, стойкий половой отбор должен привести к снижению генетической изменчивости этих признаков. Однако сообщалось о более высоких уровнях изменчивости по признакам, отобранным половым путем, по сравнению с признаками, не отобранными по половому признаку.[10] Это явление особенно ярко проявляется в лек виды, у которых самцы не приносят непосредственного преимущества самке. Выбор самки, по-видимому, зависит от соотношения мужских проявлений (вторичных половых характеристик) с общим генетическим качеством. Если такой направленный половой отбор истощает изменчивость самцов, почему выбор самок будет продолжаться? Роу и Хоул отвечают на этот вопрос ( парадокс лека ) используя понятие генетический захват, который сочетает выбранные половым путем признаки с общим состоянием организма. Они утверждают, что гены вторичных половых признаков должны быть плейотропно связаны с состоянием - мерой приспособленности организма. Другими словами, генетическая изменчивость вторичных половых признаков сохраняется благодаря изменчивости состояния организма.[11]

Роль в болезни

Выживание многих серьезных генетических нарушений в нашей долгой эволюционной истории привело исследователей к переоценке роли антагонистических плейотропия в болезни. Если генетические нарушения определяются наличием вредных аллелей, то естественный отбор действие в течение эволюционного времени привело бы к более низкой частоте мутаций, чем наблюдается в настоящее время.[12] В недавней статье Картер и Нгуен идентифицируют несколько генетических нарушений, утверждая, что антагонистическая плейотропия, далеко не редкое явление, может быть фундаментальным механизмом выживания этих неоптимальных аллелей.

В одном из этих исследований 99 человек с Синдром Ларона (редкая форма карликовости) наблюдались вместе со своими не-карликовыми родственниками в течение десяти лет. Пациенты с синдромом Ларона обладают одним из трех генотипов рецептор гормона роста ген (GHR). У большинства пациентов A-> G мутация сайта сплайсинга в позиции 180 экзона 6. Некоторые другие обладают бессмысленная мутация (R43X), а остальные гетерозиготны по двум мутациям. Пациенты с синдромом Ларона испытали более низкую смертность от рака и диабета по сравнению с их некарликовыми родственниками.[13] Это предполагает роль антагонистической плейотропии, при которой вредная мутация сохраняется в популяции, поскольку она по-прежнему дает некоторое преимущество для выживания.

Другой пример антагонистической плейотропии проявляется в болезнь Хантингтона, редкий нейродегенеративный расстройство, характеризующееся большим количеством повторов CAG в Хантингтин ген. Начало болезни Хантингтона обычно наблюдается в пострепродуктивном возрасте и обычно сопровождается непроизвольными мышечными спазмами, когнитивными трудностями и психиатрическими проблемами. Между прочим, высокое количество повторов CAG связано с повышенной активностью p53 белок, подавляющий опухоль, который участвует в апоптоз. Было высказано предположение, что это объясняет более низкий уровень заболеваемости раком среди пациентов Хантингтона. Болезнь Хантингтона также коррелирует с высоким плодовитость.[12]

Кроме того, было обнаружено, что люди с более высоким провоспалительным соотношением TNFα / IL-10 имели значительно более высокую частоту смерти из-за сердечно-сосудистых заболеваний в пожилом возрасте. Тем не менее, было высказано предположение, что этот генотип был преобладающим, потому что более высокие отношения TNFα / IL-10 позволяют людям более эффективно бороться с инфекцией в репродуктивном возрасте.[14]

Серповидноклеточная анемия, Бета-талассемия, и кистозный фиброз являются еще некоторыми примерами роли антагонистической плейотропии в генетических нарушениях.[12]

Повсеместность

Хотя существует так много негативных эффектов, связанных с антагонистически плейотропными генами, они все еще присутствуют среди большинства форм жизни. Действительно, плейотропия - одна из наиболее распространенных черт, присущих генам в целом.[8] К тому же плейотропия находится под сильным стабилизирующий отбор.[7] В одном эксперименте с мышами и морфология нижняя челюсть, 1/5 локусов обладали плейотропными эффектами на всей нижняя челюсть.[2] Еще один пример - исследование российского биолога Дмитрия Беляева по одомашниванию лисицы.[15] В эксперименте Дмитрия К. Беляева с лисами на ферме диких лисиц разводили только для послушного поведения. Спустя 40 поколений появились и другие физиологические изменения, включая укороченные хвосты, висячие уши, белую звезду на лбу, закатанные хвосты, укороченные ноги. Поскольку единственное, что было выбрано, было поведение, это заставляет ученых полагать, что эти вторичные характеристики контролировались тем же геном или генами, что и послушное поведение.

Адаптивность и старение

Может быть выбран антагонистически плейотропный ген, если он оказывает положительное влияние в раннем возрасте и оказывает отрицательное влияние на более поздний период жизни, поскольку гены, как правило, оказывают большее влияние на приспособленность организма в расцвете сил, чем в старости.[5] Примером этого является тестостерон уровни у людей мужского пола. Более высокий уровень этого гормона приводит к улучшению физической формы в молодом возрасте и ухудшает физическую форму в более позднем возрасте из-за более высокого риска рака простаты.[16] Это пример антагонистической плейотропии, объясняющей старение. Старение - это акт старения человека; это отказ со временем жизненных процессов человека по естественным причинам.[17] Теория Вильямса была мотивацией для многих экспериментальных исследований причин старения за последние 25 лет.[18] Тем не менее, существует несколько теорий старения. Конкурирующая модель для объяснения старения - это модель Медавара "накопление мутаций «гипотеза, говорящая о том, что» в течение эволюционного периода мутации позднего действия будут накапливаться гораздо быстрее, чем мутации раннего действия. Таким образом, эти мутации с поздним действием приведут к снижению жизнеспособность и / или плодовитость по мере старения организма ".[18] Теория Медавара основана на более старой концепции тень выделения которые обсуждались в начале 1900-х годов и привели к теории Медавара после обсуждений с Дж. Б. С. Холдейн в 1940-е гг.[19]

Возможные примеры

Ремонт ДНК

Теория старения с повреждением ДНК

Видное объяснение старения на молекулярном уровне - это Теория повреждений ДНК старения. Было высказано предположение, что генетические элементы, регулирующие Ремонт ДНК в соматические клетки может представлять собой важный пример возрастных плейотропных «генов».[20][21] Как указал Видж,[21] геном ремонт и техническое обслуживание выгодны в раннем возрасте, поскольку быстро устраняют Повреждение ДНК или поврежденные клетки. Однако исследования репарации ДНК в головном мозге[22][23] и в мышцах[24] указывают, что переход от деление митотических клеток в постмитотическое состояние, которое возникает в раннем возрасте, сопровождается снижением репарации ДНК. Сниженная экспрессия репарации ДНК, по-видимому, является частью эволюционной адаптации для переключения ресурсов клетки, которые ранее использовались для репарации ДНК, а также для репликации и деления клеток, на более важные нейрональные и мышечные функции.[20]

Вредный эффект этого генетически контролируемого снижения экспрессии заключается в увеличении накопления повреждений ДНК. Снижение репарации ДНК вызывает повышенное нарушение транскрипции и прогрессирующую потерю функции клеток и тканей. Однако эти вредные последствия повреждения ДНК кумулятивны и наиболее серьезны у людей старшего возраста, число которых со временем уменьшается (по причинам смерти, которые могут не зависеть от старения). Как следствие, будут преобладать положительные эффекты генетических элементов, контролирующих снижение репарации ДНК в раннем возрасте. Таким образом, регуляторные генетические элементы, которые снижают экспрессию генов репарации ДНК в постмитотических клетках, по-видимому, являются важными примерами постулируемых плейотропных «генов», которые полезны в молодости, но вредны в более старшем возрасте.[20]

Теория теломер

Другой пример, связанный со старением, - это теория теломер. Теория теломер предполагает, что теломеры укорачиваются при повторном делении клеток, которое приписывается старению клеток и повреждению тканей.[25] Проблема конечной репликации объясняет механизм, лежащий в основе неспособности ДНК-полимеразы запустить праймер РНК для выполнения своей функции по завершению отстающей цепи из-за укорочения ДНК. Укорочение теломер - обычное явление в соматических клетках. Однако зародышевые линии и стволовые клетки предотвращают проблему конечной репликации с помощью теломеразы. Теломераза удлиняет 3 ’конец, который затем формируется в t-петлю, чтобы предотвратить переход клетки в фазу G0 и клеточное старение.[25]

Воспаление и повреждение тканей являются основными проблемами из-за увеличения количества стареющих клеток. В нескольких исследованиях укороченные теломеры были связаны с возрастной саркопенией.[26] атеросклеротическое сердечно-сосудистое заболевание,[27] и рак.[28] Тем не менее, все еще остается вопрос, является ли длина теломер причиной этих заболеваний или они вызывают укорочение теломер. Следовательно, укорочение теломер соответствует теории антагонистической плейотропии. Компромисс существует, поскольку клетки получают пользу от теломеразы, которая предотвращает постоянную остановку роста, но укорочение теломер связано с функциональной потерей.

Свободная радикальная теория

Другой пример, связанный со старением, - это теория свободных радикалов. Теория свободных радикалов предполагает, что свободные радикалы, которые производятся при аэробном дыхании, вызывают окислительный стресс в организме. Этот оксидативный стресс приведет к старению и смерти.[29] Кислородоцентрированные радикалы очень реактивны и могут вызывать накопление повреждений липидов, нуклеиновых кислот, а также белков в организме. Это накопление повреждений биологических молекул изменяет каркас и приводит к снижению уровней активности молекул. Перекиси липидов накапливаются в фосфолипидах мембраны, что, в свою очередь, снижает эффективность митохондриальной мембраны как барьера. Процесс транскрипции и трансляции ДНК также приобретает окислительное повреждение. Результатом являются изменения в парах оснований в последовательности ДНК. Исследования показали, что мутации ДНК из-за повреждения свободными радикалами очень редки, но все же приводят к накоплению поврежденных белков, а также к снижению биологической активности.[25]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Уильямс Г. (1957). «Плейотропия, естественный отбор и эволюция старения». Эволюция. 11 (4): 398–411. Дои:10.2307/2406060. JSTOR  2406060.
  2. ^ а б Чеверуд Дж (1996). «Интеграция развития и эволюция плейотропии». Американская зоология. 36: 44–50. CiteSeerX  10.1.1.526.8366. Дои:10.1093 / icb / 36.1.44.
  3. ^ а б Елена С.Ф .; Санхуан Р. (2003). «Взобраться на каждую гору?». Наука. 302 (5653): 2074–2075. Дои:10.1126 / science.1093165. PMID  14684807. S2CID  83853360.
  4. ^ Флатт, Томас (05.05.2011). «Затраты на выживание репродукции у дрозофилы» (PDF). Экспериментальная геронтология. 46 (5): 369–375. Дои:10.1016 / j.exger.2010.10.008. ISSN  0531-5565. PMID  20970491. S2CID  107465469.
  5. ^ а б Вуд, Дж. У., К. А. О'Коннер, Д.Дж. Холман, Э. Брингл, С. Барсом, М.А.Граймс. 2001. Эволюция менопаузы путем антагонистической плейотропии. Центр демографии и экологии, рабочий документ.
  6. ^ Алкок, Дж. 2005. Поведение животных: восьмое издание.
  7. ^ а б Отто С.П. (2004). «Два шага вперед, один шаг назад: плейотропные эффекты предпочтительных аллелей». Proc. Биол. Наука. 271 (1540): 705–714. Дои:10.1098 / rspb.2003.2635. ЧВК  1691650. PMID  15209104.
  8. ^ а б Он X .; Чжан Дж. (2006). «К молекулярному пониманию плейотропии». Генетика. 173 (4): 1885–1891. Дои:10.1534 / genetics.106.060269. ЧВК  1569710. PMID  16702416.
  9. ^ Болстад, Гейр; Пелабон, Кристоф; Ларсен, Лайн-К; Флеминг, Ян А .; Викен, Аслауг; Розенквист, Гунилла (2012). «Влияние очищения на сексуально избранные черты характера через антагонистическую плейотропию с выживанием». Экология и эволюция. 2 (6): 1184–191. Дои:10.1002 / ece3.246. ЧВК  3402193. PMID  22833793.
  10. ^ Помянковский, А; А.П. Моллер (1995). «Разрешение парадокса Лека». Труды Лондонского королевского общества. 260 (1357): 21–29. Дои:10.1098 / rspb.1995.0054. S2CID  43984154.
  11. ^ Роу, L; Д. Хоул (1996). «Парадокс Лека и захват генетической изменчивости зависимыми от состояния чертами». Труды Лондонского королевского общества. 263 (1375): 1415–1421. Bibcode:1996RSPSB.263.1415R. Дои:10.1098 / rspb.1996.0207. S2CID  85631446.
  12. ^ а б c Картер, Эшли; Эндрю К. Нгуен (2011). «Антагонистическая плейотропия как широко распространенный механизм поддержания аллелей полиморфных заболеваний». BMC Medical Genetics. 12: 160. Дои:10.1186/1471-2350-12-160. ЧВК  3254080. PMID  22151998.
  13. ^ Guevara-Aguirre, J .; Balasubramanian, P .; Guevara-Aguirre, M .; Wei, M .; Madia, F .; Chang, C.W .; Хван, Д. (2011). «Дефицит рецепторов гормона роста связан с существенным снижением сигналов, способствующих старению, рака и диабета у людей». Научная трансляционная медицина. 3 (70): 70ra13. Дои:10.1126 / scitranslmed.3001845. ЧВК  3357623. PMID  21325617.
  14. ^ Ван Ден Биггелаар, AH (2004). «Воспаление, лежащее в основе сердечно-сосудистой смертности, является поздним следствием эволюционного программирования». Журнал FASEB. 12 (9): 1022–1024. Дои:10.1096 / fj.03-1162fje. PMID  15084512.
  15. ^ Трут Л.Н. (1996). «Раннее одомашнивание псовых: эксперимент с лисами на ферме». Американский ученый. 87 (2): 160. Bibcode:1999AmSci..87 ..... т. Дои:10.1511/1999.2.160.
  16. ^ Gann P.H .; Hennekens C.H .; Ma J .; Longcope C .; Штампфер М.Дж. (1996). «Проспективное исследование уровней половых гормонов и риска рака простаты». Журнал Национального института рака. 88 (16): 1118–1126. Дои:10.1093 / jnci / 88.16.1118. PMID  8757191.
  17. ^ Promislow D.E.L. (2004). «Белковые сети, плейотропия и эволюция старения». Proc. Биол. Наука. 271 (1545): 1225–1234. Дои:10.1098 / rspb.2004.2732. ЧВК  1691725. PMID  15306346.
  18. ^ а б Fox, C.W. и J.B. Wolf. 2006. Эволюционная генетика: концепции и тематические исследования.
  19. ^ Фабиан, Даниэль; Флатт, Томас (2011). «Эволюция старения». Scitable. Издательская группа Nature. Получено 20 мая, 2014.
  20. ^ а б c Бернштейн С., Бернштейн Х. (1991) Старение, секс и восстановление ДНК. Academic Press, Сан-Диего. ISBN  0120928604 ISBN  978-0120928606
  21. ^ а б Vijg J (2014). «Старение геномов: неизбежное зло в логике жизни». BioEssays. 36 (3): 282–92. Дои:10.1002 / bies.201300127. ЧВК  5985526. PMID  24464418.
  22. ^ Генслер Х.Л. (1981). «Низкий уровень УФ-индуцированного внепланового синтеза ДНК в постмитотических клетках мозга хомяков: возможное отношение к старению». Exp. Геронтол. 16 (2): 199–207. Дои:10.1016/0531-5565(81)90046-2. PMID  7286098. S2CID  6261990.
  23. ^ Карран П., Москона А., Штраус Б. (1977). «Снижение репарации ДНК в нервных клетках сетчатки куриных эмбрионов. Постоянный дефицит способности к репарации в клеточной линии, полученной из поздних эмбрионов». J. Cell Biol. 74 (1): 274–86. Дои:10.1083 / jcb.74.1.274. ЧВК  2109876. PMID  559680.
  24. ^ Лампидис Т.Дж., Шайбергер Г.Е. (1975). «Возрастная потеря синтеза репарации ДНК в изолированных клетках миокарда крысы». Exp. Cell Res. 96 (2): 412–6. Дои:10.1016/0014-4827(75)90276-1. PMID  1193184.
  25. ^ а б c Макдональд, Роджер Б. (2019-06-07), «Основные концепции биологии старения», Биология старения, Garland Science, стр. 1–36, Дои:10.1201/9780429030642-1, ISBN  978-0-429-03064-2
  26. ^ Араухо Карвалью, Алин Карла; Таварес Мендес, Марио Луис; да Силва Рейс, Моник Карла; Сантос, Виктор Сантана; Танаджура, Диего Моура; Мартинс-Филью, Пауло Рикардо Сакете (сентябрь 2019 г.). «Длина теломер и хрупкость у пожилых людей - систематический обзор и метаанализ». Обзоры исследований старения. 54: 100914. Дои:10.1016 / j.arr.2019.100914. PMID  31170457. S2CID  173992082.
  27. ^ Де Мейер, Тим; Наврот, Тим; Бекаерт, Софи; De Buyzere, Marc L .; Rietzschel, Ernst R .; Андрес, Висенте (август 2018 г.). «Длина теломер как биомаркер сердечно-сосудистого старения». Журнал Американского колледжа кардиологии. 72 (7): 805–813. Дои:10.1016 / j.jacc.2018.06.014. PMID  30092957.
  28. ^ Пеппер, Крис; Норрис, Кевин; Феган, Кристофер (февраль 2020 г.). «Клиническая польза измерения длины теломер при раке». Текущее мнение в области генетики и развития. 60: 107–111. Дои:10.1016 / j.gde.2020.02.012. PMID  32220800.
  29. ^ Бекман, Кеннет Б.; Эймс, Брюс Н. (1998-04-01). "Свободно-радикальная теория старения созревает". Физиологические обзоры. 78 (2): 547–581. Дои:10.1152 / Physrev.1998.78.2.547. ISSN  0031-9333. PMID  9562038.