Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из антагонистической плейотропии )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Гипотеза антагонистической плейотропии была впервые предложена Джорджем К. Уильямсом в 1957 году как эволюционное объяснение старения . [1] Плейотропия - это явление, при котором 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 ухудшает приспособленность организма позже из-за снижения его способности. сила естественного отбора. [3] [4]Идея Г.К. 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 истощение фолликулов у женщин вызывает как более регулярные циклы в раннем возрасте, так и потерю фертильности в более позднем возрасте, в период менопаузы, его можно выбрать, если его преимущества на раннем этапе перевешивают его поздние затраты. [5]

Сила выбора сюжета

Как ограничение на совершенство [ править ]

Антагонистическая плейотропия - одна из нескольких причин, по которым эволюционные биологи объясняют, что организмы никогда не могут достичь совершенства посредством естественного отбора . Антагонистические плейотропные гены являются объяснением компромиссов 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 несовершенствами или недостатками. Примером этого могут быть самки грызунов, которые живут в гнезде с другими самками и могут в конечном итоге кормить чужих детенышей 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 [ править ]

Антагонистическая плейотропия имеет несколько негативных последствий. Это приводит к задержке адаптации , изменению пути эволюции и снижению 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. Фактически, сохранение генов напрямую связано с плейотропным характером организма. [8] Это означает, что гены, которые контролируют множество признаков, даже если признаки имеют различное значение для приспособленности организма, обладают большей устойчивостью в эволюционном контексте.

Роль в половом отборе [ править ]

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 генов это означает компромисс между изменчивостью и выражением отдельных признаков. Сильный, устойчивый половой отбор должен привести к снижению генетической изменчивости этих признаков. Однако сообщалось о более высоких уровнях вариации по признакам, отобранным половым путем, по сравнению с признаками, не отобранными по признаку пола. [10] Это явление особенно ярко проявляется в леквиды, у которых самцы не приносят непосредственного преимущества самке. Выбор самки, по-видимому, зависит от соотнесения мужских проявлений (вторичных половых признаков) 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 генетического захвата , которое связывает 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 [ править ]

Выживание многих серьезных генетических нарушений в нашей долгой эволюционной истории привело исследователей к переоценке роли антагонистической плейотропии в развитии болезни. Если генетические нарушения определяются наличием вредных аллелей, то естественный отбор, действующий в течение эволюционного времени, приведет 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 синдромом Ларона (редкая форма карликовости) наблюдались вместе со своими некарликовыми родственниками в течение десяти лет. Пациенты с синдромом Ларона обладают одним из трех генотипов гена рецептора гормона роста (GHR). У большинства пациентов есть мутация сайта сплайсинга A-> G в положении 180 экзона 6. Некоторые другие имеют нонсенс-мутацию (R43X), в то время как остальные являются гетерозиготными по двум мутациям. Пациенты с синдромом Ларона испытали более низкую смертность от рака и диабета по сравнению с их не карликовыми родственниками. [13] Это предполагает роль антагонистической плейотропии, при которой вредная мутация сохраняется в популяции, поскольку она по-прежнему дает некоторое преимущество в выживании.

Другой пример антагонистической плейотропии проявляется при болезни Хантингтона , редком нейродегенеративном заболевании, характеризующемся большим количеством повторов CAG в гене Хантингтина . 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 , белка, подавляющего опухоль, который участвует в апоптозе . Было высказано предположение, что это объясняет более низкий уровень заболеваемости раком среди пациентов Хантингтона. Болезнь Хантингтона также связана с высокой плодовитостью . [12]

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

Серповидно-клеточная анемия , бета-талассемия и муковисцидоз - некоторые другие примеры роли антагонистической плейотропии в генетических нарушениях. [12]

Вездесущность [ править ]

Хотя существует так много отрицательных эффектов, связанных с антагонистически плейотропными генами, они все еще присутствуют среди большинства форм жизни. Действительно, плейотропия - одна из самых распространенных черт, присущих генам в целом. [8] Кроме того, плейотропия находится под сильным стабилизирующим отбором . [7] В одном эксперименте с мышами и морфологией нижней челюсти 1/5 локусов оказывала плейотропный эффект на всю нижнюю челюсть . [2] Еще один пример - исследование российского биолога Дмитрия Беляева по одомашниванию лисы. [15]В эксперименте Дмитрия К. Беляева с лисами на ферме диких лисиц разводили только для послушного поведения. Спустя 40 поколений появились 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 [ править ]

Можно выбрать антагонистически плейотропный ген, если он оказывает положительное воздействие в раннем возрасте и оказывает отрицательное влияние на более поздний период жизни, потому что гены, как правило, оказывают большее влияние на приспособленность организма в расцвете сил, чем в старости. [5] Примером этого является уровень тестостерона у мужчин. Более высокие уровни этого гормона приводят к улучшению физической формы в молодом возрасте и ухудшают физическую форму в более позднем возрасте из-за более высокого риска рака простаты. [16] Это пример антагонистической плейотропии, объясняющей старение. Старение - это процесс старения человека; это отказ со временем жизненных процессов человека по естественным причинам. [17]Теория Уильямса была мотивацией для многих экспериментальных исследований причин старения за последние 25 лет. [18] Однако существует несколько теорий старения. Конкурирующей моделью для объяснения старения является гипотеза Медавара о « накоплении мутаций », согласно которой «в течение эволюционного времени мутации позднего действия будут накапливаться гораздо быстрее, чем мутации раннего действия. Эти мутации позднего действия, таким образом, приведут к снижению жизнеспособности и / или плодовитость по мере старения организма ". [18] Теория Медавара основана на более старой концепции тени отбора, которая обсуждалась в начале 1900-х годов и привела к теории Медавара после обсуждения сДж. Б. С. Холдейн в 1940-х годах. [19]

Возможные примеры [ править ]

Ремонт ДНК [ править ]

Теория старения с повреждением ДНК [ править ]

Ярким объяснением старения на молекулярном уровне является теория старения о повреждении ДНК . Было высказано предположение, что генетические элементы, которые регулируют репарацию ДНК в соматических клетках, могут представлять собой важный пример возрастных плейотропных «генов». [20] [21] Как указал Виджг, [21] восстановление и поддержание генома полезно в раннем возрасте за счет быстрого устранения повреждений ДНК или поврежденных клеток. Однако исследования репарации ДНК в головном мозге [22] [23] и в мышцах [24] показывают, что переход от деления митотических клетокв постмитотическое состояние, которое возникает в раннем возрасте, сопровождается снижением репарации ДНК. Сниженная экспрессия репарации ДНК, по-видимому, является частью эволюционной адаптации для отвлечения 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 [ править ]

Другой пример, связанный со старением, - это теория теломер. Теория теломер предполагает, что теломеры укорачиваются при повторном делении клеток, которое приписывается клеточному старению 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 укорачивания 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 Т-образную 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], атеросклеротическим сердечно-сосудистым заболеванием [27] и раком. [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 клетка получает пользу от теломеразы, которая предотвращает постоянную остановку роста, но укорочение теломер связано с функциональной потерей.

Свободная радикальная теория [ править ]

Другой пример, связанный со старением, - это теория свободных радикалов. Теория свободных радикалов предполагает, что свободные радикалы, которые образуются при аэробном дыхании, вызывают окислительный стресс в организме. Окислительный стресс приведет к старению и смерти. [29]Кислородно-центрированные 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 мембран, 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 могут привести к накоплению поврежденных белков, а также к снижению биологической активности. [25]

См. Также [ править ]

  • Эволюция старения

Ссылки [ править ]

  1. ^ Уильямс GC (1957). «Плейотропия, естественный отбор и эволюция старения». Эволюция . 11 (4): 398–411. DOI : 10.2307 / 2406060 . JSTOR  2406060 .
  2. ^ а б Cheverud J (1996). «Интеграция развития и эволюция плейотропии». Американская зоология . 36 : 44–50. CiteSeerX 10.1.1.526.8366 . DOI : 10.1093 / ICB / 36.1.44 . 
  3. ^ а б Елена СФ; Санхуан Р. (2003). «Взобраться на каждую гору?». Наука . 302 (5653): 2074–2075. DOI : 10.1126 / science.1093165 . PMID 14684807 . S2CID 83853360 .  
  4. ^ Флэтт, Томас (05.05.2011). «Затраты на выживание репродукции у дрозофилы» (PDF) . Экспериментальная геронтология . 46 (5): 369–375. DOI : 10.1016 / j.exger.2010.10.008 . ISSN 0531-5565 . PMID 20970491 . S2CID 107465469 .    
  5. ^ a b Wood, JW, KA O'Conner, DJ Holman, E. Bringle, SH Barsom, MA Grimes. 2001. Эволюция менопаузы путем антагонистической плейотропии. Центр демографии и экологии, рабочий документ.
  6. ↑ Alcock, J. 2005. Поведение животных: восьмое издание.
  7. ^ а б Отто С.П. (2004). «Два шага вперед, один шаг назад: плейотропные эффекты предпочтительных аллелей» . Proc. Биол. Sci . 271 (1540): 705–714. DOI : 10.1098 / rspb.2003.2635 . PMC 1691650 . PMID 15209104 .  
  8. ^ a b He X .; Чжан Дж. (2006). «К молекулярному пониманию плейотропии» . Генетика . 173 (4): 1885–1891. DOI : 10.1534 / genetics.106.060269 . PMC 1569710 . PMID 16702416 .  
  9. ^ Bolstad, Гейр; Пелабон, Кристоф; Ларсен, Линия-К; Флеминг, Ян А .; Викен, Аслауг; Розенквист, Гунилла (2012). «Эффект очищения от сексуально выбранных черт через антагонистическую плейотропию с выживанием» . Экология и эволюция . 2 (6): 1184–191. DOI : 10.1002 / ece3.246 . PMC 3402193 . PMID 22833793 .  
  10. ^ Помянковский, А; А.П. Моллер (1995). «Разрешение парадокса Лека». Труды Лондонского королевского общества . 260 (1357): 21–29. DOI : 10,1098 / rspb.1995.0054 . S2CID 43984154 . 
  11. ^ Роу, L; Д. Хоул (1996). «Парадокс Лека и захват генетической изменчивости с помощью зависимых от условий черт». Труды Лондонского королевского общества . 263 (1375): 1415–1421. Bibcode : 1996RSPSB.263.1415R . DOI : 10,1098 / rspb.1996.0207 . S2CID 85631446 . 
  12. ^ a b c Картер, Эшли; Эндрю К. Нгуен (2011). «Антагонистическая плейотропия как широко распространенный механизм поддержания аллелей полиморфных заболеваний» . BMC Medical Genetics . 12 : 160. DOI : 10,1186 / 1471-2350-12-160 . PMC 3254080 . PMID 22151998 .  
  13. ^ Гевара-Агирре, Дж .; Balasubramanian, P .; Guevara-Aguirre, M .; Wei, M .; Madia, F .; Чанг, CW; Хван, Д. (2011). «Дефицит рецепторов гормона роста связан с серьезным снижением сигналов, способствующих старению, рака и диабета у людей» . Трансляционная медицина науки . 3 (70): 70ра13. DOI : 10.1126 / scitranslmed.3001845 . PMC 3357623 . PMID 21325617 .  
  14. ^ Van Den Biggelaar, AH (2004). «Воспаление, лежащее в основе смертности от сердечно-сосудистых заболеваний, является поздним следствием эволюционного программирования» . Журнал FASEB . 12 (9): 1022–1024. DOI : 10,1096 / fj.03-1162fje . PMID 15084512 . 
  15. ^ Trut LN (1996). «Раннее одомашнивание псовых: эксперимент с лисами на ферме». Американский ученый . 87 (2): 160. Bibcode : 1999AmSci..87 ..... Т . DOI : 10.1511 / 1999.2.160 .
  16. ^ Ганн PH; Hennekens CH; Ma J .; Longcope C .; Штампфер MJ (1996). «Проспективное исследование уровней половых гормонов и риска рака простаты» . Журнал Национального института рака . 88 (16): 1118–1126. DOI : 10.1093 / JNCI / 88.16.1118 . PMID 8757191 . 
  17. ^ Promislow DEL (2004). «Белковые сети, плейотропия и эволюция старения» . Proc. Биол. Sci . 271 (1545): 1225–1234. DOI : 10.1098 / rspb.2004.2732 . PMC 1691725 . PMID 15306346 .  
  18. ^ a b Fox, CW и JB Wolf. 2006. Эволюционная генетика: концепции и тематические исследования.
  19. ^ Фабиан, Даниэль; Флатт, Томас (2011). «Эволюция старения» . Scitable . Издательская группа "Природа" . Проверено 20 мая 2014 года .
  20. ^ a b 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. DOI : 10.1002 / bies.201300127 . PMC 5985526 . PMID 24464418 .  
  22. ^ Gensler HL (1981). «Низкий уровень УФ-индуцированного внепланового синтеза ДНК в постмитотических клетках мозга хомяков: возможное отношение к старению». Exp. Геронтол . 16 (2): 199–207. DOI : 10.1016 / 0531-5565 (81) 90046-2 . PMID 7286098 . S2CID 6261990 .  
  23. ^ Karran P, Moscona A, B Strauss (1977). «Снижение репарации ДНК в нервных клетках сетчатки куриных эмбрионов. Постоянный дефицит репарации в клеточной линии, полученной из поздних эмбрионов» . J. Cell Biol . 74 (1): 274–86. DOI : 10,1083 / jcb.74.1.274 . PMC 2109876 . PMID 559680 .  
  24. ^ Lampidis TJ, Schaiberger GE (1975). «Возрастная потеря синтеза репарации ДНК в изолированных клетках миокарда крысы». Exp. Cell Res . 96 (2): 412–6. DOI : 10.1016 / 0014-4827 (75) 90276-1 . PMID 1193184 . 
  25. ^ Б с Макдональд, Roger B. (2019-06-07), "Основные концепции в биологии старения", биологии старения , Garland Science, С. 1-36,. DOI : 10,1201 / 9780429030642-1 , ISBN 978-0-429-03064-2
  26. ↑ Араужо 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. DOI : 10.1016 / j.arr.2019.100914 . PMID 31170457 . S2CID 173992082 .  
  27. ^ Де Мейер, Тим; Наврот, Тим; Бекаерт, Софи; Де Буйзере, Марк Л .; Rietzschel, Ernst R .; Андрес, Висенте (август 2018 г.). «Длина теломер как биомаркер сердечно-сосудистого старения» . Журнал Американского колледжа кардиологии . 72 (7): 805–813. DOI : 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. DOI : 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. DOI : 10.1152 / Physrev.1998.78.2.547 . ISSN 0031-9333 . PMID 9562038 .