Starzenie a ewolucja

Starzenie a ewolucja
Starzenie
• Gromadzenie się uszkodzeń na poziomie komórek
(senescencja) i organizmu w miarę upływu czasu
• Wzrost prawdopodobieństwa śmierci w miarę
upływu czasu
Czy bakterie są nieśmiertelne?
• Pojęcie starzenia się trudne do zastosowania dla
organizmów rozmnażających się przez podział
(symetryczny)
• Trwanie komórki kończy się wraz z podziałem, ale
linię można uznać za nieśmiertelną
Starzenie się u
jednokomórkowców
• Drożdże piekarnicze (Saccharomyces cerevisiae)
• Podział niesymetryczny – pączkowanie
• Komórka matka przestaje pączkować po
przekroczeniu określonej liczby podziałów (~30)
• tzw. starzenie replikatywne
Starzenie się komórek
• U zwierząt są dwie
grupy komórek
• somatyczne - budują
organizm, ale nie są
przekazywane
potomstwu)
• linii płciowej – tworzą
gamety, ich genom
przekazywany
potomstwu
August Weismann (1834-1914)
Linia płciowa i soma
U człowieka zarodek płci żeńskiej oddziela komórki
linii płciowej (oocyty) w 15 tygodniu od zapłodnienia
(dochodzi wtedy do ostatecznej mejozy).
Starzenie się komórek
• Komórki somatyczne mają ograniczoną liczbę
podziałów
• tzw. granica Hayflicka
• wyjątek – komórki macierzyste (granica zniesiona lub
bardzo odsunięta) i komórki nowotworowe
Telomery
• Obszary na końcach
chromosomów, zbudowane
z wielu kopii powtórzonej
sekwencji
• Chronią końce
chromosomów
• Skracają się przy każdym
podziale
• Nieuchronna konsekwencja
mechanizmu replikacji DNA początek musi być powyżej
powielanego obszaru
igem.org
Telomery i telomeraza
• Utrata telomerów
blokuje dalsze podziały
komórki - dlatego nie
mogą dzielić się bez
ograniczeń
• Telomeraza - enzym
zdolny do wydłużania
(odbudowy)
telomerów
• aktywna w komórkach
macierzystych, w linii
płciowej itp.
Telomeraza jako “źródło młodości”
• Czy aktywność
telomerazy odwraca
starzenie?
• Zdolność do podziałów
w komórkach
somatycznych nie ma
dużego znaczenia dla
starzenia się organizmu
• i tak się nie dzielą (np.
komórki nerwowe)
Czy chcemy mieć nieśmiertelne komórki?
• Nieustanne podziały
komórek - choroba
nowotworowa!
• Skracanie
się telomerów to ważny
mechanizm chroniący
przed nowotworami
• W większości komórek
nowotworowych
aktywna telomeraza
• a w prawidłowych nie
Nieśmiertelne komórki
• Komórki nowotworowe
dzielą się bez
ograniczeń
• Duża niestabilność
genomu
Henrietta Lacks 1920-1951
“Magia” telomerazy
Nieśmiertelne stułbie
• Komórki somatyczne i linii płciowej są przemieszane
w całym ciele
• Rozmnażanie bezpłciowe
• Przy rozmnażaniu płciowym dorosłe giną
Mechanizmy starzenia się organizmu
• Bierne
• stopniowe nagromadzanie uszkodzeń w komórkach,
prowadzące do utraty funkcji narządów i systemów
• DNA, białka, lipidy
• kolagen (starzenie się skóry)
• aktywnie usuwane (apoptoza – programowana śmierć
komórki) komórki z uszkodzonym DNA
• Czynne (programowane)
• regulowane mechanizmy ograniczające długość życia
• poza pojedynczymi przypadkami – słabo
udokumentowane
Gromadzenie uszkodzeń
• Nieuniknione (prawa fizyki)
• Ważnym czynnikiem jest metabolizm tlenu
• Systemy naprawiające i zapobiegające
uszkodzeniom
• molekularne (naprawa DNA, białek itp.)
• komórkowe (usuwanie komórek nowotworowych,
zainfekowanych przez wirusy)
• na poziomie organizmu
• układ odpornościowy
• odnawianie się tkanek
• gojenie się ran
Teorie starzenia
• Bierne
• długość życia determinowana przez wydajność
systemów naprawiających uszkodzenia i im
zapobiegających
• Czynne
• istnieją mechanizmy ograniczające długość życia
• jeżeli tak, to musiał je wyselekcjonować dobór naturalny
Ewolucja starzenia się i śmierci
Teoria Weismanna:
Organizmy muszą starzeć się i umierać by zwolnić
miejsce dla kolejnych pokoleń i zapewnić ewolucję
gatunku
Problemy:
• teleologia – dobór nie “planuje” na przyszłość
• dobór grupowy (mutant, który by się nie starzał
osiągnął by przewagę)
• u wielu gatunków liczebność populacji nie osiąga
górnej granicy
Klasyczne teorie starzenia
• teoria mutacyjna (Peter Medawar, 1952)
• w naturze organizmy (zwłaszcza zwierzęta) nie giną “ze
starości”
• cechy wpływające na przeżywalność po reprodukcji
nieistotne dla doboru
• brak selekcji długowieczności
Klasyczne teorie starzenia
• teoria plejotropii antagonistycznej (George
Williams, 1957)
• starzenie się wpływa na przeżywalność i dostosowanie
(utrata sprawności z wiekiem)
• cechy korzystne dla przetrwania jednocześnie
przyczyniają się do postępów starzenia się
• np. oddychanie, rozród (duży koszt)
Programowane starzenie się
• teorie klasyczne –nacisk na mechanizmy usuwające
uszkodzenia i ich wydolność
• czy ograniczenie czasu życia mogło wyewoluować
jako adaptacja?
• w laboratorium można wyselekcjonować linie
organizmów (np. owady, nicienie) o czasie życia do 2x
dłuższym niż u dzikich
• gatunki semelparyczne – śmierć po rozrodzie
• proponowane mechanizmy
• dobór grupowy (wątpliwe)
• selekcja zmienności ewolucyjnej (evolvability)
Współczesna synteza – disposable soma
• Kluczem jest gospodarka zasobami
• Utrzymanie funkcji (powstrzymywanie starzenia)
jest kosztowne
• Rozród jest kosztowny
• Na utrzymywanie funkcji nie przeznacza się więcej
zasobów, niż jest to niezbędne
• nie inwestuje się w niepotrzebną trwałość
• Synteza teorii klasycznych
• Nie wyklucza mechanizmów aktywnych
Kształtowanie długowieczności
przez dobór
• Duża śmiertelność (np. presja drapieżników,
konkurencja) wymusza szybki rozród
• mała szansa na wielokrotny rozród
• skrócenie czasu życia
• zmniejszenie rozmiarów
• Mniejsza śmiertelność – wydłużenie życia
• sukces reprodukcyjny zwiększony przez wielokrotny
rozród
• zwiększenie rozmiarów
Gatunki semelparyczne
• Łososie pacyficzne
(Oncorynchus sp.) np.
nerka, keta
• Niektóre ośmiornice
• Wiele roślin (np. agawa)
Gatunki semelparyczne
• Całe zasoby przeniesione na
rozród
• Łososie pacyficzne
(Oncorynchus sp.) np. nerka,
keta
• wydatek energii na migrację
• zużywane całe zasoby organizmu
•
ryba po tarle jest praktycznie
niejadalna
• Ośmiornice
• opieka nad jajami (samica), utrata
hektokotylusa (samce, ramię
kopulacyjne)
•
skrajne przypadki (Argonauta) –
ramię kopulacyjne się odrywa i
poszukuje samicy
Photo: Julian Finn, The Malacologist
Ograniczenie kaloryczne
• Ograniczenie kalorii przyjmowanych w pokarmie
jest częstym sposobem wydłużenia życia (od nicieni
po ssaki)
• Koszt – obniżona wydolność rozrodcza
Rachunek kosztów i zysków
• Wiele badań potwierdza koncepcję disposable soma
• Ujemna korelacja między długowiecznością a
sukcesem reprodukcyjnym w obrębie gatunku
• wyselekcjonowane w laboratorium linie owadów i
nicieni
• ujemna korelacja między długowiecznością a liczbą
potomstwa u ludzi w badaniach populacyjnych
Nieśmiertelność człowieka??
• Za wiele aspektów starzenia się odpowiadają
uszkodzenia w komórkach, które nie są odnawiane
(np. neurony)
• Ograniczenie zdolności podziałów komórek
somatycznych to ważny mechanizm chroniący
przed nowotworami
• rak – choroba nieśmiertelnych komórek
• Koszt usuwania uszkodzeń wzrasta z wiekiem
• Wydłużenie życia po ustaniu reprodukcji – człowiek
jest i tak wyjątkiem
Płeć
Znaczenie dla ewolucji i problem pochodzenia
Płeć
• czym jest płeć
• kiedy i jak powstała
• jaka jest rola płci w ewolucji
Czy bakterie mają płeć?
• Procesy zwane
“płciowymi” u bakterii
polegają na wymianie
części genomu i
przebiegają
jednokierunkowo
• Koniugacja
• Transformacja
• Transdukcja
• Charakter “infekcji” a
nie wymiany
Płeć u Eukaryota
• Cykliczna wymiana materiału genetycznego
obejmująca cały genom
2n
mejoza
1n +1n
syngami
a
2n
• Wymiana faz diploidalnych i haploidalnych
• U wszystkich Eukaryota wygląda podobnie
• Najprawdopodobniej proces taki istniał już u ostatniego
wspólnego przodka Eukaryota
Rekombinacja
• Wymiana odcinków DNA pomiędzy dwiema
cząsteczkami
• Występuje u wszystkich organizmów
• U eukariontów związana z procesami płciowymi
• crossing-over chromosomów podczas mejozy
Kiedy pojawiła się płeć?
• Rekombinacja jest bardzo starym mechanizmem i
poprzedza pojawienie się płci
• Pierwotną (i wciąż główną) funkcją rekombinacji
jest naprawa uszkodzeń DNA
Po co nam płeć?
• Cykl płciowy jest powszechny u Eukarytota
• Linie aseksualne utraciły płeć wtórnie
• np. Trichomonas vaginalis – w genomie są geny
odpowiadające za mejozę
Koszt płci
• Maynard-Smith, 1971:
dwukrotny koszt płci
Hipoteza Weismanna
• 1889
• Rozmnażanie płciowe jest głównym źródłem
zmienności dla ewolucji – tworzy nowe genotypy
• Głównym źródłem zmienności są mutacje
(duplikacje, rearanżacje itp.)
The good, the bad, and the
ugly
• Około 20 hipotez
tłumaczących
utrzymywanie się płci
• Trzy główne grupy
The good
• Szybsza adaptacja populacji rozmnażających
się płciowo
• Jeżeli w populacji aseksualnej pojawia się mutacja
korzystna, to jest przekazywana tylko bezpośrednim
potomkom
• Nie ma możliwości połączenia dwóch korzystnych mutacji w
jednym genotypie
• Płeć może ułatwić zwiększanie fitness populacji –
szybsza adaptacja
• Modelowanie wykazuje, że już niewielka korzyść tego typu
może przeważyć nad dwukrotnym kosztem
The bad
• Zapadka Müllera
• W populacjach aseksualnych gromadzą się mutacje o
niewielkiej szkodliwości
• Może dojść do sytuacji, kiedy dryf będzie szybszy od
doboru oczyszczającego i alllel o niższym fitness
opanuje populację
• Dojdzie do stopniowej akumulacji mutacji szkodliwych i
degeneracji informacji genetycznej
• Rekombinacja odtworzy oryginalny genotyp z
obciążonych różnymi mutacjami
The ugly
• Płeć jako obrona przed pasożytami
• Dobór faworyzuje pasożyty “dopasowane” do
najczęstszego genotypu w populacji
Potamopyrgus antipodarum
• W rezultacie genotyp ten ginie i pojawia się następny, do
ktorego dopasowują się pasożyty
• Cykliczne zmiany liczebności populacji/stopnia infekcji
• Hipoteza Czerwonej Królowej
• W populacjach rozmnażających się płciowo większe
zróżnicowanie utrudnia pasożytom dopasowanie
się do konkretnego genotypu – stabilniejszy system
Ale co z pochodzeniem?
• Hipotezy wyjaśniające utrzymywanie się płci nie
muszą wyjaśniać jej pochodzenia
Skąd i kiedy wzięła się płeć?
• Co wiemy (mniej więcej):
• Kiedy:
• powstanie Eukaryota – nie później niż 1,2 mld lat temu
• Życie w erze prakomórek – częsta pozioma wymiana genów,
słabsza indywidualizacja
• Co było krytycznym elementem:
• rekombinacja istniała wcześniej
• mejoza: łączenie i rozdział genomów
• segregacja chromosomów
Mejoza jest kluczem
• Poziomy transfer genów może łatwo prowadzić do
gromadzenia coraz większej liczby genów,
duplikacji itd.
• Przyrost wielkości genomu
• Prakomórki łączyły się ze sobą
• Diploidyzacja daje duże korzyści dla naprawy
błędów przez rekombinację – teoria naprawy
• Mejoza pojawia się jako system “sprawiedliwego”
podziału kopii
Teoria pokarmowa
• Istotna jest nie rekombinacja, ale związane z cyklem
płciowym zmiany wielkości i metabolizmu
• 2n duże – większa odporność na promieniowanie i
uszkodzenia genomu
• 1n małe – szybki podział (bez podwójnego kosztu),
optymalne wykorzystanie zasobów