Гипотеза антагонистической плейотропии
Гипотеза антагонистической плейотропии об эволюционной теории старения была впервые предложена в 1952 году в статье Питера Медавара и получила дальнейшее развитие в знаковой статье Джорджа К. Уильямса в 1957 году. [ 1 ] Их оригинальные гипотезы с тех пор породили огромную и плодотворную литературу по эволюционному объяснению старения . [ 2 ] Плейотропия — это явление, при котором один ген влияет более чем на один фенотипический признак организма. [ 3 ] [ 4 ] Это один из наиболее часто наблюдаемых атрибутов генов. [ 5 ] Считается, что ген демонстрирует антагонистическую плейотропию, если он контролирует более одного фенотипического признака организма , при этом хотя бы один из этих признаков полезен для приспособленности , а по крайней мере один вреден для приспособленности.
Это направление генетических исследований началось как попытка ответить на следующий вопрос: если естественный отбор всегда должен благоприятствовать выживанию и воспроизводству, то почему старение – которое в эволюционных терминах можно описать как возрастное снижение выживаемости и воспроизводства – быть почти повсеместным в мире природы?" [ 2 ] Гипотеза антагонистической плейотропии дает частичный ответ на этот вопрос. В качестве эволюционного объяснения старения гипотеза опирается на тот факт, что репродуктивная способность снижается с возрастом у многих видов и, следовательно, сила естественного отбора также снижается с возрастом (поскольку без воспроизводства не может быть естественного отбора). [ 6 ] [ 7 ] Поскольку сила отбора снижается в течение жизненного цикла человека и некоторых других организмов, естественный отбор у этих видов имеет тенденцию отдавать предпочтение « аллелям , которые на раннем этапе оказывают благоприятное воздействие, но позже оказывают вредное воздействие». [ 8 ]
Антагонистическая плейотропия также обеспечивает основу для понимания того, почему многие генетические нарушения , даже те, которые вызывают опасные для жизни последствия для здоровья (например, серповидно-клеточная анемия ), оказываются относительно распространенными в популяциях, хотя, если рассматривать их через призму простых эволюционных процессов, их следует наблюдать. на очень низких частотах из-за силы естественного отбора. Генетические модели популяций показывают, что антагонистическая плейотропия позволяет поддерживать генетические нарушения на достаточно высокой частоте, «даже если преимущества приспособленности невелики». [ 9 ] В этом смысле антагонистическая плейотропия формирует основу «генетического компромисса между различными компонентами приспособленности». [ 10 ]
Компромиссы
[ редактировать ]В теории эволюции понятие приспособленности состоит из двух компонентов: смертности и воспроизводства. Антагонистическая плейотропия закрепляется в геномах путем создания жизнеспособных компромиссов между этими двумя компонентами или внутри них. Существование этих компромиссов было четко продемонстрировано на примере человека, ботанических видов и насекомых. Например, анализ глобальной экспрессии генов у плодовой мухи Drosophila melanogaster выявил 34 гена, экспрессия которых совпадала с генетическим компромиссом между выживаемостью личинок и размером взрослой особи. Совместная экспрессия этих «компромиссных» генов-кандидатов объяснила 86,3% компромисса. Эти компромиссы могут быть результатом отбора на уровне организма или, что более тонко, через механизмы распределения дефицитных ресурсов в клеточном метаболизме. [ 11 ]
Другой пример можно найти в исследовании желтого обезьяньего цветка, однолетнего растения . Исследование документально подтверждает компромисс между временем цветения и репродуктивной способностью. Этот акт генетического балансирования определяет, сколько особей выживет и зацветет за короткий вегетационный период (жизнеспособность), а также влияет на набор семян выживших растений (плодовитость). Авторы обнаружили, что компромисс между жизнеспособностью растений и плодовитостью может привести к стабильному полиморфизму в удивительно общих условиях. Таким образом, для этого однолетнего цветка они выявили компромисс между смертностью и плодовитостью, и, по мнению авторов, этот компромисс актуален и для других однолетних цветковых растений. [ 10 ]
Роль в плодовитости и старении
[ редактировать ]Старение относится к процессу физиологических изменений у отдельных представителей вида по мере их старения. [ 9 ] [ 12 ] Антагонистически плейотропный ген может быть выбран, если он оказывает благотворное воздействие в раннем возрасте, но проявляет свои негативные эффекты в более позднем возрасте, поскольку гены, как правило, оказывают большее влияние на приспособленность в расцвете сил организма, чем в пожилом возрасте. [ 13 ] Статья Уильямса 1957 года послужила стимулом для многих последующих исследований эволюционных причин старения. [ 14 ] Эти исследования показывают четкие компромиссы, включающие раннее увеличение плодовитости и позднее увеличение смертности.
Одно из таких исследований проверяет гипотезу о том, что смерть человека от сердечно-сосудистых заболеваний связана с антагонистической плейотропией, действующей через воспаление. Поскольку иммунная система человека развивалась в наследственной среде, характеризующейся обилием патогенов, в этой среде, несомненно, были выбраны защитные, провоспалительные реакции. Однако с точки зрения сердечно-сосудистого риска те же воспалительные реакции могут быть вредными – особенно, в последнее время, в богатых странах, где ожидаемая продолжительность жизни намного больше, чем в среде предков. В исследовании рассматривается смертность в течение периода от 3 до 5 лет в группе из 311 85-летних голландских женщин. Была записана информация об их репродуктивном анамнезе, а также результаты анализов крови, генетических тестов и физического осмотра. Исследование показало, что люди с более высоким провоспалительным соотношением TNFα/IL-10 имели значительно более высокий уровень смертности от сердечно-сосудистых заболеваний в пожилом возрасте. Это открытие подтверждает гипотезу о том, что этот генотип был распространен, поскольку более высокие соотношения TNFα/IL-10 позволяют людям более эффективно бороться с инфекцией в репродуктивном возрасте. [ 15 ]
Роль в болезни
[ редактировать ]Сохранение многих серьезных генетических нарушений в истории эволюции человека побудило исследователей переоценить роль антагонистической плейотропии в заболеваниях. Если генетические нарушения вызваны мутациями одного вредного аллеля, то естественный отбор , действующий в течение эволюционного времени, должен привести к более низкой частоте мутаций, чем наблюдается в настоящее время. [ 9 ] В обзорной статье 2011 года Картер и Нгуен обсуждают несколько генетических нарушений, утверждая, что антагонистическая плейотропия, будучи далеко не редким явлением, может быть фундаментальным механизмом, с помощью которого «аллели с серьезными вредными последствиями для здоровья могут поддерживаться на медицински значимых частотах лишь с незначительными полезные плейотропные эффекты». [ 9 ]
Примером этого является серповидноклеточная анемия, которая приводит к аномалиям в белке-переносчике кислорода гемоглобине, обнаруженном в эритроцитах . [ 16 ] Обладатели вредного аллеля имеют гораздо меньшую продолжительность жизни: гомозиготы редко достигают 50-летнего возраста. Однако этот аллель также повышает устойчивость к малярии . Таким образом, в регионах, где малярия оказывает или оказывала сильное селективное давление, серповидноклеточная анемия была выбрана из-за придаваемой ей частичной устойчивости к заболеванию. В то время как гомозиготы либо не имеют защиты от малярии, либо имеют сильную склонность к серповидно-клеточной анемии, гетерозиготы имеют меньше физиологических эффектов и частичную устойчивость к малярии. [ 17 ] Таким образом, ген, ответственный за серповидно-клеточную анемию, с относительно высокой частотой закрепляется в популяциях, которым угрожает малярия, создавая жизнеспособный компромисс между смертью от этого неинфекционного заболевания и смертью от малярии.
В другом исследовании генетических заболеваний 99 человек с синдромом Ларона (редкая форма карликовости) находились под наблюдением вместе со своими родственниками, не являющимися карликами, в течение десяти лет. Пациенты с синдромом Ларона обладают одним из трех генотипов гена рецептора гормона роста (GHR). A->G У большинства пациентов имеется мутация сайта сплайсинга в положении 180 экзона 6. Некоторые другие обладают нонсенс-мутацией (R43X), тогда как остальные являются гетерозиготными по двум мутациям. У пациентов с синдромом Ларона наблюдался более низкий уровень смертности от рака и диабета по сравнению с их родственниками, не являющимися карликами. [ 18 ] Это предполагает роль антагонистической плейотропии, при которой вредная мутация сохраняется в популяции, поскольку она все еще дает некоторую пользу для выживания. [ 9 ]
Другой пример антагонистической плейотропии проявляется при болезни Хантингтона — редком нейродегенеративном заболевании, характеризующемся высоким количеством CAG-повторов в гене Хантингтина . Начало болезни Хантингтона обычно наблюдается в пострепродуктивном возрасте и обычно включает непроизвольные мышечные спазмы, когнитивные трудности и психические проблемы. Высокое количество CAG-повторов связано с повышенной активностью р53 , белка, подавляющего опухоль, который участвует в апоптозе . Было высказано предположение, что это объясняет более низкий уровень заболеваемости раком среди пациентов Хантингтона. Болезнь Хантингтона также коррелирует с высокой плодовитостью . [ 9 ]
К другим плейотропным заболеваниям, выявленным в обзорной статье, относятся: бета-талассемия (также защищает от малярии в гетерозиготном состоянии); муковисцидоз (повышение фертильности); и остеопороз в пожилом возрасте (снижение риска остеопороза в молодости). [ 9 ]
Роль в половом отборе
[ редактировать ]Принято считать, что эволюция вторичных половых признаков продолжается до тех пор, пока относительные затраты на выживание не перевешивают выгоды от репродуктивного успеха. [ 19 ] На уровне генов это означает компромисс между вариациями и проявлением выбранных признаков. Сильный и постоянный половой отбор должен привести к уменьшению генетической изменчивости этих признаков. Однако сообщалось о более высоких уровнях изменчивости признаков, выбранных половым путем, по сравнению с признаками, выбранными не половым путем. [ 20 ] Это явление особенно ярко проявляется у видов лек , у которых ухаживание самцов не дает самке немедленного преимущества. Женский выбор, по-видимому, зависит от корреляции мужских проявлений (вторичных половых признаков) с общим генетическим качеством. Если такой направленный половой отбор истощает разнообразие самцов, почему женский выбор продолжает существовать? Роу и Хоул отвечают на этот вопрос ( парадокс Лека ), используя понятие генетического захвата , которое связывает признаки, выбранные половым путем, с общим состоянием организма. Они утверждают, что гены вторичных половых признаков должны быть плейотропно связаны с состоянием, показателем приспособленности организма. Другими словами, генетическая изменчивость вторичных половых признаков поддерживается за счет изменчивости состояния организма. [ 21 ]
Повсеместное распространение популяционной генетики
[ редактировать ]Достижения в картировании генома значительно облегчили исследования антагонистической плейотропии. Такие исследования сейчас часто проводятся в лабораториях, а также и в диких популяциях. Преимущество последнего контекста тестирования заключается в том, что он представляет всю сложность опыта отбора – конкурентов, хищников и паразитов – но имеет недостаток, заключающийся в введении идиосинкразических факторов, специфичных для данных мест. Чтобы иметь возможность с уверенностью утверждать, что данная плейотропия действительно является антагонистической плейотропией, а не вызвана какой-либо другой конкурирующей причиной (например, гипотезой накопления мутаций ), необходимо знать точный ген, который является плейотропным. Сейчас это становится все более возможным с организмами, имеющими детальное геномное картирование (например, мыши, плодовые мухи и люди). Обзор этого исследования, проведенный в 2018 году, показывает, что «антагонистическая плейотропия находится где-то между очень распространенным или повсеместным явлением в животном мире… и, возможно, во всех живых средах…». [ 2 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Уильямс Г.К. (1957). «Плейотропия, естественный отбор и эволюция старения». Эволюция . 11 (4): 398–411. дои : 10.2307/2406060 . JSTOR 2406060 .
- ^ Jump up to: а б с Аустад С.Н., Хоффман Дж.М. (2018). «Повсеместна ли антагонистическая плейотропия в биологии старения?» . Academic.oup.com . Проверено 19 апреля 2024 г.
- ^ 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 .
- ^ Хэ X, Чжан Дж (август 2006 г.). «На пути к молекулярному пониманию плейотропии» . Генетика . 173 (4): 1885–1891. дои : 10.1534/генетика.106.060269 . ПМЦ 1569710 . ПМИД 16702416 .
- ^ Отто СП (апрель 2004 г.). «Два шага вперед, один шаг назад: плейотропные эффекты предпочтительных аллелей» . Слушания. Биологические науки . 271 (1540): 705–714. дои : 10.1098/rspb.2003.2635 . ПМК 1691650 . ПМИД 15209104 .
- ^ Елена С.Ф., Санхуан Р. (декабрь 2003 г.). «Эволюция. Поднимитесь на каждую гору?». Наука . 302 (5653): 2074–2075. дои : 10.1126/science.1093165 . ПМИД 14684807 . S2CID 83853360 .
- ^ Флэтт Т (май 2011 г.). «Затраты на выживание при размножении дрозофилы» (PDF) . Экспериментальная геронтология . 46 (5): 369–375. дои : 10.1016/j.exger.2010.10.008 . ПМИД 20970491 . S2CID 107465469 .
- ^ Роуз М.Р., Раузер К.Л. (2007). «Эволюция и сравнительная биология». Энциклопедия геронтологии . 2 : 538–547. дои : 10.1016/B0-12-370870-2/00068-8 . ISBN 978-0-12-370870-0 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Картер AJ, Нгуен AQ (декабрь 2011 г.). «Антагонистическая плейотропия как широко распространенный механизм поддержания полиморфных аллелей заболеваний» . BMC Медицинская генетика . 12 :160. дои : 10.1186/1471-2350-12-160 . ПМК 3254080 . ПМИД 22151998 .
- ^ Jump up to: а б Браун К.Э., Келли Дж.К. (январь 2018 г.). «Антагонистическая плейотропия может поддерживать изменчивость приспособленности однолетних растений». Журнал эволюционной биологии . 31 (1): 46–56. дои : 10.1111/jeb.13192 . ПМИД 29030895 .
- ^ Бохдановиц З., де Йонг Г. (февраль 2004 г.). «Антагонистическая плейотропия черт жизненного цикла на уровне экспрессии генов» . Слушания. Биологические науки . 271 (Приложение 3): S75–S78. дои : 10.1098/rsbl.2003.0091 . ПМК 1809996 . ПМИД 15101424 .
- ^ Промыслов Д.Е. (июнь 2004 г.). «Белковые сети, плейотропия и эволюция старения» . Слушания. Биологические науки . 271 (1545): 1225–1234. дои : 10.1098/rspb.2004.2732 . ПМК 1691725 . ПМИД 15306346 .
- ^ Вуд Дж.В., О'Коннор К.А., Холман Д.Д., Бриндл Э., Барсом С.Х., Граймс М.А. (2001). Эволюция менопаузы путем антагонистической плейотропии. Центр демографии и экологии, Рабочий документ (Отчет).
- ^ Фокс К.В., Вольф Дж.Б., ред. (апрель 2006 г.). Эволюционная генетика: концепции и тематические исследования . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-516817-4 .
- ^ Ван Ден Биггелаар А.Х., Де Краен А.Дж., Гуссекло Дж., Хейзинга Т.В., Хейманс Б.Т., Фрелих М. и др. (июнь 2004 г.). «Воспаление, лежащее в основе сердечно-сосудистой смертности, является поздним следствием эволюционного программирования» . Журнал ФАСЭБ . 18 (9): 1022–1024. doi : 10.1096/fj.03-1162fje . ПМИД 15084512 . S2CID 1379140 .
- ^ «Серповидноклеточная анемия — что такое серповидноклеточная анемия? | NHLBI, NIH» . www.nhlbi.nih.gov . 30 августа 2023 г. Проверено 16 апреля 2024 г.
- ^ Айду М., Терлоу Д.Д., Колчак М.С., МакЭлрой П.Д., Тер Куиле Ф.О., Кариуки С. и др. (апрель 2002 г.). «Защитное действие гена серповидноклеточной анемии против заболеваемости и смертности от малярии». Ланцет . 359 (9314): 1311–1312. дои : 10.1016/S0140-6736(02)08273-9 . ПМИД 11965279 .
- ^ Гевара-Агирре Дж., Баласубраманиан П., Гевара-Агирре М., Вэй М., Мадиа Ф., Ченг К.В. и др. (февраль 2011 г.). «Дефицит рецепторов гормона роста связан со значительным снижением передачи сигналов, способствующих старению, раку и диабету у людей» . Наука трансляционной медицины . 3 (70): 70ра13. doi : 10.1126/scitranslmed.3001845 . ПМЦ 3357623 . ПМИД 21325617 .
- ^ Болстад Г.Х., Пелабон С., Ларсен Л.К., Флеминг И.А., Викен А., Розенквист Г. (июнь 2012 г.). «Влияние очищения на выбранные половым путем признаки посредством антагонистической плейотропии с выживанием» . Экология и эволюция . 2 (6): 1181–1194. Бибкод : 2012EcoEv...2.1181B . дои : 10.1002/ece3.246 . ПМК 3402193 . ПМИД 22833793 .
- ^ Помянковский А., Моллер А.П. (1995). «Разрешение парадокса Лека». Труды Лондонского королевского общества . 260 (1357): 21–29. дои : 10.1098/rspb.1995.0054 . S2CID 43984154 .
- ^ Роу Л., Хоул Д. (1996). «Парадокс Лека и учет генетической изменчивости с помощью признаков, зависящих от состояния». Труды Лондонского королевского общества . 263 (1375): 1415–1421. Бибкод : 1996РСПСБ.263.1415Р . дои : 10.1098/rspb.1996.0207 . S2CID 85631446 .