Хипотеза за антагонистичка плејотропија

Хипотезата за антагонистичка плејотропија првпат била предложена од Џорџ К. Вилијамс во 1957 година како еволутивно објаснување за стареењето. Плеиотропијата бил феномен кога еден ген контролирал повеќе од една фенотипска карактеристика во организмот. Се сметало дека генот поседувал антагонистичка плејотропија ако контролирал повеќе од една карактеристика, каде што барем една од овие особини била корисна за кондицијата на организмот во почетокот на животот и барем една била штетна за кондицијата на организмот подоцна поради пад на силата на природната селекција. Темата на идејата на Г.Ц. Вилијам за антагонистичка плејотропија била дека ако генот предизвикал и зголемена репродукција во раниот живот и стареење во подоцнежниот живот, тогаш стареењето ќе било приспособливо во еволуцијата. На пример, една студија сугерирала дека со оглед на тоа што фоликуларното осиромашување кај женките предизвикувало поредовни циклуси во раниот живот и губење на плодноста подоцна во животот преку менопаузата, можело да се избере со тоа што неговите рани придобивки ги надминувале неговите доцни трошоци.
1 Како ограничување на совршенството
Антагонистичката плејотропија била една од неколкуте причини зошто еволутивните биолози ги давале организмите кои никогаш не можеле да достигнеле совршенство преку природна селекција. Антагонистички плеиотропните гени биле објаснување за фитнес компромисите. Ова значело дека гените кои биле плеиотропна контрола на некои корисни особини и некои штетни особини; така, ако се случило да опстоеле преку природната селекција, ова ќе ги спречело организмите да достигнеле совршенство бидејќи ако ги поседувале придобивките од генот, тие исто така морале да ги поседуваат несовршеностите или грешките. Пример за ова би биле женските глодари кои живееле во гнездо со други женки и можеле да завршат да ги хранат младенчињата што не биле нивни поради нивниот интензивен родителски нагон. Овој силен родителски нагон ќе бил избран за, но организмите сепак ќе направеле грешка да ги хранеле младите што не биле нивни и погрешно да ги распределат своите ресурси.
2 Придобивки и трошоци
Антагонистичката плејотропија имала неколку негативни последици. Тоа резултирало со одложена адаптација, променет пат на еволуција и намалена адаптација на други особини. Дополнително, севкупната придобивка од алели била значително намалена (за околу половина) со плејотропија. Сепак, антагонистичката плејотропија имала некои еволутивни придобивки. Всушност, зачувувањето на гените било директно поврзано со плеиотропниот карактер на организмот. Ова имплицирало дека гените кои контролирале повеќе особини, дури и ако особините имале различни импликации за кондицијата на организмот, имале поголема моќ за задржување во еволутивен контекст.
3 Улога во сексуалната селекција
Било општо прифатено дека еволуцијата на секундарните сексуални карактеристики опстојувала додека релативните трошоци за преживување не ги надминеле придобивките од репродуктивниот успех. На ниво на гени, ова значело компромис помеѓу варијациите и изразувањето на избраните особини. Силната, постојана сексуална селекција требала да резултира со намалена генетска варијација за овие особини. Сепак, биле забележани повисоки нивоа на варијација кај сексуално избраните особини во споредба со несексуално избраните особини. Овој феномен бил особено јасен кај видовите леки, каде што однесувањето на мажјаците за додворување не и давало непосредна предност на женката. Изборот на жените веројатно зависело од корелацијата на машките прикази (секундарни сексуални карактеристики) со севкупниот генетски квалитет. Ако таквата насочена сексуална селекција ја исцрпувала варијацијата кај мажите, зошто женскиот избор би продолжил да постои? Роу и Хоул одговарале на ова прашање (парадоксот на лек) користејќи го поимот генетско заробување, кое ги спојувало сексуално избраните особини со целокупната состојба на организмот. Тие тврделе дека гените за секундарните полови карактеристики морале да бидат плеиотропски поврзани со состојбата, мерка за кондицијата на организмот. Со други зборови, генетската варијација во секундарните полови карактеристики се одржувала поради варијацијата во состојбата на организмот.
4 Улога во болеста
Преживувањето на многу сериозни генетски нарушувања во нашата долга еволутивна историја ги навело истражувачите да ја преоценеле улогата на антагонистичката плејотропија во болеста. Ако генетските нарушувања се дефинирале со постоењето на штетни алели, тогаш природната селекција која делувала во текот на еволутивното време би резултирала со помала фреквенција на мутации отколку што била моментално забележана. Во една неодамнешна статија, Картер и Нгуен идентификувале неколку генетски нарушувања, тврдејќи дека далеку од тоа да биде редок феномен, антагонистичката плејотропија можела да биде основен механизам за опстанок на овие неоптимални алели.
Во една од овие студии, 99 лица со Ларонов синдром (ретка форма на џуџест раст) биле следени заедно со нивните не-џуџести роднини во период од десет години. Пациентите со Ларонов синдром поседувале еден од трите генотипови за генот за рецептор на хормонот за раст (GHR). Повеќето пациенти имале мутација на местото на спојување A->G во позиција 180 во егзонот 6. Некои други поседувале бесмислена мутација (R43X), додека останатите биле хетерозиготни за двете мутации. Пациентите со синдромот Ларон доживеале помала инциденца на смртност од рак и дијабетес во споредба со нивните не-џуџести роднини. Ова укажувало на улогата на антагонистичката плејотропија, при што била зачувана штетна мутација кај популацијата бидејќи сè уште давала одредена корист за преживување.
Друг пример на антагонистичка плејотропија се манифестирал во Хантингтоновата болест, ретко невродегенеративно нарушување кое се карактеризирало со голем број повторувања на CAG во рамките на Хантингтин генот. Почетокот на Хантингтоновата болест обично се забележувал пост-репродуктивна возраст и генерално вклучувал неволни мускулни грчеви, когнитивни тешкотии и психијатриски проблеми. Патем, големиот број на повторувања на CAG бил поврзан со зголемена активност на p53, протеин што супресирал тумор кој учествувал во апоптозата. Се претпоставувало дека ова ја објаснувала пониската стапка на рак кај пациентите на Хантингтон. Хантингтоновата болест била исто така во корелација со висока плодност.
Дополнително, било откриено дека индивидуите со повисок проинфламаторен сооднос TNFα/IL-10 имале значително поголема инциденца на смрт поради кардиоваскуларни болести во старост. Сепак, се претпоставувало дека овој генотип бил распространет бидејќи повисоките соодноси на TNFα/IL-10 им овозможувале на поединците поефикасна борба против инфекцијата за време на репродуктивните години.
Српеста анемија, бета-таласемија и цистична фиброза се некои други примери за улогата што антагонистичката плејотропија можела да ја игра во генетските нарушувања.
5 Сеприсутност
Иако имало толку многу негативни ефекти поврзани со гените кои биле антагонистички плеиотропни, тој сè уште бил присутен меѓу повеќето форми на живот. Навистина, плејотропијата била една од најчестите особини што ги поседувале гените во целина. Дополнително на тоа, плејотропијата била под силна стабилизирачка селекција. Во еден експеримент со глувци и морфологијата на мандибулата, 1/5 од локусите имале ефекти на плејотропија на целата мандибула. Еден друг пример бил во студијата на рускиот биолог Дмитриј К. Белјаев за припитомување на лисицата. Во експериментот со фарма со лисици на Дмитриј К. Белјаев, дивите лисици биле одгледувани само за послушно однесување. По 40 генерации, се појавиле и други физиолошки промени, вклучувајќи скратени опашки, флопирани уши, бела ѕвезда во челото, свиткани опашки, пократки нозе. Бидејќи единственото нешто за кое било избрано беше однесувањето, ова ги наведувало научниците да верувале дека овие секундарни карактеристики биле контролирани од истиот ген или гени како и послушното однесување.
6 Адаптивност и стареење
Можело да се изберело антагонистички плеиотропен ген доколку имал корисни ефекти во раниот живот, додека имал негативни ефекти во подоцнежниот живот, бидејќи гените имале тенденција да имале поголемо влијание врз кондицијата во цутот на организмот отколку во нивната старост. Пример за ова било нивото на тестостерон кај машките луѓе. Повисоките нивоа на овој хормон доведувале до зголемена кондиција во раниот живот, додека предизвикувале намалена кондиција во подоцнежниот живот поради поголем ризик за рак на простата. Ова било пример за антагонистичка плејотропија што било објаснување за стареењето. Стареењето било чин на стареење кај поединците; тоа бил неуспехот со текот на времето на животните процеси на поединецот од природни причини. Теоријата на Вилијамс била мотивација за многу експериментални студии за причините за стареење во последните 25 години. Сепак, имало повеќе од една теорија за стареење. Конкурентниот модел за објаснување на стареењето била хипотезата за „ акумулација на мутации “ на Медавар, која велела дека „со текот на еволутивното време, мутациите со доцно дејство ќе се акумулирале со многу побрзо темпо од мутациите со рано дејство и/или плодноста како што стареел организмот“. Теоријата на Медавар се засновала на постариот концепт на сенка на селекција за кој се дискутирало во текот на раните 1900-ти и довело до теоријата на Медавар по дискусиите со Џ.Б.С. Халдан во 1940-тите.
7 Потенцијални примери
7.1 Поправка на ДНК
7.1.1 Теорија на стареење на оштетување на ДНК
Истакнато објаснување за стареењето на молекуларно ниво била теоријата на оштетување на ДНК на стареењето. Било предложено дека генетските елементи кои ја регулирале поправката на ДНК во соматските клетки можеле да претставувале важен пример за плеиотропни „гени“ зависни од возраста. Како што било наведено од Vijg, поправката и одржувањето на геномот било корисно во почетокот на животот со брзо елиминирање на оштетувањето на ДНК или оштетените клетки. Сепак, студиите за поправка на ДНК во мозокот и во мускулите укажувале на тоа дека преминот од митотична клеточна делба до пост-митотична состојба што се јавувала рано во животот била придружена со намалување на поправката на ДНК. Намалената експресија на поправка на ДНК била веројатно дел од еволутивната адаптација за пренасочување на ресурсите на клетката кои претходно биле користени за поправка на ДНК, како и за репликација и клеточна делба, на посуштински невронски и мускулни функции.
Штетниот ефект на ова генетски контролирано намалување на експресијата било да овозможи зголемена акумулација на оштетување на ДНК. Намалената поправка на ДНК предизвикувала зголемено нарушување на транскрипцијата и прогресивно губење на функцијата на клетките и ткивата. Сепак, овие штетни ефекти од оштетувањето на ДНК биле кумулативни и најтешки кај хронолошки постарите индивидуи чиј број се намалувал со текот на времето (поради причините за смрт кои можеле да бидат независни од стареењето). Како последица на тоа, би доминирале корисните ефекти на генетските елементи кои го контролирале намалувањето на поправката на ДНК рано во животот. Така, регулаторните генетски елементи кои ја намалувале експресијата на гените за поправка на ДНК во пост-митотските клетки се чинело дека биле важни примери на постулираните плеиотропни „гени“ кои биле корисни во младоста, но штетни на постара возраст.
7.1.2 Теломерна теорија
Друг пример поврзан со стареењето била Теломерската теорија. Теоријата на теломерите предлагала теломерите да се скратувале со повторена клеточна делба што се припишувала на стареење на клетките и оштетување на ткивото. Проблемот со крајната репликација го објаснувал механизмот зад неможноста на ДНК полимеразата да го започнел РНК прајмерот да ја вршел својата функција во комплетирањето на заостанатата нишка поради скратувањето на ДНК. Скратувањето на теломерите било вообичаено во соматските клетки. Сепак, герминативната линија и матичните клетки го спречувале проблемот со крајната репликација со помош на теломераза. Теломеразата го издолжувала 3' крајот кој потоа се формирал во t-јамка за да се спречела клетката да влезе во фазата G0 и стареењето на клетките.
Воспалението и оштетувањето на ткивото биле основните проблеми поради зголемените старечки клетки. Во неколку студии, скратените теломери биле поврзани со саркопенија поврзани со возраста, атеросклеротични кардиоваскуларни болести, и рак. Сепак, сè уште постоело прашањето дали должината на теломерите ги предизвикувала овие болести или дали болестите предизвикувале скратени теломери. Оттука, скратувањето на теломерите било во согласност со антагонистичката плејотропија теорија. Размената постоела бидејќи клетката имала корист од теломеразата која спречувала трајно запирање на растот, но скратувањето на теломерите било поврзано со функционална загуба.
7.1.3 Теорија на слободни радикали
Друг пример поврзан со стареењето била теоријата на слободните радикали. Теоријата за слободни радикали сугерирала дека слободните радикали, кои се произведувале со аеробно дишење, предизвикувале оксидативен стрес на телото. Овој оксидативен стрес ќе резултирал со стареење и ќе доведел до смрт. Радикалите центрирани на кислород биле многу реактивни и можеле да предизвикале акумулација на оштетување на липидите, нуклеинските киселини, како и протеините во телото. Оваа акумулација на оштетување на биолошките молекули ја менувала рамката и доведувала до намалување на нивоата на активност на молекулите. Липидните пероксиди се акумулирале во мембранските фосфолипиди, што пак ја намалувала ефикасноста на митохондријалната мембрана како бариера. Процесот на транскрипција и транслација на ДНК, исто така, добивал оксидативно оштетување. Резултатот бил промени во базните парови на секвенцата на ДНК. Истражувањата покажале дека мутациите на ДНК од оштетувањето од слободните радикали биле многу невообичаени, но сепак ќе довеле до акумулација на оштетени протеини, како и до намалена биолошка активност.
Сепак, голем број истражувања покажале дека антиоксидансите (соединенија кои ги деактивирале слободните радикали) не го забавувале стареењето или болестите поврзани со стареењето, ставајќи ја во прашање популарната теорија за слободните радикали.
8 Поврзано
* Еволуција на стареење