Ewolucyjna teoria starzenia antagonistycznej plejotropii.
Czy genetyka zapędziła nas w kozi róg?

avatar
Marcin Drzewiecki 27 Lut, 5 minut czytania

 

Starzenie się. Jak prawidłowo zdefiniować proces, z którym mamy do czynienia na co dzień i który jest nam tak dobrze znany z własnych doświadczeń, jak również i z wnikliwej obserwacji otaczającego nas, dynamicznie zmieniającego się społeczeństwa?

Przytaczając definicję, którą znaleźć możemy w Encyklopedii PWN, mianem starzenia określa się proces biologiczny polegający na postępujących w czasie zmianach wstecznych (inwolucyjnych) komórek i narządów, których ostatecznym skutkiem jest śmierć organizmu [1]. Definicja ta, będąca jednak bardzo uproszczonym wyjaśnieniem, zdaje się nie przedstawiać w pełni istoty tego zjawiska. O wiele lepiej oddaje ją natomiast następująca interpretacja: starzenie jest nieodwracalnym procesem powolnego zaburzania się utrzymania homeostazy przez organizm, co w dłuższej perspektywie czasu prowadzi do pojawienia się stanów natury patologicznej, a w konsekwencji do śmierci danego organizmu. Dobrze nam znany termin homeostazy, niekiedy zastępowany jest dziś w naukach przyrodniczych pojęciem homeodynamiki, które według wielu naukowców lepiej oddaje istotę zachowania równowagi przez żywy układ [2]. Ciągłe procesy zachodzące w organizmie w celu zachowania jego równowagi wykazują swego rodzaju labilność. Termin ten podkreśla cechę żywego organizmu jako dynamicznie działającego układu nie osiągającego nigdy stałej równowagi, lecz idealnie dostosowującego wewnętrzne mechanizmy do aktualnie występujących warunków.

Zagłębiając się w tematykę starzenia od strony historycznej i rozwoju poglądów oraz mnogości teorii na ten temat, widzimy, iż proces ten oraz jego przyczyny spędzały sen z powiek ludzkości od wielu stuleci. Już w czasach starożytnych był to temat rozważań filozofów, a w późniejszym czasie również lekarzy. Za pioniera w rozważaniach na temat starości uważa się Hipokratesa. Uważał on, że proces ten postępował z powodu „stopniowej utraty ciepła przez organizm”. Przełom stanowił dopiero XIX wiek, kiedy to stwierdzono, że starość nie jest chorobą [3]. Na przestrzeni lat powstało wiele teorii, próbujących odpowiedzieć zarówno na pytanie „dlaczego”, a także „w jaki sposób” się starzejemy. Jest to cecha, dzięki której uporządkować można wszystkie teorie na dwie oddzielne grupy: ewolucyjne oraz mechanistyczne.

Jedną z teorii ewolucyjnych, która stanowi niejako rdzeń niniejszego artykułu jest teoria antagonistycznej plejotropii. Autorem owej teorii jest George C. Williams– amerykański biolog oraz ewolucjonista. George Williams był profesorem na Uniwersytecie Stanowym Stony Brook w Nowym Jorku.

Została ona opublikowana w grudniu 1957 roku przez Society for the Study of Evolution [4]. Jej główny sens opiera się na hipotezie, iż część genów plejotropowych, których działanie reguluje wiele procesów w organizmie, działa w sposób antagonistyczny na różnych etapach życia określonej jednostki. Oznacza to, że aktywność danego genu w pierwszych latach życia może stanowić bardzo korzystny efekt dla organizmu, zaś w jego jesieni może przyczyniać się do rozwoju różnych chorób.

Teoria Williamsa oparta została na 4 podstawowych założeniach:

  1. Soma jest niezbędna do sukcesu reprodukcyjnego, ale żadna z jej części nie jest przenoszona w procesie rozmnażania zarówno płciowego jak i bezpłciowego.

  2. W populacji występuje naturalna selekcja alleli.

  3. Wybrano geny plejotropowe, które mają szczególny wpływ na sprawność organizmu na różnych etapach życia.

  4. Prawdopodobieństwo reprodukcji zmniejsza się wraz z wiekiem osobnika. (Ryc.1)

Ryc.1 Rozkład prawdopodobieństwa reprodukcji osobnika w zależności od jego wieku (krzywa ciągła).

Źródło: Williams, G. C. (1957). Pleiotropy, Natural Selection, and the Evolution of Senescence. Evolution, 11(4), 398. doi:10.2307/2406060

Autor publikacji działanie owych genów przedstawia na znanym powszechnie organizmie modelowym Drosophila melanogaster (muszka owocówka). Na przykładzie loci black (b) oraz speck (sp) znajdujących się na II chromosomie w kariotypie muszki [4], odpowiedzialnych kolejno za czarną barwę oraz plamkowatość skrzydeł opisuje, że mutacje owych genów powodują przedłużenie życia osobników płci męskiej (a przynajmniej w warunkach laboratoryjnych).

Pomimo tak korzystnego wpływu na długość życia muszek, to dzikie allele tych genów musiały jednak wykazywać przez tysiące lat ewolucji o wiele bardziej „atrakcyjną” wartość dla doboru naturalnego. Musiały stanowić o wiele korzystniejszy wariant w młodości, a dokładnie rzecz ujmując: w okresie reprodukcji. Jest to z kolei opłacone krótszym życiem, jednak procesy, które zachodzą w postreprodukcyjnym etapie życia nie stanowią już „obszaru zainteresowań” doboru naturalnego. Fenotyp wynikający z nabycia przez dobór naturalny owych alleli dzikich musi być powiązany z lepszym przystosowaniem organizmu do życia w określonym środowisku, w umownym okresie zaczynającym się od pierwszych chwil jego życia, aż do końca jego okresu reprodukcji.

Bardzo dobry przykład, który pozwala lepiej zrozumieć sens owej teorii, stanowi opisana przez Williamsa hipoteza teoretycznego genu odpowiedzialnego za wiązanie wapnia w organizmie. Wyobraźmy sobie pojawiającą się nagle w domniemanej populacji mutację, która odpowiada za mineralizację kości w okresie rozwoju organizmu. Stanowi to bardzo korzystny efekt w przystosowaniu do warunków środowiskowych, zwiększając tym samym szansę wielu osobników na przeżycie. Prowadzi to z czasem do zachowania się mutacji w puli genowej. Efekt niekorzystny uwidacznia się dopiero w późniejszym okresie życia, kiedy to nadwyżka związanego wapnia, daje o sobie znać w postaci złogów powstających w tętnicach [4].

W naturalnych warunkach rzadko który organizm ma szanse na dożycie wieku starczego. Jest to związane z takimi czynnikami jak niebezpieczeństwo ze strony drapieżników, deficyty pożywienia, wody etc. Za bardzo ciekawy przykład posłużyć może również zjawisko bardzo szybko zachodzącego procesu starzenia łososi atlantyckich, które po osiągnięciu dojrzałości płciowej i intensywnym tarle, giną w ciągu kilku miesięcy [2]. Dlatego szkodliwe efekty aktywności genów mających korzystny efekt w młodości, bardzo często nie mają okazji się ukazać.

Człowiek jako jedyny gatunek na świecie, rozwinął się w sposób tak wysoce zaawansowany jaki możemy dziś zaobserwować. Jesteśmy zdolni do wyrażania siebie poprzez mowę, pismo, sztukę. Potrafimy abstrakcyjnie myśleć, czego efektem jest ogromny rozwój kultury oraz nauki, a także niezmiernie pokaźna liczba odkryć i pojawienie się wynalazków, bez których nie sposób wyobrazić sobie życia, do którego przywykliśmy. Dzięki rozprzestrzenianiu się wiedzy w społeczeństwie i polepszaniu się standardów życia, dokonuje się na naszych oczach progres, którego wyjątkowe przyspieszenie rozpoczęło się już na przełomie XIX i XX wieku.

Szeroko pojęty rozwój medycyny, a w tym wynalazki takie jak antybiotyki, szczepionki, doprowadziły do wydłużenia naszego życia. Dla przykładu, średnia długość życia na Starym Kontynencie w roku 1800 wynosiła zaledwie 34 lata, w roku 1950 62 lata, a w 2015 już 78 lat [6]. Wydłużenie życia spowodowało, że zaczęliśmy mierzyć się z problemami zdrowotnymi, które kiedyś w społeczeństwie zwyczajnie nie występowały. Coś co nie dotyczyło nas jako gatunku ludzkiego, jak i innych gatunków przez setki tysięcy lat ewolucji, nagle w przeciągu zaledwie kilku wieków zaczęło stanowić dla nas duży problem.

Czy w takim układzie genetyka nie zapędziła nas w pewnego rodzaju pułapkę? Czy poprzeczka ta będzie stanowić już zawsze problem nie do rozwikłania? Jaka jest maksymalna długość życia, którą możemy osiągnąć? A może istnieje sposób na doprowadzenie człowieka do stanu nieśmiertelności? Tysiące naukowców na całym świecie próbuje odpowiedzieć na te i inne pytania, które zawierają się w obszarze całkiem nowej dziedziny nauki, jaką stanowi biogerontologia.

 

Bibliografia:

  1. https://encyklopedia.pwn.pl/haslo/starzenie-sie;3979189.html
  2. J. M. Witkowski, Dlaczego się starzejemy, w: Biogerontologia, red. E. Sikora, G. Bartosz, J. Witkowski, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 2009, s.11-13
  3. A. Kaluźniak-Szymanowska, R. G. Krzymińska-Siemaszko, Historia geriatrii i gerontologii od starożytności do współczesności. Medycyna Ogólna i Nauki o Zdrowiu. 2019, Tom 25, Nr 4, s. 230–234
  4. G.C. Williams, Pleiotropy, Natural Selection, and the Evolution of Senescence. Evolution. Society for the Study of Evolution. 1957, Tom 11, Nr 4, s. 398-411
  5. J. M. Mason, E. Strobel, M. M. Green, mu-2: mutator gene in Drosophila that potentiates the induction of terminal deficiencies. Proc. Nati. Acad. Sci. USA. 1984, Tom 81, Nr 19, s. 6090-6094
  6. https://ourworldindata.org/life-expectancy

 

Słowniczek pojęć:

  • Allel– jeden z alternatywnych wariantów określonego genu
  • Biogerontologia– dział nauki zajmujący się badaniami nad przyczynami oraz konsekwencjami starzenia się organizmów
  • Fenotyp– zespół cech organizmu będący wynikiem ścisłego oddziaływania pomiędzy środowiskiem a genotypem
  • Geny plejotropowe- geny odpowiadające za ujawnianie się, pozornie ze sobą niepowiązanych, dwóch bądź większej ilości cech fenotypowych
  • Homeodynamika- zdolność organizmu do utrzymywania określonych parametrów w zależności od aktualnych warunków zewnętrznych
  • Homeostaza– zdolność utrzymywania przez organizm względnie stałych parametrów takich jak temperatura ciała, pH krwi czy ciśnienie osmotyczne
  • Loci (locus)- określony obszar chromosomu zajmowany przez gen
  • Plejotropia- zjawisko polegające na działaniu pojedynczego czynnika na co najmniej dwie lub więcej cech fenotypowych
  • Soma- wszystkie tkanki danego organizmu za wyjątkiem komórek rozrodczych

 

Podziel się: