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