Mysl A Tělo

Proč vědci studují genetické triky nejdéle žijících zvířat | Věda

Život pro většinu z nás končí příliš brzy - proto se biomedicínští vědci snaží najít způsoby, jak oddálit proces stárnutí a prodloužit náš pobyt na Zemi. Ve středu vědy stárnutí však existuje paradox: drtivá většina výzkumu se zaměřuje na ovocné mušky, hlístice a laboratorní myši , protože se s nimi snadno pracuje a je k dispozici spousta genetických nástrojů. Hlavním důvodem, proč si genetici vybrali tyto druhy, je především to, že mají krátkou délku života. Ve skutečnosti jsme se o dlouhověkosti učili od organismů, které jsou ve hře nejméně úspěšné.

Dnes malý počet vědců používá jiný přístup a studuje neobvykle dlouhověká stvoření - taková, která byla z jakýchkoli evolučních důvodů prodlužována na delší dobu než ostatní stvoření, s nimiž úzce souvisí. Doufáme, že zkoumáním a porozuměním genů a biochemických cest, které dodávají dlouhý život, mohou vědci nakonec odhalit triky, které mohou prodloužit i naši vlastní délku života.

Každý má přibližnou představu o tom, co je to stárnutí, a to jen z toho, jak ho prožívá, jak se to děje jemu i ostatním. Naše pokožka se prohýbá, naše vlasy šednou, klouby tuhnou a skřípají - to vše je známkou toho, že naše složky - tj. Bílkoviny a další biomolekuly - nejsou to, co bývaly. Výsledkem je, že jsme náchylnější k chronickým onemocněním, jako je rakovina, Alzheimerova choroba a cukrovka - a čím jsme starší, tím je pravděpodobnější, že každý rok zemřeme. Žijete a tím, že žijete, produkujete negativní důsledky, jako je poškození molekul. Toto poškození se časem hromadí, říká Vadim Gladyshev, který zkoumá stárnutí na Harvardské lékařské škole. V podstatě jde o stárnutí.





v co věřili roger williams

To se však u některých druhů děje rychleji než u jiných - nejjasnějším vzorem je, že větší zvířata mají tendenci žít déle než menší. Ale i po zohlednění velikosti přetrvávají obrovské rozdíly v dlouhověkosti. Myš domácí žije jen dva nebo tři roky, zatímco nahý krysí krysa, podobně velký hlodavec, žije více než 35. Bowheadské velryby jsou obrovské - druhý největší žijící savec - ale jejich 200letá životnost je minimálně dvojnásobná byste očekávali vzhledem k jejich velikosti. Lidé jsou také odlehlé hodnoty: Žijeme dvakrát tak dlouho jako naši nejbližší příbuzní, šimpanzi.

Sledujte tuto online událost z 6. května 2021 pořádanou uživatelem Známý časopis .



Netopýři nad průměrem

Snad nejpozoruhodnější zvíře Methuselahs patří mezi netopýry. Jeden jedinec z Myotis brandtii , malý netopýr o třetině větší než myš, byl znovuzískán, stále zdravý a vydatný, 41 let poté, co byl původně svázán páskem. To je zvláště úžasné pro zvíře žijící ve volné přírodě, říká Emma Teeling, evoluční biologka netopýrů na University College v Dublinu, která spoluautorem recenze zkoumající hodnotu netopýrů při studiu stárnutí v roce 2018 Výroční přehled biologických věd o zvířatech . Je to ekvivalent asi 240 až 280 lidských let, s malými nebo žádnými známkami stárnutí, říká. Netopýři jsou tedy mimořádní. Otázkou je, proč?

Ve skutečnosti existují dva způsoby, jak přemýšlet o Teelingově otázce. Zaprvé: Jaké jsou evoluční důvody, proč se u některých druhů stala dlouhověká, zatímco u jiných ne? A za druhé: Jaké jsou genetické a metabolické triky, které jim to umožňují?

Odpovědi na první otázku, přinejmenším širokými tahy štětcem, se stávají celkem jasnými. Množství energie, které by druh měl dát k prevenci nebo nápravě poškození života, závisí na tom, jak pravděpodobné je, že jedinec přežije dostatečně dlouho, aby mohl těžit z celé této buněčné údržby. Chcete investovat dost, aby se tělo nerozpadlo příliš rychle, ale nechcete příliš investovat, říká Tom Kirkwood, biogerontolog z Newcastle University ve Velké Británii. Chcete tělo, které má dobrou šanci zůstat ve zdravém stavu tak dlouho, dokud máte slušnou statistickou pravděpodobnost přežití.



Z toho vyplývá, že malý spěchající hlodavec jako myš má málo co získat tím, že hodně investuje do údržby, protože to pravděpodobně stejně skončí jako oběd dravce během několika měsíců. Tato nízká investice znamená, že by měla stárnout rychleji. Naproti tomu druhy, jako jsou velryby a sloni, jsou méně náchylné k predaci nebo jiným náhodným úderům osudu a pravděpodobně přežijí dostatečně dlouho, aby mohly těžit z výhod lépe udržovaného buněčného aparátu. Není také žádným překvapením, že skupiny jako ptáci a netopýři - které mohou uniknout nepřátelům létáním - mají tendenci žít déle, než byste očekávali vzhledem k jejich velikosti, říká Kirkwood. Totéž by platilo pro nahé krtky, které žijí svůj život v podzemních norách, kde jsou do značné míry v bezpečí před predátory.

Ale otázka, na kterou vědci nejnaléhavěji chtějí odpovědět, je druhá: Jak dokážou druhy s dlouhým životem oddálit stárnutí? I zde se začíná objevovat obrys odpovědi, protože vědci porovnávají druhy, které se liší v dlouhověkosti. Zjistili, že druhy s dlouhou životností akumulují molekulární poškození pomaleji než ty s kratší životností. Například holé krysy mají neobvykle přesný ribozom, buněčnou strukturu zodpovědnou za shromažďování proteinů. To dělá jen o desetinu více chyb než normální ribozomy , podle studie vedené Věrou Gorbunovou, biologkou z University of Rochester. A nejde jen o krysy krtků: V následné studii porovnávající 17 druhů hlodavců s různou délkou života zjistil Gorbunova tým, že obecně delší druhy měly tendenci mít přesnější ribozomy .

Podle výzkumu vedeného Rochelle Buffenstein, srovnávací gerontologkou v Calico, spinoff Google zaměřený na výzkum stárnutí, jsou bílkoviny krys nahých krtků také stabilnější než proteiny jiných savců. Buňky tohoto druhu mají větší počet tříd molekul nazývaných chaperony, které pomáhají proteinům správně se skládat. Také mají energičtější proteazomy , struktury, které likvidují vadné proteiny. Tyto proteazomy se stanou ještě aktivnějšími, když čelí oxidačnímu stresu, reaktivním chemikáliím, které mohou poškodit proteiny a další biomolekuly; na rozdíl od toho se proteazomy myší stávají méně účinnými, což umožňuje akumulaci poškozených proteinů a zhoršuje fungování buněk.

Moudrost Albatros

Tento Laysanský albatros má nejméně 69 let, což z ní dělá nejstaršího známého ptáka na světě. V listopadu 2020 položila vajíčko do hnízda na atolu Midway v Tichém oceánu, což naznačuje, že jemně stárne.(Jon Brack / Friends of Midway Atoll NWR)

Také DNA se zdá být lépe udržována u savců s delším životem. Když tým Gorbunova porovnal účinnost, s jakou 18 druhů hlodavců opravilo určitý druh poškození (nazývaného dvouvláknový zlom) v jejich molekulách DNA, zjistili, že druhy s delší délkou života, jako jsou holé krysy a bobři, překonaly kratší životnost druhy jako myši a křečci. Rozdíl byl do značné míry způsoben a výkonnější verze genu známého jako Sirt6 , o kterém již bylo známo, že ovlivňuje délku života u myší.

o čem je kabina knihy strýčka Toma

Sledování epigenetických hodin

Ve stáří zvířat však netrpí jen samotné geny, ale také jejich vzor aktivace. Důležitým způsobem, jak buňky zapínají a vypínají geny ve správnou dobu a na správném místě, je připojení chemických značek nazývaných methylové skupiny k místům, která řídí aktivitu genů. Ale tyto značky - známé také jako epigenetické značky - mají tendenci být v průběhu času náhodnější, což vede ke snížení přesnosti genové aktivity. Genetik Steve Horvath z UCLA a jeho kolegové ve skutečnosti zjistili, že hodnocením stavu souboru téměř 800 methylačních míst rozptýlených po genomu mohou spolehlivě odhadnout věk jedince ve vztahu k maximální délce života jeho druhu . Tyto epigenetické hodiny platí pro všech 192 druhů savců, které Horvathův tým dosud zkoumal.

Je pozoruhodné, že epigenetické známky savců s delším životem se degradují déle, což pravděpodobně znamená, že jejich geny udržují mladistvou aktivitu déle. U netopýrů například nejdelší netopýři mají často nejpomalejší rychlost změn v methylacích zatímco druhy s kratší životností se mění rychleji (viz diagram).

Bat Longevity

Druhy netopýrů, které lépe regulují aktivitu svých genů, mají také tendenci žít déle. U 26 druhů netopýrů s různou délkou života vědci porovnali rychlost methylace DNA - ukazatel, jak rychle se naruší genová aktivita zvířat - s jejich poměrem dlouhověkosti, který ukazuje, jak dlouho každý druh žije v porovnání s typickým savcem jeho velikosti těla.(G.S. Wilkinson et al. / Nature Communications 2021)

Horvath hledá hlouběji a zjišťuje, že některá metylační místa mohou předpovídat délku života druhu bez ohledu na věk, ve kterém je vzorkuje. Pro mě je to zázrak, říká. Řekněme, že jdete do džungle a najdete nový druh - může to být nový netopýr nebo jakýkoli jiný savec. Můžu vám docela přesně říct maximální životnost druhu. Metylační stopy také předpovídají maximální životnost psích plemen, která se mohou ukázat jako důležitý studijní organismus pro stárnutí (viz postranní panel: Co Rover ví). Horvath zjistí, že tyto methylace související s délkou života bývají spojovány s geny souvisejícími s vývojem, ačkoli podrobnější souvislosti je ještě třeba vypracovat. Doufá, že tato práce, která dosud nebyla zveřejněna, může výzkumníky nakonec nasměrovat k genům, které jsou klíčové pro regulaci délky života a stárnutí.

Zdokonalení molekulárních technik již dává vědcům výkonnější nástroje k vyrušování způsobů, jakými se mohou mimořádně dlouhověké organismy lišit od běžných. Jedna slibná technika zahrnuje sekvenování nikoli DNA v buňkách, ale messengerové RNA. Jednotlivé geny jsou kopírovány do mRNA jako první krok při produkci proteinů, takže sekvenování mRNA odhaluje, které geny v genomu jsou v daném okamžiku aktivní. Tento profil - označovaný jako transkriptom - poskytuje dynamičtější pohled na aktivitu buňky, než jen výpis genů v genomu.

Gladyshevův tým například sekvenoval transkriptomy buněk z jater, ledvin a mozku 33 druhů savců a poté hledal vzorce, které korelovaly s délkou života. Zjistili spoustu, včetně rozdílů v úrovních aktivity mnoho genů zapojených do funkcí udržování buněk, jako je oprava DNA, antioxidační obrana a detoxikace .

Jiné cesty ke stáří

Teelingův tým studoval nedávno Myotis myotis netopýři z pěti úkrytů ve Francii po dobu osmi let, každý rok odchytávají každého netopýra a odebírají malé vzorky krve pro sekvenování transkriptomů. To jim umožnilo sledovat, jak se transkriptomy netopýrů změnily, jak stárly, a porovnat postup s myšmi, vlky a lidmi - jedinými dalšími druhy, pro které byla k dispozici podobná dlouhodobá data transkriptomů. Teeling uvažoval, jak stárnou netopýři, a vykazují stejnou dysregulaci, jakou bychom prokázali, když stárneme?

Ukázalo se, že odpověď byla ne. Zatímco ostatní savci produkovali méně a méně molekul mRNA souvisejících s udržovacími funkcemi, jako je oprava DNA a stabilita proteinu, čím starší byli, netopýři ne. Namísto, zdálo se, že jejich systémy údržby s přibývajícím věkem zesilují , produkující více mRNA souvisejících s opravami.

Skeptici poznamenávají, že stále chybí přesvědčivé důkazy, protože přítomnost více molekul mRNA nemusí nutně znamenat účinnější údržbu. Je to důležitý první krok, ale je to jen to, říká Steven Austad, biogerontolog z University of Alabama v Birminghamu. Skutečnost, že analýza identifikovala procesy, které již byly spojeny s dlouhověkostí, jako je oprava DNA a údržba bílkovin, naznačuje, že další geny označené touto metodou mohou být pevnými vodítky: Mohli bychom se pak podívat na nové cesty, které nemáme přesto prozkoumáno, říká Teeling. Tým zejména zjistil 23 genů, které se stárnutím u netopýrů stávají mnohem aktivnějšími, u jiných savců méně aktivními. Nyní se na tyto geny dívají s velkým zájmem v naději, že objeví nové páky, které změní průběh stárnutí.

thurgood marshall brown v školní radě

Jedním z principů, které se začínají objevovat ze srovnávacích studií stárnutí, je to, že různé druhy mohou následovat různé cesty k dlouhověkosti. Například všichni savci s dlouhým poločasem rozpadu musí oddálit nástup rakoviny. Sloni to dělají tím, že mají více kopií klíčových genů potlačujících nádory, takže každá buňka má zálohy, pokud se jeden gen zlomí během opotřebení života. Nahé krysy krtka naopak získávají rezistenci na rakovinu díky neobvyklé molekule zapojené do slepování buněk, zatímco velryby grónské zesílily své cesty opravy DNA.

Bowhead Whale

Velrybáři se blíží k velrybě bowhead ( Balaeana mysticetus ) na tomto výkresu z knihy z roku 1889. Vědci odhadují, že životnost velryb grónských je nejméně 200 let - mnohem delší, než se očekávalo, a to i při jejich velikosti. Jedním z důvodů, proč žijí tak dlouho, je to, že mají neobvykle energické procesy opravy DNA, které zpomalují akumulaci poškození v jejich genomech.(W.F. Kirby / Natural History of the Animal Kingdom for the Use of Young People 1889)

Gerovědci mají tendenci pohlížet na tuto rozmanitost řešení jako na pomoc při jejich hledání, ne jako na problém. To dělá naši práci obtížnější, ale ve skutečnosti zajímavější, říká Austad. Studiem rozmanitosti způsobů, jak dosáhnout pomalého stárnutí a dlouhého života, si myslím, že pravděpodobně narazíme na věci, které se snáze překládají na člověka.

Můžeme žít delší a zdravější život tím, že se naučíme být více jako nahé krysy, netopýry a velryby grónské? Ne tak brzy - ale první výsledky výzkumu těchto zvířat Methuselahs ukazují jednoznačný příslib.

Poznatelný

Známý časopis je nezávislá novinářská práce z výročních recenzí.



^