Ученые из Еврейского университета совместно с коллегами из Университета Восточной Англии нашли прямое молекулярное подтверждение давней эволюционной гипотезе. Речь идет о теории антагонистической плейотропии, которая утверждает, что определенные гены могут быть полезны на ранних этапах жизни, но становятся разрушительными в старости.
Найдены гены, ускоряющие рост в молодости, но разрушающие организм в старости
Международная группа ученых обнаружила генетический механизм, который обеспечивает быстрое развитие в молодости, но неизбежно разрушает организм в пожилом возрасте. Исследователи экспериментально доказали теорию, согласно которой природа отдает приоритет раннему размножению в ущерб долголетию. Открытие может полностью изменить подходы к борьбе со старением и онкологией.
Рыбки киллифиш становятся все более популярной моделью для изучения генетической архитектуры старения и возрастных патологий, которые часто демонстрируют половые различия между самками (слева) и самцами (справа). Itamar Harel
Африканская бирюзовая киллифиш, использованная в эксперименте, является уникальной моделью для изучения старения. Из-за пересыхания водоемов в естественной среде обитания ее жизненный цикл длится всего несколько месяцев. За это короткое время она успевает родиться, вырасти и дать потомство. Такая скорость делает ее идеальным и очень быстрым инструментом для проверки сложнейших генетических гипотез.
Долгое время исследователям не удавалось выявить конкретные участки ДНК, отвечающие за этот компромисс у позвоночных. В новой работе, опубликованной в журнале Nature Communications, ученые обратили внимание на ген vgll3, который ранее связывали со сроками полового созревания у людей и других видов, например, у атлантического лосося.
Трехмесячная киллифиш (слева) и пятимесячная киллифиш (справа) демонстрируют признаки старения, очень похожие на те, что наблюдаются у людей.
В качестве модельного организма ученые использовали африканскую бирюзовую киллифиш — короткоживущую рыбку, ставшую идеальным объектом для генетических исследований старения. С помощью технологии CRISPR исследователи модифицировали этот ген, что привело к поразительным результатам. Рыбы с измененным vgll3 росли значительно быстрее и достигали половой зрелости в разы раньше своих сородичей, что в дикой природе дает колоссальное репродуктивное преимущество. Но за такой успех в молодости рыбкам пришлось заплатить очень высокую цену.
Плата за жизненную силу
Анализ отдельных клеток яичка и яичника рыб 1-месячного возраста. Схематическое представление алгоритма анализа отдельных клеток (слева). Результаты аппроксимации и проекции на однородное многообразие (UMAP) соматических клеток гонад, сгруппированных в кластеры и обозначенных цветом в зависимости от типа клеток (в центре). График UMAP, отражающий экспрессию гена vgll3 в определенных типах клеток (справа).
Ускоренное развитие обернулось резким сокращением продолжительности жизни рыб и высокой частотой возникновения возрастных опухолей, включая меланому. Дальнейший анализ показал, что vgll3 напрямую влияет на ключевые биологические процессы: деление клеток, активность стволовых клеток и восстановление ДНК. Высокая клеточная активность помогает организму бурно развиваться в молодости, но со временем приводит к накоплению критических повреждений и поломок.
Чтобы глубже изучить этот процесс, исследователи даже создали новую модель рыбы с иммунодефицитом, что позволило им успешно пересаживать и детально изучать раковые клетки в организме рыбок. Поскольку ген vgll3 присутствует и у человека, открытие имеет важнейшее значение для медицины. Понимание этих механизмов дает надежду на то, что в будущем ученые смогут научиться разделять полезные эффекты гена в молодости и его смертоносные последствия в старости, продлевая здоровую жизнь людей.
Соавтор работы профессор Итамар Харель говорит: «Мы фактически поймали эволюцию с поличным в момент компромисса. На протяжении многих лет мы задавались вопросом, почему наши тела не могут просто поддерживать себя бесконечно. Этот ген дает нам прямой ответ: долголетие — не приоритет природы, ее приоритет — воспроизводство. Мы созданы для спринта, а не для марафона».