CC BY
59
СТАРЕНИЕ И ДОЛГОЛЕТИЕ, БОЛЕЗНИ ЗРЕЛОГО ВОЗРАСТА
© м. В. шапошников,
А. А. москалев, Е. В. турышева
Институт биологии
Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар
Репродукция и продолжительность жизни отрицательно взаимосвязаны, однако дифференциальный вклад поведенческой составляющей и затрат на производство гамет в составе «цены за репродукцию» в зависимости от пола изучены слабо. В настоящей работе показано, что у обоих полов поведенческая составляющая вносит основной вклад в «цену за репродукцию». молекулярные сигналы со стороны гонад перекрывают затраты на производство гамет.
' ключевые слова:
продолжительность жизни, стерильность, половой диморфизм, затраты на репродукцию
ВЛИЯНИЕ ИНДУЦИРОВАННОЙ СТЕРИЛЬНОСТИ И ВИР-ГИННОСТИ НА ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ САМЦОВ И САМОК DROSOPHILA MELANOGASTER
ВВЕДЕНИЕ
Взаимосвязь между репродукцией и продолжительностью жизни можно рассматривать с нескольких позиций:
1) с точки зрения эволюционных теорий старения, предсказывающих антагонизм этих двух составляющих приспособленности вида;
2) молекулярно-физиологических взаимодействий герминальных и соматических тканей на уровне индивидуального организма и
3) конкурентных взаимоотношений между полами.
Эволюционные теории старения предполагают существование генетического (теория антагонистической плейотропии) [31] или метаболического (теория отработанной сомы) [14] компромиссов между выживаемостью и плодовитостью.
Согласно теории антагонистической плейотропии, гены, имеющие положительный эффект на приспособленность и плодовитость в раннем возрасте, могут поддерживаться естественным отбором, несмотря на отсроченный вредный эффект, приводящий к старению во второй половине жизненного цикла [31]. Подтверждением этой теории могут служить результаты экспериментального отбора Drosophila melanogaster по признаку поздней репродукции, которые приводят к увеличению продолжительности жизни и снижению плодовитости молодых особей [27].
В соответствии с теорией отработанной сомы (disposable soma theory) репродукция и продолжительность жизни отрицательно взаимосвязаны. Организм имеет ограниченные энергетические ресурсы и поэтому сталкивается с необходимостью распределять их между затратами на поддержание жизнеспособности и затратами на размножение [14]. При неблагоприятных условиях среды происходит распределение ресурсов в пользу увеличения плодовитости, что отрицательно сказывается на продолжительности жизни, но увеличивает шансы вида на выживание. В благоприятных условиях оптимальным является поддержание жизни, а шансы оставить потомство высоки даже при небольшой плодовитости. В пользу теории отработанной сомы свидетельствуют данные о высокой продолжительности жизни у видов млекопитающих и птиц с низкой плодовитостью [11, 24], а также результаты экспериментального увеличения уровня репродукции у самок Drosophila melanogaster, приводящего к снижению продолжительности жизни [21].
На уровне индивидуального организма снижение репродукции часто ведет к увеличению продолжительности жизни. Особенно четко это проявляется на однократно размножающихся организмах. Например, дореп-родукционная кастрация тихоокеанского лосося [25] и сумчатой мыши [5] приводит к значительному удлинению срока их жизни. Вызванное стерильностью увеличение продолжительности жизни наблюдается также у самцов нематод [2]. В настоящее время большое количество работ посвящено вскрытию молекулярных механизмов взаимодействия между гонадами и
сомой (см. напр. [4]), но слабо изученным остается вопрос о роли гонад в формировании полового диморфизма по продолжительности жизни [ 1 ].
Кроме того, взаимосвязь репродукции и продолжительности жизни можно рассматривать с позиции взаимодействия между полами. Известно, что размножающиеся особи различных видов насекомых живут меньше виргин-ных [6]. Существующие затраты на репродукцию имеют особенности в зависимости от пола. У самок они включают продукцию яиц [21], прием ухаживаний [7], повреждающие эффекты копуляции [10, 22] и токсическое действие белков семенной жидкости [8, 17, 30]. У самцов затраты на размножение связаны с ухаживанием и совокуплением [20], а также продукцией спермы [9, 28, 29].
По нашему мнению, исследования на стерильных скрещивающихся или виргинных особях могут прояснить взаимосвязь между репродукцией и продолжительностью жизни во всех аспектах данной проблемы. В настоящей работе проведено исследование роли виргинности и стерильности в формировании различий по продолжительности жизни у самок и самцов Drosophila melanogaster.
В отличие от аналогичных работ, проводимых на дрозофиле другими авторами, мы применили принципиально новый подход — индукцию стерильности методом гибридного дисгенеза. Данный метод имеет ряд преимуществ по сравнению с использованием мутаций с эффектом стерильности. Это прежде всего: 1) одинаковый генетический фон у плодовитых и стерильных гибридов, являющихся потомками реципрокных скрещиваний $М х ^р и $Р х ^М, 2) отсутствие у гибридов инбри-динговой депрессии, 3) отсутствие снижающих жизнеспособность соматических нарушений, которые могут возникать при мутациях стерильности с плейотропным эффектом, 4) избирательная гибель у самцов и самок пролиферирующих клеток зародышевой линии [19], которые, возможно, у дрозофилы, как и у нематоды, являются источником молекулярных сигналов, влияющих на продолжительность жизни со стороны гонад [2, 4, 12].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В экспериментах использовали линии, полученные из коллекции дрозофилиного Центра в Блумингтоне (Университет штата Индиана, Блумингтон, США): Harwich — стандартная P-линия дикого типа, которая характеризуется сильным потенциалом индукции гонадной стерильности при скрещивании самцов этой линии с самками М-линий; Canton-S — лабораторная линия дикого типа, известная как М-линия [13].
С целью получения стерильных особей ставили прямые (?М х $Р) и обратные ($Р х $М) скрещивания. Уровень индукции дисгенной стерильности сильно зависит от температуры, при которой идет развитие гибридов и достигает наибольших значений при 29 °С у самок и при 27 °С у самцов, а при 24 °С и ниже практически отсутствует [13]. Поэтому
при развитии гибридов поддерживали температуру 29 °С, а для контроля за уровнем индукции стерильности проводили визуальную оценку состояния семенников и яичников с помощью теста на атрофию гонад [26]. Перед проведением теста на атрофию гонад, вылетевших из куколки мух в течение 2—3 дней содержали на питательной дрожжевой среде до полного созревания. Яичники и семенники выделяли в холодном растворе Рингера при 30-кратном увеличении под бинокулярным микроскопом. В каждом из вариантов эксперимента проводили анализ атрофии гонад у 50 мух обоего пола.
Продолжительность жизни анализировали у виргин-ных и скрещивающихся самок и самцов линий Canton-S и Harwich, а также потомков F1 от скрещиваний мух данных линий. Для скрещиваний брали по 20—25 пар мух на 50 мл баночку и получали суточную кладку. Для анализа продолжительности жизни отбирали особей F1. В баночки емкостью 100 мл рассаживали по 50 однополых особей (виргинные мухи) или по 50 особей разного пола (скрещивающиеся мухи). Один раз в неделю мух пересаживали на свежую дрожжевую среду без наркотизации. У скрещивающихся самок среду меняли чаще, около двух раз в неделю, не допуская ее размягчения появляющимися личинками. Подсчет умерших мух осуществляли ежедневно, в одно и тоже время, за исключением субботы и воскресенья. Для облегчения процедуры подсчета умерших мух, скрещивающихся самок и самцов содержали с особями противоположного пола, несущих маркерные признаки white (белые глаза) и yellow (желтое тельце). Анализ продолжительности жизни проводили только у немаркированных особей.
Функции дожития оценивали с помощью процедуры Каплана-Мейера и представляли в виде кривых дожития [15]. При статистической обработке результатов применяли непараметрические методы. При сравнении функций дожития использовали модифицированный критерий Колмогорова-Смирнова [18]. Критерии Геха-на-Бреслоу-Вилкоксона и Ментеля-Кокса использовали для оценки достоверности различий по медианной продолжительности жизни [15]. Дополнительно оценивали максимальную продолжительность жизни, возраст гибели 90 % выборки и время удвоения интенсивности смертности (MRDT). Для обработки полученных результатов были использованы программы WinModest v 1.0.2 [23] и Statistica v 6.1 (StatSoft).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Одна из основных задач нашей работы заключалась в исследовании влияния стерильности на половой диморфизм по продолжительности жизни у виргинных и скрещивающихся особей. Оценку уровня индукции стерильности в F1 для скрещиваний по схеме гибридного дисгенеза проводили с помощью теста на атрофию гонад [26]. Согласно проведенному анализу, уровень стериль-
ности у самцов и самок F1 для скрещивания $М х б'Р составил 100 %, у самцов и самок F1 для скрещивания $Р х ^М атрофии гонад не наблюдалось. У родительских линий в М и Р стерильность также не обнаружена. Таким образом, высокий уровень индукции стерильности у гибридов F1 для скрещивания $М х ^Р позволяет использовать их для выполнения задач эксперимента.
Из экспериментов на нематоде известно, что молекулярные сигналы, исходящие от пролиферирующих клеток зародышевой линии, сокращают продолжительность жизни плодовитых гермафродитных особей и самцов [2,
12, 28]. Однако у Caenorhabditis elegans отсутствуют самки, и поэтому она не подходит для изучения половых различий вклада гонад в старение. Данный недостаток может быть восполнен исследованиями на дрозофиле, имеющей оба пола.
Результаты, полученные нами и другими авторами, показывают увеличение продолжительности жизни у стерильных самцов [1, 16], в то же время у стерильных самок наблюдается снижение продолжительности жизни [1, 3]. Основываясь на различиях в эффектах стерильности на продолжительность жизни между гермафродитными особями нематоды и самками дрозофилы, д-р Барнс и соавторы высказали предположение об отсутствии эволюционной консервативности по механизму, модифицирующему продолжительность жизни со стороны гонад между круглыми червями и мухами [3]. Однако у нематод нет самок, поэтому эффекты снижения продолжительности жизни стерильных самок дрозофилы приписывать отсутствию консервативности преждевременно. Логичнее предположить, что молекулярные сигналы от женских и мужских гонад влияют на продолжительность жизни различным образом [1]. В то время как семенники индуцируют механизм, сокращающий продолжительность жизни самцов, яичники являются источником сигнала, увеличивающего продолжительность жизни самок [ 1 ]. Данные по возрасту гибели 90 % выборки, представленные на рисунке 1, демонстрируют снижение продолжительности жизни стерильных самок по сравнению с плодовитыми самками и
Скрещивающиеся Виргинные Скрещивающиеся Виргинные Самки Самцы
Рис. 1. Время смертности 90 % выборки виргинных и скрещивающихся мух (■ — стерильные, □ — плодовитые)
увеличение продолжительности жизни стерильных самцов в сравнении с плодовитыми самцами. Речь идет о выравнивании продолжительности жизни стерильных самцов и самок, в отличие от плодовитых особей, имеющих большую продолжительность жизни самок (рис. 1, табл. 1). Таким образом, полученные в настоящей работе данные подтверждают сделанное нами ранее предположение об определяющей роли гонад в формировании половых различий по продолжительности жизни у дрозофилы.
Важным аспектом взаимоотношения между размножением и продолжительностью жизни являются затраты на репродукцию, предсказываемые теорией отработанной сомы [14] и получившие экспериментальное подтверждение [21]. Затрачивая энергию и ресурсы на продукцию гамет [21] и брачное поведение [7, 20], особи обоего пола снижают свою жизнеспособность и, как следствие, живут меньше. Полученные нами результаты также свидетельствуют, что скрещиваемость, в форме затрат на репродукцию, отрицательно влияет на продолжительность жизни и самцов, и самок (рис. 1, табл 1). Мы предприняли попытку выяснить дифференциальный вклад поведенческой составляющей и затрат на производство половых продуктов у самок и самцов. Для этого провели анализ продолжительности жизни у стерильных и плодовитых особей, которые или оставались виргинными или скрещивались в течение жизни (рис. 1 и 2, табл. 1). Анализ возраста гибели 90 % выборки показывает, что в то время как стерильные скрещивающиеся самки живут на 7 % меньше, чем плодовитые скрещивающиеся, стерильные виргинные самки живут на 13 % дольше плодовитых скрещивающихся (рис.1). Таким образом, отсутствие негативного вклада поведенческой составляющей у самок значительно перевешивает недостаток стимулирующего влияния гонад (табл. 2). На этом фоне у самок практически не виден негативный вклад затрат на производство половых продуктов. Это позволяет сделать вывод о преобладании вклада в продолжительность жизни поведенческой составляющей размножения над затратами на яйцепродукцию.
В противоположность самкам, продолжительность жизни стерильных скрещивающихся самцов по сравнению с плодовитыми скрещивающимися самцами увеличивается (табл. 1). У стерильных виргинных самцов наблюдается дальнейшее существенное увеличение продолжительности жизни по сравнению со стерильными и плодовитыми скрещивающимися самцами (табл. 1). В отличие от самок, сигналы от гонад и затраты на производство половых продуктов у самцов имеют однонаправленное, негативное влияние на продолжительность жизни (табл. 2). Тогда как стерильные скрещивающиеся самцы живут на 13 % (по возрасту гибели 90 % выборки) дольше плодовитых, виргинные стерильные живут дольше на 53 %. Очевидно, что у них, как и у самок, затраты на выработку половых продуктов гораздо меньше поведенческой составляющей размножения.
Таблица 1
Влияние виргинности и стерильности на продолжительность жизни Drosophila melanogaster
Скрещивание (? х в) Ё а и р В Продолжительность жизни самок (сут) Продолжительность жизни самцов (сут)
M X ± Дт Min Max 90 % MRDT N M X ± Дт Min Max 90 % MRDT N
М х р стерильные Виргинные (опыт) * 6 67,9 ± 0,8 23 88 77 4,8 96 76 * 70,7±2,2 4 88 84 6,1 65
р х М плодовитые * 6 64,3 ± 2,7 15 89 86 9,8 43 60 * 57,5±1,4 21 77 69 5,7 70
М х М родители * 5 54 ±2,9 14 93 79 12,9 43 58 * 52,4±2 14 75 64 7,0 50
р х р родители 59 * 52,3 ± 3,1 14 88 77 13,0 41 48 * 46,9±1 17 63 52 4,3 50
М х р стерильные Скрещивающиеся (контроль) 59 57,3 ± 1 28 79 63 5,1 80 51 51,4±0,8 20 75 62 6,4 146
р х М плодовитые 58 55 ± 1,4 15 85 68 8,1 93 41 42,7±0,7 18 72 55 7,4 157
М х М родители 47 48,6 ± 1,8 21 85 65 10,9 49 42 37,7±1,8 9 58 52 7,3 49
р х р родители 47 48,1 ± 1,5 25 64 59 5,9 46 41 41,3±1 11 57 48 4,4 60
* — p < 0,001, критерий Гехана-Бреслоу-Вилкоксона. Продолжительность жизни: M — медианная; X ± Дт — средняя ± ошибка средней; Min — минимальная; Max — максимальная. 90 % — возраст гибели 90 % выборки; MRDT — время удвоения интенсивности смертности; N — количество особей в выборке
Рис. 2. Функции дожития скрещивающихся и виргинных мух Примечание: А — самки;
В — самцы
---- скрещивающиеся плодовитые;
---- скрещивающиеся стерильные;
—— виргинные плодовитые;
.... виргинные стерильные.
Таблица 2
дифференциальный вклад поведенческой составляющей и затрат на производство половых продуктов в составе затрат на репродукцию для продолжительности жизни Drosophila melanogaster в зависимости от пола
Вариант Факторы, определяющие продолжительность жизни со стороны репродукции 90 %, сут
Наличие Отсутствие
Самки
стерильные скрещивающиеся 1; 3 2 63
плодовитые скрещивающиеся 1; 2 3 68
стерильные
виргинные 3 1; 2 77
плодовитые виргинные 2 1; 3 86
Самцы
плодовитые скрещивающиеся 1; 2; 3 55
стерильные скрещивающиеся 1 2; 3 62
плодовитые
виргинные 2; 3 1 69
стерильные
виргинные 1; 2; 3 84
1 — поведенческие затраты; 2 — затраты на продукцию гамет; 3 — сигналы со стороны клеток зародышевой линии (положительно влияют на продолжительность жизни самок и отрицательно — самцов [1]). 90 % — возраст гибели 90 % выборки, сут
Таким образом, перераспределение энергетических и пластических ресурсов с поддержания сомы на производство половых продуктов, положенное в основу теории отработанной сомы, не является значительным на фоне негативного сигналлинга гонад у самцов и позитивного — у самок, а также поведенческих затрат на репродукцию. Необходим пересмотр данной эволюционной теории старения с привлечением новых экспериментальных подходов. Например, могут потребоваться дополнительные исследования на мутантах, у которых присутствуют пролиферирующие клетки зародышевой линии, но нарушен гаметогенез.
Работа поддержана программой президиума РАН по фундаментальным наукам и грантом Президента РФ для молодых докторов.
Литература
1. Шапошников М. В. Влияние дисгенной стерильности на половой диморфизм по продолжительности жизни у Drosophila melanogaster У Шапошников М. В., Москалев А. А. УУ Успехи геронтол. — 2007. — Т. 20, № 1. — С. 40-46.
2. Amntes-Oliveim N. Regulation of life-span by germ-line stem cells in Caenorhabditis elegans / Arantes-Oliveira N., Apfeld J., Dillin A., Kenyon C. // Science. — 2002. — Vol. 295, N 5554. — P 502-505.
3. Barnes A. I. No extension of lifespan by ablation of germ line in Drosophila / Barnes A. I., Boone J. M., Jacobson J. [et al.] // Proc. R. Soc. B. — 2006. — Vol. 273, N 1589. — P 939-947.
4. BecksteadR.B. Indicted: worms caught using steroids / Beckstead R.B., Thummel C.S. // Cell. — 2006. — Vol. 124, N 6. — P 1137-1140.
5. Bradley A. J. Stress and mortality in a small marsupial (Antechinus stuartii, Macleay) / Bradley A.J., McDonald I. R., Lee A.K. // Gen. Comp. Endocrinol. —
1980. — Vol. 40, N 2. — P 188-200.
6. Carey J. R. A mortality cost of virginity at older ages in female Mediterranean fruit flies / Carey J. R., Liedo P, Harshman L. [et al.] // Exp. Gerontol. — 2002. — Vol. 37, N 4. — P 507-512.
7. Chapman T. A cost of mating with males that do not transfer sperm in female Drosophila melanogaster / Chapman T. // J. Insect Physiol. — 1992. — Vol. 38, N 3. — P 223-227.
8. Cost of mating in Drosophila melanogaster females is mediated by male accessory gland products / Chapman T., Liddle L.F., Kalb J.M. [et al.] // Nature. — 1995. — Vol. 373, N 6511. — P 241-244.
9. Dewsbury D. A. Ejaculate cost and male choice / Dewsbury D. A. // Am. Nat. — 1982. — Vol. 119, N 5. — P 601-610.
10. Eady P. E. Copulation, genital damage and early death in Callosobruchus maculatus / Eady PE., Hamilton L., Lyons R.E. // Proc. R. Soc. B. — 2007. — Vol. 274, N 1607. — P 247-252.
11. Holmes D. J. Comparative biology of aging in birds: an update / Holmes D.J., Fluckiger R., Austad S. N. // Exp. Gerontol. — 2001. — Vol. 36, N 4-6. — P. 869-883.
12. Hsin H. Signals from the reproductive system regulate the lifespan of C. elegans / Hsin H., Kenyon C. // Nature. — 1999. — Vol. 399, N 6734. — P 362-366.
13. Kidwell M. G. Hybrid dysgenesis in Drosophila
melanogaster: sterility resulting from gonadal
dysgenesis in the P-M system / Kidwell M. G., Novy J. B. // Genetics. — 1979. — Vol. 92, N 4. — P. 1 127-1 140.
14. Kirkwood T. B. L. The disposable soma theory of aging / Kirkwood T. B. L. // Ed. D. E. Harrison Genetic Effects of Aging II — Caldwell, NJ: Telford Press, 1990. — P 9-19.
15. Kleinbaum D. G. Survival analysis: a self-learning text / Kleinbaum D. G., Klein M.; ed. M. Gail [et al.]. — New York, NY: Springer, 2005. — 590 p.
16. Konac T. The effect of hybrid dysgenesis on life span of Drosophila / Konac T., Bozcuk A. N., Kence A. // AGE. — 1995. — Vol. 18, N 1. — P 19-23.
17. Lung O. The Drosophila melanogaster seminal fluid protein Acp62F is a protease inhibitor that is toxic upon ectopic expression / Lung O., Tram U., Finnerty C. M. [et al.] // Genetics. — 2002. — Vol. 160, N 1. — P 211-224.
18. Marascuilo L. A. Nonparametric and distribution-free methods for the social sciences / Marascuilo L. A., McSweeney M.; ed. R.E. Kirk. — Monterey, Calif.: Brooks/Cole Pub. Co., 1977. — 556 p.
19. Niki Y. Developmental analysis of the gonadal sterility of P-M hybrid dysgenesis in Drosophila melanogaster / Niki Y., Chigusa S.I. // Jpn. J. Genet. — 1986. — Vol. 61, N — P 147-156.
20. Partridge L. D. Sexual activity reduces lifespan of male fruitflies / Partridge L.D., Farquhar M. // Nature. —
1981. — Vol. 294, N 5841. — P 580-582.
21. Partridge L. D. Effects of egg-production and of exposure to males on female survival in Drosophila melanogaster / Partridge L. D., Green A., Fowler K. // J. Insect Physiol. — 1987. — Vol. 33, N 10. — P 745-749.
22. Pitnick S. Harm to females increases with male body size in Drosophila melanogaster / Pitnick S., Garcia-Gonzalez F. // Proc. R. Soc. B. — 2002. — Vol. 269, N 1502. — P 1821-1828.
23. Pletcher S. D. Model fitting and hypothesis testing for age-specific mortality data / Pletcher S. D. // J. Evol. Biol. — 1999. — Vol. 12, N 3. — P. 430-439.
24. Read A. R. Life history differences among the eutherian radiations / Read A. R., Harvey P. H. // J. Zool. — 1989. — Vol. 219, N 3. — P 329-353.
25. Robertson O. H. Prolongation of the life span of kokanee salmon (Oncorhynchus nerka kennerlyi) by castration before beginning of gonad development / Robertson O. H. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 1961. — Vol. 47, N 4. — P 609-621.
26. Schaefer R. E. Hybrid dysgenesis in Drosophila melanogaster: morphological and cytological studies of ovarian dysgenesis / Schaefer R. E., Kidwell M. G., Fausto-Sterling A. // Genetics. — 1979. — Vol. 92, N 4. — P. 1141-1152.
27. Sgro C. M. A delayed wave of death from reproduction in Drosophila / Sgro C. M., Partridge L. // Science. — 1999. — Vol. 286, N 5449. — P. 2521-2524.
28. Van Voorhies W. A. Production of sperm reduces nematode lifespan / Van Voorhies W A. // Nature. — 1992. — Vol. 360, N 6403. — P 456-458.
29. Wedell N. Sperm competition, male prudence and sperm-limited females / Wedell N., Gage M. J. G., Parker G.A. // Trends Ecol. Evol. — 2002. — Vol. 17, N 7. — P. 313-320.
30. Wigby S. Sex peptide causes mating costs in female Drosophila melanogaster / Wigby S., Chapman T. // Curr. Biol. — 2005. — Vol. 15, N 4. — P. 316-321.
31. Williams P. D. Pleiotropy, natural selection and the evolution of senescence / Williams P. D. // Evolution. — 1957. — Vol. 11, N 4. — P 398-411.
The influence of virginity and induced sterility on Drosophila melanogaster females and males life span
Shaposhnikov M. V., Moskalev A. A., Turysheva E. V.
' SUMMARY: Reproduction and life span are negatively interrelated in both sexes, however sex differences in costs of reproduction are poorly understood. It was shown that mating cost has a main contribution to costs of reproduction in both sexes. Molecular signals from gonads exceed cost of gametes production.
' KEY WORDS: life span, sterility, sexual dimorphism
