Souvislosti mezi velikostí mozku, genovými rodinami a maximální délkou života u savců
Nedávná studie zkoumala rozdíly v maximálním potenciálu délky života u různých druhů savců. Vědci objevili souvislosti mezi expanzí velikosti genové rodiny, maximálním potenciálem délky života a relativní velikostí mozku. Rovněž studovali genomické rysy spojené s evolucí délky života.
Maximální potenciál délky života
Maximální potenciál délky života lze definovat jako „věk úmrtí (dlouhověkost) nejstaršího jedince, který byl kdy zaznamenán u daného druhu“, a to jak ve volné přírodě, tak v zajetí, kde nehrozí rizika úmrtí predací nebo omezenými zdroji.
Vnitřní biologické faktory určují maximální potenciál délky života a u savců se velmi liší, od méně než jednoho roku u některých druhů rejskovitých až po dvě stě let u velryb grónských. Genetické rozdíly těchto druhů byly studovány za účelem zkoumání základních biologických procesů, které vedou k těmto rozdílům v délce života. Předchozí práce identifikovaly změny v genech souvisejících s opravou DNA, regulací buněčného cyklu, rakovinou a stárnutím u velryb grónských, spolu s expanzí genových rodin spojených s opravou DNA a potlačením nádorů u slonů. Tato studie genetických rozdílů a souvisejících molekulárních procesů může být užitečná pro vývoj intervencí pro dlouhověkost.
Některé studie zkoumaly, jak je maximální potenciál délky života ovlivněn rozdíly v genové expresi, velikosti genové rodiny a podobnými genomickými měřeními. Tyto studie poukázaly na evoluci velikosti genové rodiny jako na podstatného hráče v maximálním potenciálu délky života.
Genové rodiny vznikají duplikací jednoho genu. V takovém případě má dodatečná kopie větší svobodu k evoluci, jelikož původní kopie produkuje protein potřebný pro organismus. Druhá kopie se může stát pseudogenem, který nashromáždil tolik mutací, že přestal správně fungovat. Alternativně se může zmutovat na protein podobný původnímu, ale s mírně odlišnou funkcí, což dává organismu potenciální evoluční výhodu. Tento proces se může opakovat vícekrát a vytvářet genovou rodinu podobných, ale poněkud odlišných genů. Studie velryb grónských a holých rypošů naznačují, že některé z těchto duplikací jsou spojeny se zvýšenou dlouhověkostí těchto zvířat.
V této studii se vědci opírali o tato pozorování a porovnávali dopad velikosti genové rodiny na maximální potenciál délky života u více druhů savců.
Velikost mozku hraje roli
Výzkumníci provedli bioinformatickou analýzu 4 136 genových rodin u 46 plně sekvenovaných savčích druhů. Zjistili souvislost mezi maximálním potenciálem délky života a expanzí 236 genových rodin.
Dále testovali potenciální zkreslující faktory, které mohou ovlivnit výsledky. Testovali relativní velikost mozku, tělesnou hmotnost, dobu březosti a věk pohlavní dospělosti. Pouze relativní velikost mozku se ukázala jako vlivná na souvislost expanze genové rodiny s maximálním potenciálem délky života. Tyto výsledky jsou v souladu s předchozím výzkumem naznačujícím, že evoluce větších mozků souvisí s maximálním potenciálem délky života. Výzkumníci také poznamenali, že genové skupiny související s maximálním potenciálem délky života a genové skupiny související s velikostí mozku s vyšší pravděpodobností obsahovaly geny související s imunitními funkcemi.
Vědci diskutují o tom, že imunitní systém může pozitivně ovlivnit delší životnost několika způsoby, například odstraňováním senescentních buněk, infekčních agens a potenciálně rakovinných buněk.
Tyto výsledky však nemají jednoduchou interpretaci, protože analýza citlivosti výzkumníků naznačila, že většina druhů zahrnutých do studie má zanedbatelný vliv na výsledky. Větší účinky byly pozorovány u několika druhů, což naznačuje, že zatímco jeden druh výsledky neovlivňuje, mohou být ovlivněny skupinami zvířat (taxa), které mají extrémní hodnoty.
Větší genová rozmanitost
Vědci předpokládali, že expanze genových rodin spojených s evolucí maximálního potenciálu délky života může souviset s množstvím genového produktu dostupného v buňce (genová dávka) nebo s rozmanitostí genových transkriptů.
Rozmanitost transkriptů souvisí s procesem zvaným alternativní sestřih. Savčí geny jsou tvořeny kódujícími sekvencemi DNA (exony) proloženými nekódujícími sekvencemi DNA (introny). Když je DNA během produkce proteinů přepisována na RNA, introny jsou odstraněny a exony jsou spojeny. Exony však nejsou vždy sestřihávány ve stejném pořadí a někdy jsou některé exony přeskočeny, což vytváří alternativní proteinové verze, které pocházejí ze stejného genu.
Porovnání lidských genů spojených s maximálním potenciálem délky života s jinými geny v pozadí odhalilo vyšší úrovně genové exprese a vyšší počet jedinečných transkriptů mezi geny spojenými s maximálním potenciálem délky života.
Autoři však varují, že tyto výsledky je třeba interpretovat s opatrností, jelikož jsou založeny pouze na lidských datech a taková pozorování nemusí být přesná pro jiné druhy; budoucí studie se musí hlouběji ponořit do evolučního významu tohoto pozorování.
Funkční, ale žádný jediný genový překryv
Vědci shromáždili data z předchozích studií, které identifikovaly různé geny spojené se stárnutím. Rozdělili je do skupin genů souvisejících s procesy souvisejícími se stárnutím, genů, jejichž exprese je závislá na věku, ručně kurovaných genů spojených se stárnutím nebo dlouhověkostí, cílů intervencí modifikujících dlouhověkost a genů spojených s délkou života.
Porovnání genů souvisejících s procesem stárnutí s geny souvisejícími s maximálním potenciálem délky života ukázalo, že druhá skupina je významně obohacena o geny související s opravou DNA a zánětem; geny související s autofagií však byly nedostatečně zastoupeny.
Mezi geny s věkem závislou expresí vědci pozorovali buď nedostatečnou reprezentaci mezi geny souvisejícími s maximálním potenciálem délky života, nebo nenašli pod- či nadreprezentaci, v závislosti na databázi a na tom, zda se jejich aktivita s věkem zvyšovala nebo snižovala.
Ručně kurované geny pro buněčnou senescenci a dlouhověkost, stejně jako geny, které reagují na intervence modifikující dlouhověkost, jako je kalorická restrikce a léky prodlužující život, byly významně nedostatečně zastoupeny mezi geny souvisejícími s maximálním potenciálem délky života.
Pouze geny, které mají lidské genetické varianty spojené s centenariány, a geny s rychlejší proteinovou evolucí u druhů s vyšším maximálním potenciálem délky života, byly nadměrně zastoupeny mezi geny souvisejícími s maximálním potenciálem délky života.
Obecně byl mezi seznamy jednotlivých genů z této a předchozích studií omezený překryv. Existuje však překryv ohledně funkcí a procesů, do kterých jsou tyto geny zapojeny. Vědci identifikovali tento překryv ve funkcích imunitního systému, poškození a opravě DNA, apoptóze, autofagii, senescenci a cílech léčiv prodlužujících život. Docházejí k závěru, že „zatímco různé studie mohou identifikovat odlišné genové sady, často zdůrazňují stejné biologické dráhy, což posiluje význam těchto procesů pro dlouhověkost.“
Ačkoli tato studie neumožňuje stanovení kauzality, ale pouze asociací, její výsledky pomáhají pochopit evoluční základ delšího života a identifikovat genetické a molekulární procesy, které zvyšují maximální potenciál délky života.
Literatura:
[1] Kilili, H., Padilla-Morales, B., Castillo-Morales, A., Monzón-Sandoval, J., Díaz-Barba, K., Cornejo-Paramo, P., Vincze, O., Giraudeau, M., Bush, S. J., Li, Z., Chen, L., Mourkas, E., Ancona, S., Gonzalez-Voyer, A., Cortez, D., Gutierrez, H., Székely, T., Acuña-Alonzo, A. P., & Urrutia, A. O. (2025). Maximum lifespan and brain size in mammals are associated with gene family size expansion related to immune system functions. Scientific reports, 15(1), 15087. [2] Keane, M., Semeiks, J., Webb, A. E., Li, Y. I., Quesada, V., Craig, T., Madsen, L. B., van Dam, S., Brawand, D., Marques, P. I., Michalak, P., Kang, L., Bhak, J., Yim, H. S., Grishin, N. V., Nielsen, N. H., Heide-Jørgensen, M. P., Oziolor, E. M., Matson, C. W., Church, G. M., … de Magalhães, J. P. (2015). Insights into the evolution of longevity from the bowhead whale genome. Cell reports, 10(1), 112–122. [3] Chusyd, D. E., Ackermans, N. L., Austad, S. N., Hof, P. R., Mielke, M. M., Sherwood, C. C., & Allison, D. B. (2021). Aging: What We Can Learn From Elephants. Frontiers in aging, 2, 726714. [4] de Magalhães, J. P., Curado, J., & Church, G. M. (2009). Meta-analysis of age-related gene expression profiles identifies common signatures of aging. Bioinformatics (Oxford, England), 25(7), 875–881. [5] Fushan, A. A., Turanov, A. A., Lee, S. G., Kim, E. B., Lobanov, A. V., Yim, S. H., Buffenstein, R., Lee, S. R., Chang, K. T., Rhee, H., Kim, J. S., Yang, K. S., & Gladyshev, V. N. (2015). Gene expression defines natural changes in mammalian lifespan. Aging cell, 14(3), 352–365. [6] Kim, E. B., Fang, X., Fushan, A. A., Huang, Z., Lobanov, A. V., Han, L., Marino, S. M., Sun, X., Turanov, A. A., Yang, P., Yim, S. H., Zhao, X., Kasaikina, M. V., Stoletzki, N., Peng, C., Polak, P., Xiong, Z., Kiezun, A., Zhu, Y., Chen, Y., … Gladyshev, V. N. (2011). Genome sequencing reveals insights into physiology and longevity of the naked mole rat. Nature, 479(7372), 223–227.