Envejecimiento orgs acuat L. Rodríguez-Graña Archivo
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Envejecimiento en organismos acuáticos Laura Rodríguez-Graña Curso Introducción a la Ecología 2011 Contenido • Conceptos generales en envejecimiento definiciones modelos de estudio principales teorías sobre sus causas mecanismos desencadenantes y de reparación ecología del envejecimiento consecuencias del envejecimiento • Copépodos como modelo de estudio importancia de los copépodos en el ambiente acuático el caso de Acartia tonsa • Otras aplicaciones estrés oxidativo y contaminación Envejecimiento •proceso universal • se inició con el origen de la vida y con la evolución hace 3.5 billones años * * Harman 1981 – Proc Natl Acad Sci USA 78: 7124 Envejecimiento “Deterioro progresivo que ocurre en la mayoría de los organismos, que incluye debilidad, aumento de la susceptibilidad a enfermedades y a condiciones ambientales adversas, pérdida de mobilidad y agilidad, y cambios fisiológicos relacionados con la edad “* También incluye una reducción en la capacidad reproductiva * Theodore Goldsmith 2007 – The evolution of aging – 2ª edición Envejecimiento en humanos Conciencia mortalidad Búsqueda reversibilidad envejecimiento Dance of Death, Lübeck 1463 Consecuencias sociales y económicas Desarrollo tratamientos enfermedades asociadas el envejecimiento Organismos modelo • Algunas mutaciones genéticas prolongan la vida en animales de laboratorio • Mutaciones se conservan a lo largo de la filogenia, incluidos mamíferos • Investigaciones aplicadas a estudiar y revertir procesos en humanos Nemátodo Caenorhabdites elegans Mosca de la fruta Drosophila melanogaster Ratón de laboratorio ¿Qué pasa con otros animales? • envejecimiento con amplia distribución filogenética • longevidad varía entre taxas Elephas maximus 80 años Clemmys insculpta 60 años Loxia leucoptera Myotis lucifugus 30 años Eligmodontia typus 0.8 años 4 años ¿Qué pasa con otros animales? 100 años Briozoario colonial ¿Inmortal? 0.10 años 152 años Strongylocentrotus franciscanus 31 años Acartia tonsa 0.25 años Acipenser fulvescens Pelecanus occidentalis Nothobranchius furzeri Artica islandica 400 años Envejecimiento y Ecología • consecuencias del envejecimiento en la performance y aptitud biológica del indiv. • efectos cambios ambientales en el envejecimiento • desarrollo de estudios en organismos no-modelos • estudio comparativos entre taxas • estimaciones tasa envejecimiento en poblaciones naturales • evolución del envejecimiento • vínculos entre evolución del envejecimiento y evolución de estrategias sexuales Ricklefs et al 2008. Functional Ecology Vol 22 Nussey et al 2008. Functional Ecology Vol 22 Monaghan et al 2008. Functional Ecology Vol 22 ¿porqué se envejece? se atribuye a: • defectos en el desarrollo • defectos genéticos • ambiente • enfermedades • proceso inherente: “proceso de envejecimiento” Teorías del envejecimiento • vinculadas a la teoría de la evolución ¿es una característica que ha evolucionado porque le confiere al organismo algún beneficio? ¿o es un defecto, una limitación? ¿los organismos están diseñados a envejecer? • derivan de diferentes posturas respecto a los mecanismos que conducen a la selección natural Teorías del envejecimiento: Mutación acumulada • La fuerza de la selección natural disminuye una vez que el organismo alcanza una edad donde ya no se reproduce Aparición característica fatal Peter Medawar 1952 antes pubertad después pubertad Selección en contra Muerte antes de la reproducción No pasa a la descendencia Selección débil No es relevante Afectará la capacidad de sobrevivencia y de tener más descendientes • el envejecimiento ocurre porque la fuerza selección es débil Teorías del envejecimiento: Genes pleiotrópicos antagónicos Pleiotropía: cuando un solo alelo o forma de un gen puede afectar más de una característica George Williams 1957 • el envejecimiento ocurre debido al efecto combinado de muchos genes pleiotrópicos que tienen efectos positivos durante la juventud pero negativos al avanzar la edad • esos genes pleiotrópicos son seleccionados positivamente (permanecen en la población) Teorías del envejecimiento: Cuerpo descartable • el organismo experimenta daños (moléculas, células, tejidos), y éstos se acumulan con la edad Tom Kirkwood 1977 • daños causados por productos del metabolismo y agentes externos • procesos y mecanismos prevención y reparación daños no son perfectos Teorías del envejecimiento: Cuerpo descartable • individuo invierte recursos para: - mantener funcionamiento del cuerpo - obtener alimento, reproducirse, evadir predadores Tom Kirkwood 1977 • envejecimiento: compromiso entre el uso de recursos para mantenimiento y para otras actividades • mantenimiento no se realizaría más allá de una edad razonable esperada para un organismo en un cierto ambiente • ambientes benignos/estables: expectativa vida más larga, selección natural favorecería mecanismos de mantenimiento Teorías del envejecimiento: Resumen ¿porqué la selección natural no elimina el envejecimiento? • teorías no son mutuamente excluyentes • Acumulación daño: fuerzas selección natural son débiles • Pleiotropía antagónica: consecuencia de un vínculo desafortunado entre los beneficios de cierta característica en la juventud y sus consecuencias negativas a edad avanzada • Cuerpo descartable: daño es inevitable pero la tasa de envejecimiento es consecuencia del grado con que la selección o circunstancias individuales favorecen la distribución de recursos para reparación mecanismos • basados en daños - resulta de la interacción con el ambiente - productos del metabolismo causan daños en céls y tejidos en forma continua y acumulativa • basados en una programación - regulado por procesos genéticos y predeterminados - no es al azar mitocondria daños Teoría estrés oxidativo * • Dentro del organismo se producen compuestos que contienen Oxígeno y/o número impar de e y son altamente reactivos: ROS (especies radicalares del oxígeno) RNS (especies radicalares de nitrógeno) • ROS se producen en forma endógena (mitocondria) exógena (UV, tóxicos del ambiente, quimioterapéuticos) + (defensa, señalización celular) • en exceso dañan proteínas, ADN, lípidos (estrés oxidativo) • defensas antioxidantes y mecanismos reparación no son 100% eficientes • ROS se acumulan con la edad • Existe correlación negativa entre producción ROS y longevidad * Harman D 1956 J Gerontology 11: 298 • en cantidades óptimas cumplen funciones daños: Ejemplo Moluscos bivalvos Formación ROS y defensas antioxidantes Especies de nado explosivo Altos consumos de oxígeno Poco longevas Especies de vida sésil Alta densidad mitocondrias Bajos niveles ROS Eliminan mitocondrias con la edad Baja densidad mitocondrias pectinidos Muy longevas Niveles medios/altos ROS Liberación protones Alta actividad antioxidante Invierten más en reparación Artica islandica ca. 400 años Abele et al 2009 Experimental Gerontology 44:307 Poca actividad antioxidante Invierten poco en reparación Bajos consumos de oxígeno daños: Ejemplo Moluscos bivalvos Formación ROS y defensas antioxidantes MLSP = maximum life span = máxima duración de vida Abele et al 2009 Experimental Gerontology 44:307 almejas cefalópodos pectinidos Mecanismos basados en daños 2- Acortamiento telómeros Telómeros: regiones de ADN no codificado y repetido que cubren el extremo de los cromosomas • Contribuyen con la estabilidad del genoma • Permiten que las céls se repliquen lo necesario para cons un organismo y reparar tejidos sin perder secuencias codif • Largo Telómero disminuye hasta cierto nivel, después del cuál la célula entra en estado de senescencia celular: mueren viven pero liberan sustancias nocivas • Enzimas telomerasas reparan telómeros agregando una secuencia telomérica al final del cromosoma Campisi et al 2001. Exp Gerontol 36 • En cada división celular parte del ADN del final de los crom no se divide y se pierde: los telómeros se acortan daños: Ejemplo •Langosta crecimiento continuo •Disminuye la tasa de crecimiento con la edad •Alta actividad telomerasa en tejidos Mecanismos basados en programación Teoría del desarrollo Envejecimiento está genéticamente determinado/regulado ¿qué regula el reloj biológico? Las investigaciones están en • Muerte celular genéticamente programada (apoptosis) • Cambios hormonales asociados al crecimiento * (mientras se crece no se envejecería) • programas genéticos vinculados al desarrollo ** * Gosden R 1996 Cheating Time WH Freeman &Company, NY ** deMagalhaes & Church 2005 Physiology (Bethesde) 20: 252 Programación: ejemplo Phestilla sibogae larva • Duración estadío larval determinado por el encuentro con un estímulo específico que induce la metamorfosis (tipo sustrato) Miller SE & Hadfield MG 1990 Science 248 • Pausa en el desarrollo entre al inicio y final de la metamorfosis • Envejecimiento se suspende durante la pausa • La longevidad post-larval no es afectada por la duración estadío larval • La longevidad total varía con la duración período larval Mecanismos basados en programación Beneficios /Costos pausa desarrollo: + Energía dirigida a la búsqueda de sustrato óptimo (en vez de reparar efectos envejecimiento) - mayor riesgo de mortalidad por depredación - postergación reproducción (no descendencia) - menos reservas y tamaño más pequeño al asentarse (efectos posteriores en crecimiento y reproducción) Miller SE & Hadfield MG 1990 Science 248 Mecanismos basados en programación Ejemplo: reproducción en salmón Oncorhynchus nerka • rápido envejecimiento después de la reproducción • durante reproducción ocurre una cascada de cambios hormonales: deja de comer desarrolla patologías muere • animales castrados viven el doble pero también desarrollan cascada hormonal Finch CE 1990 Longevity, senescence and genome. The University of Chicago Press Mecanismos causan envejecimiento: Resumen • El envejecimiento se produce por acumulación de daños en el organismo a lo largo de la vida (e.g. Teoría estrés oxidativo) Estos daños son causados por: productos endógenos y/o externos por fallas en los mecanismos de reparación y sistemas de defensa • El envejecimiento está genéticamente programado (e.g. Teoría muerte programada) existe un vínculo entre crecimiento/desarrollo y envejecimiento envejecimiento y desarrollo son regulados por los mismos mecanismos genéticos y procesos Consecuencias del Envejecimiento (1) Disminución en la ingesta de alimento Humanos/ratones (anorexia del envejecimiento) - alteraciones del SNC que controla las funciones de quimioreceptores (olfato) - cambios en la sensación de saciedad gastrointestinal - aumento de hormonas que disminuyen la ingesta (Leptina) Aves marinas - Thalassarche chrysostoma (albatros cabeza gris) - Disminución ingesta en machos (masa ganada/día) Morley 2001 J Gerontology Vol. 56A Catry et al 2006. Proc. R. Soc. B Consecuencias del Envejecimiento (2) Pérdida capacidad reproductiva y cambios en los patrones de fecundidad Mosca, rata, ratón, coleópteros - descenso en la producción de ovocitos - cambios en la secreción de gonadotropinas - cambios en factor de crecimiento-tipo insulina (IGF) - pérdida de la función masculina Novoseltsev 2003. J Gerontology Vol 58A Partridge et al 2005 Cell, Vol. 120 Consecuencias del Envejecimiento (3) Efectos sobre la descendencia Fox 1993. Oecologia 96 Fox & Dingle 1994. Functional Ecology Vol. 8 Consecuencias del Envejecimiento (4) Dinámica poblacional: proporción de sexos y longevidad • La longevidad y expectativa de vida es en muchos casos sexo- dependiente • Los machos tienen mortalidad mayor y más prematura y un envejecimiento más rápido respecto a las hembras • Los machos invertirían menos en mantenimiento somático en favor de la reproducción (cortejo, apareamiento, competencia por aparearse) Vinogradov 1998. Acta Biotheoretica Vol 46 Bonduriansky et al. 2008. Functional Ecology 2008. Vol 22 Especie modelo para estudios en envejecimiento • Tiempo generacional corto • Tamaño pequeño • Alta fecundidad • Fácil de cultivar • Referencias de su historia de vida y biología ¿Copépodos como modelo? Reznick 1993 Genetica 91 Porqué copépodos • Organismos clave en ecosistemas marinos • Importante papel en las tramas tróficas y transferencias de Carbono • Dinámica poblacional modulada por variaciones tasas de mortalidad fecundidad crecimiento tasas encuentro entre sexos capacidad de cópula de los machos Antecedentes generales copépodos (1) Alimentación Copépodos pueden ser selectivos en la dieta Machos comen menos que la hembras ¿efecto envejecimiento en la ingesta? Algunas algas tienen efectos tóxicos Machos más sensibles a toxinas algales ¿Menor mecanismos de reparación en machos? ¿efecto antioxidante de algunas algas? Avery et al 2008. Limnol Oceanogr 53 Antecedentes generales copépodos (2) Capacidad reproductiva y patrones de fecundidad • descenso producción huevos con la edad en Centropages typicus • descenso número huevos por saco con la edad en Cyclops kolensis ¿efectos de la calidad del alimento en la reproducción con la edad? Jamieson & Santer 2003. Hydrobiologia 510 Antecedentes generales copépodos (3) Efectos sobre la descendencia • Efecto materno relacionado con la nutrición de las hembras (tamaño huevo, crecimiento, sobrevivencia y movilidad de nauplios) • Efecto materno relacionado a la edad de la madre (tamaño huevo, tiempo desarrollo nauplii, sobrevivencia nauplii) ¿podría haber algún efecto materno a nivel molecular? Jamieson & Santer 2003. Hydrobiologia 510 Antecedentes generales copépodos (4) Proporción sexos • Relación de sexos sesgada hacia las hembras • Longevidad de machos condicionada por tasas de desarrollo más rápidas (maduran antes) tamaño corporal más pequeño nado más activo más notorios frente a predadores ¿la pobre condición somática de machos tiene base Bioquímica-molecular? Kiorboe 2006. Oecologia 148 Antecedentes generales copépodos (5) Daños a nivel molecular • Efecto de toxinas algales ingeridas por la madre sobre nauplii ¿es posible determinar daño oxidativo en copépodos? De existir daño oxidativo, ¿está relacionado con la edad? Ianora et al 2004 Nature 429 Envejecimiento sexo-específico y heredabilidad de daño oxidativo en Acartia tonsa Rodríguez-Graña, Calliari, Tiselius, Hansen, Nilsson-Sköld Objetivos (1) Efecto de la edad en - tasas de alimentación - fecundidad (hembras) - éxito reproductivo (puestas/eclosión) (2) Detectar daño oxidativo en copépodos (3) Determinar si existe efecto diferencial de daño oxidativo entre M y H (4) Determinar si el daño oxidativo es transmitido a la descendencia (5) Explorar los efectos del alimento como potenciales antioxidantes Metodología Cultivos algas Fase exponencial Cultivos copépodos luz, temperatura, alimento constante Exp. de alimentación y reproducción Test ANOVA entre tratamientos Aspecto, comportamiento, relación de sexos • Cambios en la apariencia externa y comportamiento con la edad adulto joven: exoesqueleto liso, claro y nado activo adulto viejo: exoesqueleto con incrustaciones ciliados-algas, oscuros y respuestas escapatorias lentas • Cambios en la proporción de sexos Tasas alimentación • Hembras presentan mayores tasas de ingestión • Ambos sexos ingirieron más TW • Disminución de las tasas de alimentación con la edad con TW (RHO no signific.) Producción de huevos y éxito de eclosión • Disminución con la edad 53 h/H 37 h/H • Disminución con la edad pero no efecto de la comida Daño oxidativo Gel con proteínas Carboniladas, Mayor daño, mayor intensidad (Técnica OxyBlot) • Machos: aumenta el daño oxidativo con la edad • Hembras: no aumenta el daño oxidativo con la edad Daño oxidativo M = machos F = hembras • DO bajo a la edad 16 d • DO en machos aumentó a la edad 37 d • Machos alimentados con RHO exhibieron mayor DO a la edad 37 d Daño Oxidativo y Efecto Materno • Nauplii de hembras más viejas alimentadas con TW tuvieron mayor daño oxidativo Conclusiones • Ingesta de alimento disminuyó con la edad • EPR, EHS y NPR disminuyó con la edad • Se estimó daño oxidativo en copépodos • Mayor daño oxidativo en machos, ¿porqué? - Hembras: mayor tasa de recambio de proteínas por reproducción (a) 36-50 huevos d-1 = 37-50% remoción de masa corporal diaria; 4 espermatóforos d-1 = 2% remoción de masa corporal) (b) se observó traspaso de proteínas oxidadas a los nauplios - Hembras invertirían más en mantenimiento somático, machos en reproducción • Se detectó efecto materno negativo sobre la progenie con la edad • No hubo un efecto claro del alimento sobre la oxidación Perspectivas Estudios copépodos Fertilidad en machos Daño oxidativo basado en especies del Nitrógeno Acortamiento de telómeros y actividad telomerasa peces anuales efecto materno en la calidad de huevos y larvas Aplicaciones estudios estrés oxidativo • sedimentos en puertos ricos en diversos tóxicos que son liberados al agua durante el dragado • derramamiento petróleo puerto Gotemburgo 2003 • especie Zoarces viviparus utilizada como centinela en estas actividades • uso de biomarcadores para determinación riesgo ambiental: - peroxidación lípidos medido como sustancias reactivas al ácido thiobarbiturico (TBARS) - proteínas con grupos carbonilos Aplicaciones estudios estrés oxidativo • eutrofización cuerpos agua • Floraciones algales tóxicas: cianobacterias • Cianobacterias producen sustancias patógenas: microcistinas (MICs) • MICs causan daños morfológicos, fisológicos y moleculares • Inducen la producción de ROS • Autores proponen diversos mecanismos por los que las MICs producen daño oxidativo en diversos animales acuáticos Laeonereis acuta Chasmagnathus granulatus Danio rerio Jenynsia multidentata Gracias, ¿alguna pregunta?
