Appunti esame Genetica dell'invecchiamento

Genetica dell'invecchiamento

Le varie specie hanno lunghezze di vita diverse. Ciò è valido anche per specie molto vicine tra loro. In particolare, parleremo di invecchiamento, longevità e morte. L'invecchiamento comprende tutti quegli eventi che portano a una degenerazione di organi e tessuti e termina con la morte. La longevità è invece intesa come la lunghezza media della vita di ogni determinata specie. Ad esempio, per l'uomo la durata massima della vita che è stata registrata è 122 anni.

Influenza della dimensione sull'aspettativa di vita

Gli animali che hanno una vita massima più alta, come ad esempio l'uomo, la tartaruga gigante e l'elefante, hanno tutti grandi dimensioni. Quindi, la dimensione dell'animale può influenzare la lunghezza della vita. Ci sono degli animali che non invecchiano e che quindi muoiono senza invecchiare. Inoltre, ci sono animali che non muoiono proprio.

Longevità di specie specifiche

L'effimera vive un giorno come individuo adulto. Però, c'è uno stadio larvale che dura parecchio. L' Arctica islandica vive 500 anni. Perché questo mollusco bivalve vive così tanto? Sicuramente, ha una grande capacità di risparmiare energia. Inoltre, è molto tollerante all'anossia e all'ipossia. Quindi, sopporta ambienti con bassa ossigenazione e riesce anche a sopravvivere per un certo periodo di tempo senza ossigeno. Per di più, produce poche ROS e sappiamo bene che lo stress ossidativo è associato a invecchiamento.

Lo squalo artico vive a lungo ed è caratterizzato dal fatto di muoversi molto lentamente. Quindi, spende poca energia. Lo squalo artico ha alti livelli di chitinasi e di lisozima e questo va a favore di un efficiente sistema immunitario. Infatti, anche il sistema immunitario è importante nell'invecchiamento.

I vermi tubicoli sono animali che vivono tantissimo, anche più di 100 anni. Vivono in acque fredde con poco ossigeno tra i 1.000 e i 3.300 m di profondità. Anche la tartaruga gigante si muove con molta calma. Inoltre, questa tartaruga raggiunge la maturità sessuale tardi. C'è una correlazione inversa tra fertilità e longevità. Il tasso di mortalità diminuisce con l'età. Quindi, man mano che passano gli anni invece di avere una probabilità maggiore di morire questa probabilità diminuisce. Inoltre, la tartaruga gigante è resistente al cancro, ripara efficientemente il DNA e ha quindi tutta una serie di caratteristiche che la rendono un animale molto longevo.

Lo scorfano cresce con molta lentezza, vive in profondità, si muove lentamente e raggiunge la maturità sessuale a 19 anni. Il pino dai coni setolosi che si trova in California ha raggiunto probabilmente i 4.853 anni. Anche la sequoia gigante è un organismo molto longevo e può raggiungere i 2.200 anni.

Senescenza trascurabile

La senescenza non sempre precede la morte naturale di un organismo. Ci sono infatti degli organismi che a un certo punto muoiono ma senza invecchiare. Quindi, muoiono per altri motivi. Si dice che questi organismi hanno una senescenza trascurabile (negligible senescence NS). Un organismo si può considerare trascurabilmente senescente se non mostra con l'età alcun declino di parametri misurabili di sopravvivenza come la forza, la mobilità e la capacità riproduttiva. Inoltre, non mostra un tasso di mortalità gradualmente crescente con l'età. Le poche specie NS vivono in mezzo a una grande varietà di specie simili che invece mostrano senescenza.

Ad esempio, l' Heterocephalus glaber è una specie di talpa priva di peli che ha la caratteristica di non invecchiare. Questo animale ha infatti una longevità di circa 30 anni. Ha una grossa resistenza al cancro e cioè non si ammala. Infatti, ci sono dei geni specifici che la rendono resistente al cancro probabilmente perché riparano con molta efficienza il DNA. Poi, c'è un sacco di acido ialuronico e quindi la pelle non invecchia. La fecondità non diminuisce fino alla morte. Questo significa che proprio non c'è l'invecchiamento. Questa talpa sopporta benissimo l'ipossia e l'anossia. Riesce a vivere 20 minuti e più in un ambiente totalmente privo di ossigeno.

Un'altra caratteristica di questa talpa è che non sente il dolore. Vive in cunicoli che scava lei stessa sottoterra. Quindi, in realtà in questo caso c'è un po' di dispendio di energia. Ripara molto efficientemente il DNA e ha una telomerasi molto efficiente. Un altro animale che non invecchia per gli stessi motivi è la formica. La formica ha inoltre elevati livelli di serotonina e dopamina.

Poi, c'è il caso del coccodrillo. Il coccodrillo non solo non invecchia ma cresce continuativamente. Quindi, col tempo diventa sempre più grosso. Alla fine, non riesce più a trovare cibo a sufficienza e quindi muore di fame. Tuttavia, finché c'è cibo a sufficienza cresce.

Organismi unicellulari e pluricellulari

La morte è una caratteristica che si riscontra soprattutto negli animali pluricellulari. Infatti, gli organismi unicellulari si dividono ed è come se fossero cellule "staminali". Tra gli organismi che non muoiono c'è la medusa Turritopsis dohrnii. Questo organismo non muore perché nel momento in cui diventa adulto e magari si ammala e sta per morire attua un processo grazie al quale riesce a tornare giovane. Quindi, poi di nuovo cresce, diventa adulto e ricompie questo processo.

Hydra è un organismo che è praticamente costituito quasi completamente da cellule staminali. Infatti, presenta 2 strati di cellule. Lo strato di cellule più esterno corrisponde all'ectoderma. Lo strato di cellule più interno corrisponde all'endoderma. Tutte queste cellule sono cellule staminali. Per cui, qualsiasi ferita che avviene su questi 2 strati di cellule può essere riparata facilmente. Tra questi 2 strati di cellule ogni tanto si trova una cellula interstiziale. Questa cellula interstiziale serve per produrre tutti gli altri organi. Quindi, anche se un organo interno viene distrutto per qualche motivo queste cellule interstiziali entrano in gioco per ricostruirlo. Quindi, si tratta di un organismo che non muore.

Considerando la scala filogenetica, la morte come fatto naturale si osserva per la prima volta negli eucarioti coloniali (volvocacea), organismi in cui si verifica una transizione dallo stato unicellulare allo stato pluricellulare con l'evoluzione del differenziamento cellulare e della riproduzione sessuale. Si tratta di eucarioti che appartengono al regno vegetale. Il rappresentante unicellulare è Chlamydomonas. Si tratta di un eucariote unicellulare flagellato.

L'evoluzione ha fatto in modo che individui unicellulari si siano uniti per formare una colonia immersa in una sorta di gelatina. Si sono perciò evolute colonie come la pandorina, l'eudorina, la pleodorina e il volvox.

Nell'eudorina alcune cellule rimangono incastrate al centro della colonia e non riescono a posizionarsi a livello della superficie. Piano piano, queste cellule che rimangono all'interno della colonia perdono i flagelli. Però, acquisiscono una funzione che è esclusivamente riproduttiva. Nel volvox distinguiamo 2 tipi di cellule. Le cellule somatiche sono piccole, hanno i flagelli, si posizionano alla periferia e costituiscono appunto il soma. Le cellule più all'interno sono più grandi e hanno esclusivamente una funzione riproduttiva.

Nel passaggio tra l'organismo unicellulare e il volvox ci sono parecchie novità. Una di queste novità è l'inversione embrionale ossia quel processo per cui c'è una migrazione delle cellule tale per cui le cellule che prima stavano dentro si muovono verso l'esterno. Ovviamente, questo può avvenire solo in organismi pluricellulari. Un'altra novità è la divisione cellulare asimmetrica. Nella cellula madre certi determinanti molecolari si posizionano non in modo omogeneo in tutto il citoplasma ma sono segregati da una parte. Quindi, quando la cellula si divide queste 2 cellule figlie nascono già diverse. Questa divisione cellulare asimmetrica può anche produrre cellule di dimensioni diverse. Ovviamente, la divisione cellulare asimmetrica riguarda solo gli organismi pluricellulari. Questo tipo di divisione serve per distinguere tra loro le cellule somatiche dalle cellule germinali. Infatti, un'altra novità consiste nella produzione di cellule somatiche differenziate e nella produzione di cellule staminali immortali che sono quelle germinali. Il fatto di avere un soma distinto dalle cellule germinali fa sì che poi ci sia la senescenza e successivamente la morte.

Teorie sull'invecchiamento

Con tutte queste novità ci si può chiedere se il passaggio da unicellularità a pluricellularità sia accompagnato da grandi cambiamenti del genoma oppure no. In realtà, questo passaggio da unicellularità a pluricellularità è un passaggio molto morbido. Infatti, utilizzando la genomica comparativa per fare una distinzione tra Chlamydomonas e volvox si è visto che praticamente non c'erano differenze a livello del genoma. Facendo una genetica mutazionale si sono identificati dei geni importanti per le novità appena descritte. Quindi, il passaggio da unicellularità a pluricellularità è avvenuto con piccoli passi e non con grandi stravolgimenti del genoma. Comunque, volvox rimane un modello per studiare la senescenza.

Un'altra domanda che è lecito farsi è la seguente: perché viviamo quanto viviamo? Perché viviamo di media 85 anni? Si sono ipotizzate tante teorie non solo biologiche ma anche sociologiche, psicologiche, mediche e infermieristiche. A noi interessano chiaramente le teorie biologiche. Le teorie biologiche sono a loro volta tantissime. Ci sono teorie basate sui cambiamenti che avvengono con l'età, teorie che riguardano il danno primario, teorie che riguardano il programma genetico, teorie che riguardano l'evoluzione (la selezione naturale favorisce gli organismi che hanno una fitness migliore, quindi una maggiore sopravvivenza e successo riproduttivo ma allora perché l'evoluzione non previene l'invecchiamento?), teorie legate a specifici tessuti, teorie che si basano su criteri matematici, teorie unificanti e che cercano di mettere insieme tutte queste teorie. All'interno di ciascun gruppo di teorie ci sono poi altri sottogruppi di teorie.

Queste teorie rispondono principalmente a 2 questioni: 1) cosa innesca i processi di invecchiamento, 2) come invecchia una cellula. In questo corso affronteremo in particolare le teorie causali dell'invecchiamento e cioè affronteremo perché avviene l'invecchiamento. Parleremo della teoria del bene per la specie, della teoria del ritmo della vita e delle teorie evolutive dell'invecchiamento.

Teoria del bene per la specie

Diciamo che grosso modo non ci sono organismi che invecchiano senza morire. Gli organismi diciamo non invecchiano ma possono morire, oppure non muoiono ma non subiscono dei veri processi di invecchiamento. Quindi, tutte queste teorie che abbiamo visto elencate l'altra volta sono state elaborate per cercare di capire perché gli organismi invecchiano, perché esiste l'invecchiamento. Alcune delle teorie che poi abbiamo visto sono molto specifiche e poi vengono raggruppate in gruppi di teorie, alcune si occupano di capire la causa dell'invecchiamento mentre altre si occupano di capire più il modo con cui avviene l'invecchiamento. È sempre il perché avviene l'invecchiamento però c'è una sottile differenza.

Fra le teorie causali dell'invecchiamento, cioè quelle che cercano di spiegare perché l'invecchiamento esiste, ci sono queste 3: 1) la teoria del bene per la specie, 2) la teoria del ritmo della vita e 3) la teoria evolutiva dell'invecchiamento. Partiamo descrivendo la teoria del bene per la specie. Questa prima teoria vuole spiegare perché c'è l'invecchiamento sul fatto che l'invecchiamento, poi seguito anche dalla morte, è un qualcosa che favorisce la specie. Chiaramente se non ci fosse l'invecchiamento seguito dalla morte, gli individui aumenterebbero sempre di più e alla fine sarebbe una catastrofe per la popolazione e poi alla fine per la specie, perché ci sarebbe una lotta continua per il nutrimento e ciò sarebbe insostenibile. Quindi, l'invecchiamento e la morte favoriscono il benessere della popolazione e della specie. Questo è dimostrato in casi estremi da alcuni organismi che, dopo essersi riprodotti, muoiono proprio per favorire il benessere della generazione successiva.

Tra questi organismi c'è l'effimera che ha una vita cortissima, perlomeno come adulto. Poi c'è il caso del salmone che sappiamo tutti ripercorrono a ritroso la corrente per andare a riprodursi nel posto in cui sono nati ed dopo essersi riprodotti muoiono tutti in massa di modo che i figli possano mangiare i loro corpi, quindi, la loro morte ha significato positivo perché dà nutrimento alla generazione successiva. Poi c'è l'Antechinus, un piccolo marsupiale che si accoppia e poi muore. Poi c'è anche la figura del grano perché tra gli organismi vegetali è sempre una specie che ha adottato la semelparità e cioè questo fenomeno per cui gli organismi si riproducono e poi muoiono, in contrapposizione con l'iteroparità che è la normale situazione che hanno tutti gli altri.

Motivi dello sviluppo della semelparità

Perché questi organismi che abbiamo preso come esempio muoiono subito dopo essersi riprodotti? Allora, un motivo in generale può essere che ci sono dei vincoli di sviluppo e questo è il caso dell'effimera che muore subito dopo essersi riprodotta perché non può mangiare. Perché non può mangiare? Perché non ha l'apparato boccale. Quindi, lo sviluppo dallo stadio larvale a quello adulto non prevede che si formi un apparato boccale che le consenta di nutrirsi. Come è possibile che questo sia avvenuto nel corso dell'evoluzione? Evidentemente, il fatto di non sviluppare un apparato boccale e di morire subito dopo la riproduzione ha un significato positivo che può essere, appunto, quello di non competere con i propri figli per il nutrimento.

Nel caso del salmone si può avere un esempio di altruismo, anche quello dell'effimera di fatto può essere considerato un altruismo, cioè uno si sacrifica per favorire la generazione successiva, solo che nel caso del salmone non c'è la scusa di un vincolo di sviluppo, perché i salmoni potrebbero benissimo continuare a nutrirsi e sopravvivere invece muoiono proprio per dare nutrimento alla generazione successiva. Una terza possibilità è rispecchiata dall'Antechinus, un piccolo marsupiale che si riproduce in un breve periodo. Però in quel breve periodo in cui c'è la riproduzione, la femmina si accoppia con vari maschi. Di conseguenza, i maschi per favorire i propri geni, per far sì che i propri geni passino alla generazione successiva, vanno in competizione tra loro.

In generale, considerando varie specie di animali esistono diverse modalità con le quali i maschi entrano in competizione tra loro per garantirsi un successo riproduttivo: alcuni combattono tra loro per accaparrarsi le femmine mentre altri competono con ornamenti e cercano di essere sempre più belli e appariscenti rispetto ad altri maschi. Questi descritti sono 2 modi diversi di competizione per avere un successo riproduttivo. Però, esiste anche un altro meccanismo di competizione, definita competizione spermatica. In questa competizione non sono i maschi che competono in un modo o in un altro ma sono gli spermi che competono tra di loro. Quindi, quello che fanno i maschi è cercare di accoppiarsi con le femmine e di trattenere la femmina per l'accoppiamento il più possibile in modo da togliere il tempo alla femmina per accoppiarsi con altri maschi e, nello stesso momento, immettere nel corpo della femmina più spermi possibile. Infatti, i maschi di Antechinus sono caratterizzati dall'avere dei testicoli enormi e una durata di accoppiamento lunghissima tanto che, siccome l'accoppiamento dà un grosso dispendio di energia, questi maschi poi, sfiniti da questo lungo accoppiamento, muoiono proprio per la fatica.

Questi sono casi diversi di semelparità, in cui i maschi, ma spesso anche le femmine, muoiono subito dopo l'accoppiamento. Questi casi vanno a favore di questa teoria del bene per la specie.

Teoria del ritmo della vita

Descriviamo ora la teoria del ritmo della vita. L'altra teoria è quella del ritmo della vita. Questa prevede che il metabolismo, quindi la quantità di energia utilizzata di ogni specie, determina la lunghezza della vita. Quindi, tanto più energia si consuma e quindi tanto più alto è il metabolismo e tanto più corta sarà la vita e questo regola l'invecchiamento. Ci sono 4 fattori che vanno a favore di questa teoria. Il primo fattore è la fecondità cioè il numero di figli, che però è in correlazione inversa con la durata della vita perché tanto più alta è la fecondità e tanto più alto è il numero dei figli, tanto più breve è la lunghezza della vita. Questo diciamo va a favore, perché chiaramente già l'accoppiamento è un dispendio di energia, poi c'è tutto il dispendio di energia proprio della riproduzione, soprattutto per animali come mammiferi che trattengono gli embrioni per molto tempo nel loro corpo, è un grosso dispendio di energia. Quindi, proprio tutto il processo della riproduzione e della fecondità danno un grosso dispendio e quindi questo va in senso contrario alla lunghezza della vita.

Il secondo fattore è il tasso metabolico quindi la velocità con cui gli organismi si svilup...