Vermeulen, Cornelis Joseph

Dutch

ARTS repository - University of Groningen

   University of GroningenGenetics of lifespan determination in Drosophila melanogasterVermeulen, Cornelis JosephIMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite fromit. Please check the document version below.Document VersionPublisher's PDF, also known as Version of recordPublication date:2004Link to publication in University of Groningen/UMCG research databaseCitation for published version (APA):Vermeulen, C. J. (2004). Genetics of lifespan determination in Drosophila melanogaster. s.n.CopyrightOther than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of theauthor(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).The publication may also be distributed here under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license.More information can be found on the University of Groningen website: https://www.rug.nl/library/open-access/self-archiving-pure/taverne-amendment.Take-down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediatelyand investigate your claim.Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons thenumber of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.Download date: 13-02-2023SamenvattingVEROUDERING EN LEVENSDUURVolgens een Engels gezegde bestaan er slechts twee zekerheden in ons bestaan:belastingen en de dood. Als schrale troost, delen we in ieder geval die laatstezekerheid met de meerderheid van levensvormen die de aarde bevolken. Eencelligeorganismen zijn voor zover bekend de enige organismen die zich kunnen onttrekkenaan het proces van aftakeling dat we kennen als veroudering. Meercelligelevensvormen (planten, dieren en de meeste schimmels) lijden er allen in meer ofmindere mate aan, waarschijnlijk omdat zrj een scheiding kennen tussen lichaams- engeslachtscellen. De lichaamscellen ondergaan veroudering, maar de geslachtslijn iet.Overigens bestaan er grote verschillen tussen soorten in de snelheid waarmee dezeverouderen en de levensduur die ze toebedeeld krijgen. Zo kunnen sommige bomenvan het geslacht Pinus, vergelijkbaar met de dennen die veel mensen in de tuin hebbenstaan, onder de juiste omstandigheden een leeftijd bereiken van bijna vijfduizend jaar,vele malen langer dan de maximale levensduur van mensen, die iets meer dan eeneeuw bedraagt. Anderzijds heeft de langst levende fruitvlieg, Drosophilamelanogaster, die ik tijdens het onderzoek beschreven in dit proefschrift bentegengekomen een leeftijd bereikt van iets minder dan vier maanden. Deze waaier aanlevensduren wordt gevormd door de erfelijke verschillen die aanwezig zijn tussensoorten. Maar ook binnen een soort bestaat vaak genetisch bepaalde variatie voorlevensduur.Een gebruikelijke maat voor het tempo van veroudering is de toename van desterftekans met toenemende leeftijd. Het meten van sterftekansen aan individuen isuiteraard niet mogelijk en daarom dient dit te gebeuren in groepen vergelijkbareindividuen. Door de grote werkbelasting voor de onderzoeker wordt echter vaakgekozen voor gemiddelde of maximale levensduur als maat voor het tempo vanveroudering. Hierbij moet er op gelet worden dat levensduur niet alleen bepaald wordtdoor veroudering, maar ook door andere factoren, zoals vatbaarheid voor ziekten ofinteeltdepressie. Overigens is er zowel over de genetische factoren van verouderingals over die van levensduur weinig bekend, dus nadere karakterisering van beideeigenschappen is gewenst. Het onderzoek in dit proefschrift handelt over debeschrijving en analyse van genetisch bepaalde variatie voor levensduur binnen hetmodelorgani sme D ro s op hi la me lano gas ter.v q r  I  t g t  t v a t U t  t 9ACHTERGROND VAN HET ONDEWOEKHet bestaan van veroudering is voor evolutiebiologen erg onlogisch. Ztj zljn gewenddat het proces van natuurlíjke selectie, zoals beschreven door Charles Darwin, ervoorzorgt dat organismen optimaal kunnen functioneren. Veroudering is echteroverduidelijk een nadelig proces, dat dus eigenlijk niet zou moeten kunnen evolueren.Een aantal evolutionaire theorieën van veroudering kunnen deze puzzel mogelijkoplossen. Al deze theorieën zijn op hetzelfde basisgegeven gebaseerd: natuurlijkeselectie is minder effectief in het verwijderen van kwalen en ziektes die pas op lateleeftijd tot uiting komen. Stelt U zich maar eens voor hoe onze voorouders leefden,voordat er moderne gezondheidszorg of een constante voedselvoorziening bestond.Vanwege ziekten en voedseltekorten was de vroegere levensverwachting van eenpasgeborene en jaar of dertig. Dit is juist de leeftijd waarop de invloed vanveroudering voor de meeste mensen merkbaar wordt. Doordat er toen, in tegenstellingtot vandaag, weinig oude mensen rondliepen, was het verouderingsproces verborgenen kon natuurlijke selectie hier ook geen invloed op uitoefenen; Veroudering bevondzich in wat wel de "selectieschaduw" genoemd wordt. De verschillen tussen de meestrelevante evolutionaire theorieën van veroudering liggen in de details. Volgens demutatie accumulatie theorie van Medawar (1952) zal het genoom (het totaal aangenetische informatie) fungeren als een "genetische vuilnisbak" waarin zich in de loopvan de generaties nadelige mutaties van genen kunnen ophopen. Als deze geneffectentot uiting komen, omdat de levensverwachting plotseling fors toeneemt, zoals in demoderne menselijke samenleving is gebeurd, wordt dit zichtbaar als veroudering.Vanaf dat moment krijgt natuurlijke selectie weer vat op het verouderingsproces, enzal de gemiddelde levensduur gedurende vele generaties weer toenemen. In detheorieën van aníagonistische pleiotropie van Williams (1957) en disposable somct(vrij verlaald: wegwerplichaam) van Kirkwood en Holliday (1979) zljn deze nadeligeeffecten een bijproduct van processen met evolutionaire voordelen vroeg in het leven.Zo zou bijvoorbeeld e ontwikkeling van een efficiënter immuunsysteem een vergrotekans op auto-immuunziekten, zoals multiple sclerose, later in het leven met zich meekunnen brengen. Deze theorieën zijn bedacht om de evolutie van veroudering tekunnen verklaren, maar kunnen ook de aanwezigheid van bestaande genetischevariatie voor veroudering binnen soorten verklaren. Onderzoek aan dezelevensduurvariatie kan informatie verschaffen over de relatieve invloed van ieder vande hierboven genoemde evolutionaire processen. Om de verschillende volutionairetheorieën van veroudering te kunnen testen, moeten wel de genen die bijdragen aan degenetische variatie voor levensduur ontmaskerd worden. Over de functies van dezegenen zijn al vele theorieën gevormd, gebaseerd op resultaten uit eerder onderzoek.SamenvattingOok deze theorieën kunnen setoetst worden door senetische variatie voor levensduurte onderzoeken.SELECTIE OP LEVENSDUUR VOOR DROSOPHILAOnderzoek aan de genetische variatie van levensduur in Drosophila wordt makkelijkerals je deze variatie eerst uit elkaar pluist. Dit kun je bereiken door selectie, net zoalsduivenkwekers doen om rassen met mooie kleuren of vormen te fokken. Op eenvergelijkbare wljze zljn voorheen lijnen van Drosophila kunstmatig geselecteerd opverhoogde levensduur. Vliegen uit deze lijnen werden veel ouder dan "normale"vliegen en waren veel weerbaarder tegen ongunstige omstandigheden (slress). Helaaslieten deze lijnen ook zien dat er ernstige nadelen kleefden aan een verhoogdelevensduur: Zij moesten voor hun hoge leeftijd boeten met een sterk verlaagdeproductie van nakomelingen vroeg in hun leven. Deze balans tussen tweeeigenschappen wordt een trade-off genoemd. Dit resultaat strookt met de disposablesoma theorie, die stelt dat de energie die nodig is om extra lang te kunnen levenonttrokken wordt aan het reproductieproces.In dit proefschrift beschrijven we enkele eigenschappen die veranderd zrjn insamenhang met levensduur in een unieke set selectielijnen, gemaakt door Zwaan encollega's (1995). Deze lijnen zijn bijzonder omdat ze, anders dan gebruikelijk is,geselecteerd zljn op maagdelijke (dus niet-reproducerende) levensduur en omdat erniet alleen lijnen met verlengde maar ook met verkorte levensduur zijn gemaakt. Ookin deze lijnen werd een verlaagde vroege reproductie gevonden in vliegengeselecteerd voor levensverlenging.In Hoofdstuk 2 van dit proefschrift wordt beschreven hoe, bijna tien jaar nadatselectie van deze lijnen gestaakt was, de selectieprocedure opnieuw wordt gestart.Naast de originele set lijnen (de primaire set) wordt door een aantal extra generatiesselectie ook een nieuwe set selectielijnen (de afgeleide set) gemaakt. Daarna wordeneen aantal belangrijke eigenschappen onderzocht in beide sets. Daaruit blijkt dat devliegen uit de langlevende lijnen helemaal geen verlaagde reproductie meer hebben,noch in de primaire noch in de afgeleide set. Deze vliegen hebben een inhaalslaggemaakt tijdens de tien jaar zonder selectie, zonder dat het verschil in maagdelijkelevensduur is beinvloed. Ongestraft gaat dit overigens niet, want als deze vliegeneieren produceren (en dus niet maagdelijk zijn) leven ze even lang als "normale"vliegen. Ook blijkt dat de vliegen die kunstmatig geselecteerd zljn, of dat nu voorkorter of langer leven is, minder goed presteren dan soortgenoten met een gemiddeldeSamenvattinglevensduur. Zo hebben deze vliegen verminderde levensvatbaarheid tijdens deontwikkeling, een langere ontwikkelingsduur en lager lichaamsgewicht. Volgens detheorie van antagonistische pleiotropie is het normaal dat levensduur samenhangt metandere eigenschappen, maar meestal wordt aangenomen dat er een eenvoudig verbandis. Dit is dus duidelijk niet altijd het geval.In Hoofdstuk 3 worden grote verschillen in vetgehalte (lipiden) tussen deselectielijnen aangetoond. Het lipidenmetabolisme is al eerder geassocieerd metvariatie voor levensduur. Er is eerder al geopperd dat langlevende vliegen beter tegenuithongering kunnen omdat ze grotere vetreserves aanlegden. Dit zou dan de oorzaakzijn van een verlaagde eiproductie in wijfies, omdat deze ook aftrankelijk is vanlipiden. Omdat er geen verschil in vroege reproductie meer wordt waargenomentussen de selectielijnen (hoofdstuk 2), werden ook geen verschillen in vetgehalte enresistentie tegen uithongering verwacht. Dergelijke verschillen worden wel degelijkgevonden, maar niet in de volgorde die verwacht zou worden op basis van een positiefverband tussen levensduur en stressresistentie. Er bestaat dus wel een associatie tussenhet lipidenmetabolisme en levensduur, maar hoe deze twee functioneel met elkaarsamenhangen, is nog onbekend. Ook werd verwacht dat er verhoogde ophoping vanlipiden in langlevende volwassen vliegen zou plaatsvinden, maar er blijken geenverschillen tussen selectielijnen te zrjn.Omdat onderhoud en reparatie van het lichaam belangrijke processen zijn in deevolutionaire theorieën van veroudering, is het niet vreemd dat van genen diebescherming bieden tegen stress en schade, verwacht werd dat ze levensduur kunnenbeihvloeden. Dit betreft vooral genen die zich richten tegen oxidatieve stress. Het ideedat oxidatieve stress een grote invloed op levensduur heeft, stamt van de vrijeradicalen theorie van Harman (1956). Hij dacht dat toxische zuurstofradicalen dietijdens normaal zuurstofmetabolisme ontstaan in het lichaam, veel schade aanrichtenaan de daar aanwezige eiwitten en vetzuren en aan het DNA in de celkern. InHoofdstuk 4 worden inderdaad verschillen in de resistentie tegen oxidatieve stresstussen selectielijnen gevonden. Deze oxidatieve stress wordt opgewekt door devliegen de chemische verbinding paraquat aan Íe bieden in het voedingsmedium.Eenmaal ingenomen, genereert paraquat zuurstofradicalen in het lichaam. Kortlevendevliegen blijken inderdaad een lagere overleving te hebben op voer met paraquat dannormale vliegen. Langlevende vliegen nemen meer paraquat in, maar hebbendesondanks een even lange overleving als normale vliegen, en kunnen dus groterehoeveelheden paraquat weerstaan. Kortlevende vliegen hebben dus een slechterafiveermechanisme tegen oxidatieve stress dan normale vliegen en langlevendevliegen juist een betere afweer.Onlangs werd in Drosophila een genetisch verband aangetoond tussen het dopaminemetabolisme en levensduur. In Hoofdstuk 5 wordt dit nader onderzocht. In mensen isdopamine een belangrijke neurotransmitter en verstoorde dopaminespiegels wordenverantwoordelijk gehouden voor aandoeningen als de ziekte van Parkinson. InDrosophila is dopamine naast zijn functie als neurotransmitter tevens nodig voor devorming van pigmenten. De selectielijnen verschillen van elkaar in lichaamskleur enook in hun dopaminespiegels, wat bevestigt dat er een verband bestaat tussendopamine en levensduur. Hoe de veranderde dopaminespiegels samenhangen metlevensduur is nog niet bekend, maar een tipje van de sluier kon worden opgelicht. Inkortlevende lijnen hangen hoge dopaminespiegels amen met een verhoogdebewegingsactiviteit en verhoogde ademhalingssnelheid. Dit wijst op een verhogingvan de oxidatieve stress in de kortlevende vliegen. De resultaten van de langlevendelijnen kloppen echter weer niet met deze hypothese, want deze hebben een normaledopaminespiegel n ademhalingssnelheid en, net als de kortlevende vliegen, ook eenverhoogde bewegingsactiviteit. Misschien wordt de langere levensduur in deze lijnenop een andere manier veroorzaakt. Omdat dopamine zowel gedrag als verschillendefusiologische processen beihvloedt, gaan genetische veranderingen in dedopaminespiegels waarschijnltlk gepaard met vele neveneffecten in, onder andere, deimmuunrespons en het paringsgedrag. Daarom is het dopamine metabolisme eenveelbelovend systeem voor onderzoek naar genetische associaties die voorspeldworden door de theorie van antagonistische pleiotropie, met positieve effecten vroeg,en negatieve ffecten laat in het leven.HET EFFECT VAN INTEELTDEPRESSIE OP LEVENSDUURInteeltdepressie ontstaat als naaste verwanten met elkaar nakomelingen krijgen. Dezenakomelingen lijden vaak aan afwijkingen en presteren minder goed op een grootaantal eigenschappen. Ook tijdens inteelt komt er genetische variatie voor levensduurtot uiting, wat doorgaans leidt tot een verkorte levensduur. Het is niet bekend of degenetische varianten die tot uiting komen tijdens inteeltdepressie ook levensduur inniet-ingeteelde individuen beïnvloeden. Het zou bijvoorbeeld mogelijk kunnen zijndat bepaalde genetisch beiïvloede aandoeningen vaker tot uiting komen tijdensinteeltdepressie. Om dit proces nader te onderzoeken wordt variatie voor levensduurin een set van sterk ingeteelde lijnen van Drosophila melanogaster onderzocht.SamenvattingIn Hoofdstuk 6 wordt onderzocht in hoeverre levensduur in inteeltlijnen beinvloedwordt door veroudering. Als de verkorte levensduur in inteeltlijnen het resultaat is vaneen versnelde veroudering, dan zou levensduur in inteeltlijnen op een vergelijkbaremanier moeten reageren op veranderingen in temperatuur als levensduur in nietingeteelde lijnen. Dit blijkt echter niet het geval te zijn. Dit wijst er op dat levensduurin inteeltlijnen korter is doordat deze een toegenomen gevoeligheid hebben voorandere doodsoorzaken, bijvoorbeeld infectie. De sterftekans in inteeltlijnen isinderdaad op alle, dus ook op jonge, leeftijden hoger is dan in niet ingeteelde lijnen.Aangezienjonge dieren nog niet sterven door veroudering, ondersteunt dit het idee datingeteelde vliegen minder weerbaar zijn.In het onderzoek beschreven in hoofdstuk 6 worden twee lijnen beschreven, diehoge voortijdige sterfte vertonen onder specifieke temperatuursomstandigheden. Dezelijnen kunnen wellicht belangrijke informatie leveren over de genetische oorzaken vaninteeltdepressie. Nader onderzoek van deze lijnen is dus gewenst en dit is beschrevenin Hoofdstuk 7. Eerst worden de condities uitgezocht waarop het letale (dodelijke)effect tot uiting kwam. Voor één lijn werd het letale effect tot expressie gebracht bijhoge temperatuur (29oC), terwijl de andere lijn slechts reageerde na een koudeschokbij 0oC, gevolgd door relatief koele temperaturen (20'C of lager). Met behulp vandeze gegevens kan worden bepaald wanneer de lijnen gevoelig zijn voor de dodelijkeconditïès. De hittegevoelige lijn is hiervoor ontvankelijk tijdens de gehele volwassenfase, maar niet tijdens de ontwikkeling. Het kan daarom niet worden uitgesloten dat debetrokken genen in deze lijn ook veroudering beïnvloeden in niet-ingeteelde vliegen.De koudegevoelige lijn echter is alleen gevoelig voor de dodelijke condities in hetpopstadium, en als jong volwassene (hooguit één dag oud), wat erop wijst dat desterfte wordt veroorzaakt door een defect in de ontwikkeline" en dus niets metveroudering te maken heeft.AFSLUITENDE OPMERKINGENHet is duidelijk dat veroudering een zeer complex proces is. De genetica vanlevensduur en veroudering hangt sterk samen met vele andere aspecten van delevensgeschiedenis, waardoor complexe patronen in meerdere eigenschappen ontstaan.Toch is het systeem erg flexibel, zodat bijvoorbeeld de mogelijkheid heeft bestaan omde verlaging van reproductie te compenseren in de langlevende vliegen. Hierdoorzouden genetische verbanden kunnen veranderen, wat de voorspelling van evolutie inde levenshistorie mstig kan vertroebelen.Vele verschillende mechanismen lqken levensduur te beïnvloeden. l och rs deverwachting dat de effecten van de meeste genen niet simpelweg optelbaar zljn, maardat hun interacties afhangen van de leeftijdsklasse die ze beïnvloeden. Dit wordtondersteund door het feit dat verschillende mechanismen voor de respons in kort- enlanglevende lijnen verantwoordelijk lijken te zijn. De specificiteit van mechanismenvoor bepaalde leeftijdsklassen kan ontdekt worden door leeftijdsspecifieke sterfte teanalyseren. Zo wordï bijvoorbeeld de afname in levensduur in vele inteeltlijnenveroorzaakt door verhoogde sterfte in alle leeftijdsklassen, terwijl in sommigegevallen genetische catastrofes optreden die sterftepieken geven tijdens een kleintijdsinterval. Dit geeft aan daï de verkoÍe levensduur in inteeltlijnen meestal wordtveroorzaakt door een verlaagde weerbaarheid en soms door verlies van vitale functies.De bij inteeltdepressie betrokken genen zouden kunnen bijdragen aan natuurlijkevariatie voor levensduur, maar dan waarschijnlijk alleen in relatief kortlevendeindividuen. Dit is ook van belang voor onderzoek aan veroudering in mensen. Destudie van ziekten die leiden tot versnelde veroudering kan wellicht ook informatieverschaffen over Ssiologische veroudering in relatief vroege leeftijdsklassen. Tot nogïoe zijn dergelijke zaken onbekend en is verder onderzoek noodzakelijk. Er is noggenoeg werk om een leven mee te kunnen vullen, zelfs een lang leven.r67

Genetics of lifespan determination in <i>Drosophila melanogaster</i>

https://pure.rug.nl/ws/files/2945144/C.J.Vermeulen.PDF

Genetics of lifespan determination in <i>Drosophila melanogaster</i>

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

ARTS repository - University of Groningen