Samenvatting VEROUDERING EN LEVENSDUUR Volgens een Engels gezegdebestaaner slechtstwee zekerhedenin ons bestaan: belastingenen de dood. Als schraletroost, delen we in ieder geval die laatste zekerheidmet de meerderheidvan levensvormendie de aardebevolken.Eencellige organismenzijn voor zover bekendde enigeorganismendie zich kunnenonttrekken aan het proces van aftakeling dat we kennen als veroudering. Meercellige levensvormen(planten,dieren en de meesteschimmels)lijden er allen in meer of minderemateaan,waarschijnlijkomdatzrj eenscheidingkennentussenlichaams-en niet. geslachtscellen. De lichaamscellen ondergaan veroudering,maarde geslachtslijn Overigensbestaaner grote verschillentussensoortenin de snelheidwaarmeedeze verouderenen de levensduurdie ze toebedeeldkrijgen. Zo kunnensommigebomen van het geslachtPinus,vergelijkbaarmet de dennendie veel mensenin de tuin hebben eenleeftijdbereikenvan bijna vijfduizendjaar, staan,onderdejuiste omstandigheden vele malen langerdan de maximalelevensduurvan mensen,die iets meer dan een eeuw bedraagt. Anderzijds heeft de langst levende fruitvlieg, Drosophila melanogaster, die ik tijdens het onderzoek beschrevenin dit proefschrift ben Dezewaaieraan eenleeftijdbereiktvan ietsminderdanvier maanden. tegengekomen levensdurenwordt gevormd door de erfelijke verschillendie aanwezigzijn tussen soorten.Maar ook binnen een soort bestaatvaak genetischbepaaldevariatievoor levensduur. Een gebruikelijkemaat voor het tempo van verouderingis de toenamevan de sterftekansmet toenemendeleeftijd. Het meten van sterftekansenaan individuen is uiteraard niet mogelijk en daarom dient dit te gebeurenin groepenvergelijkbare individuen. Door de grote werkbelastingvoor de onderzoekerwordt echter vaak gekozenvoor gemiddeldeof maximale levensduurals maat voor het tempo van veroudering.Hierbij moeter op geletwordendat levensduurniet alleenbepaaldwordt door veroudering,maar ook door anderefactoren, zoals vatbaarheidvoor ziekten of inteeltdepressie. Overigensis er zowel over de genetischefactorenvan veroudering als over die van levensduurweinig bekend, dus nadere karakteriseringvan beide is gewenst. Het onderzoek in dit proefschrift handelt over de eigenschappen beschrijvingen analysevan genetischbepaaldevariatie voor levensduurbinnen het modelorganismeD rosophila melanogaster.
vqr
I tgt tvatUt
t9
ACHTERGROND VAN HETONDEWOEK Het bestaanvan verouderingis voor evolutiebiologen erg onlogisch.Ztj zljn gewend dat het procesvan natuurlíjkeselectie,zoalsbeschreven door CharlesDarwin,ervoor zorgt dat organismen optimaal kunnen functioneren. Veroudering is echter overduidelijkeennadeligproces,dat dus eigenlijkniet zou moetenkunnenevolueren. Een aantalevolutionairetheorieënvan verouderingkunnen deze puzzel mogelijk gebaseerd:natuurlijke oplossen.Al dezetheorieënzijn op hetzelfdebasisgegeven selectieis mindereffectiefin het verwijderenvan kwalen en ziektesdie pas op late leeftijdtot uiting komen.Stelt U zich maareensvoor hoe onze vooroudersleefden, voordater modernegezondheidszorg of een constantevoedselvoorziening bestond. Vanwegeziekten en voedseltekorten was de vroegerelevensverwachting van een pasgeborene een jaar of dertig. Dit is juist de leeftijd waarop de invloed van veroudering voor de meestemensenmerkbaarwordt. Doordater toen,in tegenstelling tot vandaag,weinig oude mensenrondliepen,was het verouderingsproces verborgen en kon natuurlijkeselectiehier ook geeninvloedop uitoefenen;Verouderingbevond genoemdwordt. De verschillentussende meest zich in wat wel de "selectieschaduw" relevanteevolutionairetheorieënvan verouderingliggen in de details.Volgens de mutatieaccumulatietheorie van Medawar (1952) zal het genoom (het totaal aan genetische informatie)fungerenals een"genetische vuilnisbak"waarinzich in de loop van de generaties nadeligemutatiesvan genenkunnenophopen.Als dezegeneffecten plotselingfors toeneemt,zoals in de tot uiting komen,omdatde levensverwachting modernemenselijkesamenlevingis gebeurd,wordt dit zichtbaarals veroudering. Vanafdat momentkrijgt natuurlijkeselectieweer vat op het verouderingsproces, en zal de gemiddeldelevensduurgedurendevele generatiesweer toenemen.In de pleiotropie van Williams (1957) en disposablesomct theorieënvan aníagonistische (vrij verlaald:wegwerplichaam) van Kirkwood en Holliday (1979)zljn dezenadelige processen effecteneenbijproductvan met evolutionairevoordelenvroegin het leven. Zo zoubijvoorbeeldde ontwikkelingvan eenefficiënterimmuunsysteem eenvergrote kansop auto-immuunziekten, zoalsmultiple sclerose,later in het levenmet zich mee kunnenbrengen.Deze theorieënzijn bedachtom de evolutie van verouderingte kunnen verklaren,maar kunnen ook de aanwezigheidvan bestaandegenetische variatie voor veroudering binnen soorten verklaren. Onderzoek aan deze levensduurvariatie kan informatieverschaffenover de relatieveinvloedvan iedervan de hierbovengenoemdeevolutionaireprocessen.Om de verschillendeevolutionaire theorieënvan verouderingte kunnentesten,moetenwel de genendie bijdragenaande genetische variatievoor levensduurontmaskerdworden.Over de functiesvan deze genenzijn al vele theorieëngevormd,gebaseerd op resultatenuit eerderonderzoek.
Samenvatting Ook dezetheorieënkunnensetoetstwordendoor senetischevariatievoor levensduur te onderzoeken. SELECTIE OP LEVENSDUUR VOORDROSOPHILA Onderzoekaande genetischevariatievan levensduurin Drosophila wordt makkelijker alsje dezevariatieeerstuit elkaarpluist. Dit kun je bereikendoor selectie,net zoals duivenkwekersdoen om rassenmet mooie kleuren of vormen te fokken. Op een vergelijkbarewljze zljn voorheenlijnen van Drosophila kunstmatiggeselecteerd op verhoogdelevensduur.Vliegen uit deze lijnen werden veel ouder dan "normale" (slress).Helaas vliegen en waren veel weerbaardertegenongunstigeomstandigheden lieten deze lijnen ook zien dat er ernstige nadelen kleefden aan een verhoogde levensduur: Zij moesten voor hun hoge leeftijd boeten met een sterk verlaagde productie van nakomelingen vroeg in hun leven. Deze balans tussen twee eigenschappen wordt een trade-off genoemd.Dit resultaatstrookt met de disposable soma theorie, die stelt dat de energie die nodig is om extra lang te kunnen leven onttrokkenwordt aanhet reproductieproces. In dit proefschrift beschrijven we enkele eigenschappendie veranderdzrjn in gemaaktdoor Zwaanen samenhang met levensduurin een unieke set selectielijnen, collega's(1995). Deze lijnen zijn bijzonderomdat ze, andersdan gebruikelijkis, geselecteerdzljn op maagdelijke(dus niet-reproducerende) levensduuren omdat er niet alleen lijnen met verlengdemaar ook met verkorte levensduurzijn gemaakt.Ook in deze lijnen werd een verlaagde vroege reproductie gevonden in vliegen geselecteerd voor levensverlenging. In Hoofdstuk 2 van dit proefschriftwordt beschrevenhoe, bijna tien jaar nadat selectievan deze lijnen gestaaktwas, de selectieprocedure opnieuwwordt gestart. Naastde originele set lijnen (de primaire set) wordt door een aantalextra generaties selectieook eennieuweset selectielijnen(de afgeleideset)gemaakt.Daarnaworden een aantal belangrijke eigenschappen onderzochtin beide sets.Daaruit blijkt dat de vliegenuit de langlevendelijnen helemaalgeenverlaagdereproductiemeerhebben, noch in de primaire noch in de afgeleideset. Deze vliegen hebbeneen inhaalslag gemaakttijdens de tien jaar zonderselectie,zonderdat het verschil in maagdelijke levensduuris beinvloed.Ongestraftgaat dit overigensniet, want als deze vliegen eieren produceren(en dus niet maagdelijk zijn) leven ze even lang als "normale" vliegen.Ook blijkt dat de vliegen die kunstmatiggeselecteerd zljn, of dat nu voor korterof langerlevenis, mindergoedpresterendan soortgenoten met eengemiddelde
Samenvatting levensduur. Zo hebben deze vliegen verminderde levensvatbaarheidtijdens de ontwikkeling,een langereontwikkelingsduuren lager lichaamsgewicht. Volgensde pleiotropieis het normaaldat levensduursamenhangt theorievan antagonistische met maarmeestalwordt aangenomendat er eeneenvoudigverband andereeigenschappen, is. Dit is dusduidelijkniet altijd het geval. In Hoofdstuk 3 worden grote verschillen in vetgehalte(lipiden) tussen de selectielijnenaangetoond.Het lipidenmetabolismeis al eerder geassocieerdmet variatievoor levensduur. Er is eerderal geopperddat langlevende vliegenbetertegen uithongeringkunnenomdat ze groterevetreservesaanlegden.Dit zou dan de oorzaak zijn van een verlaagdeeiproductie in wijfies, omdat deze ook aftrankelijk is van lipiden. Omdat er geen verschil in vroege reproductiemeer wordt waargenomen tussende selectielijnen(hoofdstuk2), werdenook geenverschillenin vetgehalteen resistentie tegenuithongeringverwacht.Dergelijkeverschillenworden wel degelijk gevonden, maarniet in de volgordedie verwachtzou wordenop basisvan eenpositief verbandtussenlevensduuren stressresistentie. Er bestaatduswel eenassociatie tussen het lipidenmetabolisme en levensduur,maar hoe deze twee functioneelmet elkaar samenhangen, is nog onbekend.Ook werd verwachtdat er verhoogdeophopingvan lipiden in langlevendevolwassenvliegen zou plaatsvinden,maar er blijken geen verschillen tussenselectielijnen te zrjn. Omdatonderhouden reparatievan het lichaam belangrijkeprocessenzijn in de evolutionairetheorieënvan veroudering,is het niet vreemd dat van genen die beschermingbiedentegen stressen schade,verwachtwerd dat ze levensduurkunnen beihvloeden.Dit betreft vooral genendie zich richten tegenoxidatievestress.Het idee dat oxidatievestresseen grote invloed op levensduurheeft, stamt van de vrije radicalentheorievan Harman (1956). Hij dacht dat toxischezuurstofradicalen die tijdensnormaalzuurstofmetabolismeontstaanin het lichaam,veel schadeaanrichten aan de daar aanwezigeeiwitten en vetzuren en aan het DNA in de celkern. In Hoofdstuk 4 worden inderdaadverschillenin de resistentietegenoxidatievestress tussenselectielijnengevonden.Deze oxidatieve stresswordt opgewekt door de vliegende chemischeverbindingparaquataan Íe bieden in het voedingsmedium. Eenmaalingenomen,genereertparaquatzuurstofradicalenin het lichaam.Kortlevende vliegenblijken inderdaadeen lagereoverlevingte hebbenop voer met paraquatdan normale vliegen. Langlevendevliegen nemen meer paraquat in, maar hebben desondanks een even lange overlevingals normalevliegen,en kunnen dus grotere paraquatweerstaan.Kortlevendevliegen hebben dus een slechter hoeveelheden
afiveermechanismetegen oxidatieve stress dan normale vliegen en langlevende vliegenjuist eenbetereafweer.
Onlangswerd in Drosophila eengenetischverbandaangetoondtussenhet dopamine metabolismeen levensduur.In Hoofdstuk 5 wordt dit naderonderzocht.In mensenis dopamineeen belangrijkeneurotransmitter en verstoordedopaminespiegels worden verantwoordelijkgehoudenvoor aandoeningenals de ziekte van Parkinson.In Drosophila is dopaminenaastzijn functie als neurotransmittertevensnodig voor de vorming van pigmenten.De selectielijnen verschillenvan elkaarin lichaamskleur en ook in hun dopaminespiegels, wat bevestigt dat er een verband bestaattussen dopamine en levensduur.Hoe de veranderdedopaminespiegelssamenhangen met levensduuris nog niet bekend,maareentipje van de sluier kon wordenopgelicht.In kortlevende lijnen hangen hoge dopaminespiegelssamen met een verhoogde bewegingsactiviteit en verhoogdeademhalingssnelheid. Dit wijst op een verhoging van de oxidatievestressin de kortlevendevliegen. De resultatenvan de langlevende lijnen kloppen echterweer niet met deze hypothese,want deze hebbeneen normale dopaminespiegel en ademhalingssnelheid en, net als de kortlevendevliegen,ook een verhoogdebewegingsactiviteit. Misschienwordt de langerelevensduurin dezelijnen op een anderemanier veroorzaakt.Omdat dopaminezowel gedragals verschillende fusiologische processen beihvloedt, gaan genetische veranderingen in de dopaminespiegels waarschijnltlkgepaardmet vele neveneffecten in, onderandere,de immuunresponsen het paringsgedrag. Daarom is het dopaminemetabolismeeen veelbelovendsysteemvoor onderzoeknaar genetischeassociatiesdie voorspeld pleiotropie,met positieveeffectenvroeg, wordendoor de theorievan antagonistische en negatieveeffectenlaatin het leven. HET EFFECTVAN INTEELTDEPRESSIE OP LEVENSDUUR
Inteeltdepressie ontstaatals naasteverwantenmet elkaarnakomelingenkrijgen. Deze nakomelingenlijden vaak aan afwijkingenen presterenminder goed op een groot aantaleigenschappen. Ook tijdensinteeltkomt er genetische variatievoor levensduu tot uiting, wat doorgaansleidt tot een verkorte levensduur.Het is niet bekendof de genetischevariantendie tot uiting komen tijdens inteeltdepressie ook levensduurin niet-ingeteelde individuenbeïnvloeden.Het zou bijvoorbeeldmogelijk kunnenzijn dat bepaalde genetisch beiïvloede aandoeningenvaker tot uiting komen tijdens inteeltdepressie. Om dit procesnaderte onderzoekenwordt variatie voor levensduur in eensetvan sterkingeteeldelijnen van Drosophila melanogasteronderzocht.
Samenvatting In Hoofdstuk 6 wordt onderzochtin hoeverrelevensduurin inteeltlijnenbeinvloed wordt door veroudering.Als de verkortelevensduurin inteeltlijnenhet resultaatis van een versneldeveroudering,dan zou levensduurin inteeltlijnen op een vergelijkbare manier moeten reagerenop veranderingenin temperatuur als levensduurin niet ingeteelde lijnen.Dit blijkt echterniet het gevalte zijn. Dit wijst er op dat levensduur in inteeltlijnen korter is doordat deze een toegenomengevoeligheidhebben voor andere doodsoorzaken,bijvoorbeeld infectie. De sterftekansin inteeltlijnen is inderdaadop alle, dus ook op jonge, leeftijdenhogeris dan in niet ingeteeldelijnen. Aangezienjongedierennog niet stervendoor veroudering,ondersteuntdit het idee dat ingeteelde vliegenminderweerbaarzijn. In het onderzoekbeschrevenin hoofdstuk 6 worden twee lijnen beschreven,die Deze hogevoortijdige sterftevertonenonder specifieketemperatuursomstandigheden. lijnen kunnenwellicht belangrijkeinformatie leverenover de genetischeoorzakenvan Naderonderzoekvan dezelijnen is dus gewensten dit is beschreven inteeltdepressie. in Hoofdstuk 7. Eerst worden de condities uitgezochtwaarop het letale (dodelijke) effecttot uiting kwam. Voor één lijn werd het letale effect tot expressiegebrachtbij hogetemperatuur(29oC),terwijl de anderelijn slechtsreageerdena een koudeschok bij 0oC,gevolgddoor relatief koele temperaturen(20'C of lager).Met behulp van kan wordenbepaaldwanneerde lijnen gevoeligzijn voor de dodelijke dezegegevens conditïès.De hittegevoeligelijn is hiervoorontvankelijktijdensde gehelevolwassen fase,maarniet tijdens de ontwikkeling. Het kan daaromniet wordenuitgeslotendat de betrokkengenenin dezelijn ook verouderingbeïnvloedenin niet-ingeteeldevliegen. De koudegevoelige lijn echteris alleengevoeligvoor de dodelijkeconditiesin het popstadium,en als jong volwassene(hooguit één dag oud), wat erop wijst dat de sterfte wordt veroorzaaktdoor een defect in de ontwikkeline" en dus niets met verouderingte makenheeft. AFSLUITENDE OPMERKINGEN Het is duidelijk dat verouderingeen zeer complex proces is. De geneticavan levensduuren veroudering hangt sterk samen met vele andere aspectenvan de ontstaan. levensgeschiedenis, waardoorcomplexepatronenin meerdereeigenschappen Tochis het systeemerg flexibel,zodatbijvoorbeeldde mogelijkheidheeftbestaanom de verlaging van reproductie te compenserenin de langlevendevliegen. Hierdoor zoudengenetischeverbandenkunnenveranderen,wat de voorspellingvan evolutie in emstig kan vertroebelen. de levenshistorie
Vele verschillende mechanismenlqken levensduur te beïnvloeden. l och rs de verwachtingdat de effectenvan de meestegenenniet simpelwegoptelbaarzljn, maar dat hun interactiesafhangenvan de leeftijdsklassedie ze beïnvloeden.Dit wordt ondersteunddoor het feit dat verschillendemechanismenvoor de responsin kort- en langlevendelijnen verantwoordelijklijken te zijn. De specificiteit van mechanismen voor bepaaldeleeftijdsklassenkan ontdekt worden door leeftijdsspecifiekesterftete analyseren.Zo wordï bijvoorbeeld de afname in levensduur in vele inteeltlijnen veroorzaakt door verhoogde sterfte in alle leeftijdsklassen,terwijl in sommige gevallen genetischecatastrofesoptreden die sterftepiekengeven tijdens een klein tijdsinterval. Dit geeft aan daï de verkoÍe levensduurin inteeltlijnen meestalwordt veroorzaaktdoor eenverlaagdeweerbaarheiden somsdoor verlies van vitale functies. De bij inteeltdepressiebetrokken genen zouden kunnen bijdragen aan natuurlijke variatie voor levensduur, maar dan waarschijnlijk alleen in relatief kortlevende individuen. Dit is ook van belang voor onderzoekaan veroudering in mensen.De studie van ziekten die leiden tot versneldeverouderingkan wellicht ook informatie verschaffenover Ssiologischeverouderingin relatief vroegeleeftijdsklassen.Tot nog ïoe zijn dergelijke zaken onbekenden is verder onderzoeknoodzakelijk. Er is nog genoegwerk om eenleven meete kunnenvullen, zelfs eenlang leven.
r67
