Изучены распределения продолжительности жизни у плодовой мушки
Сотрудники Института биологии гена (ИБГ) РАН и НМИЦ онкологии имени Н.Н. Блохина разработали новые методы оценки распределений продолжительности жизни и впервые описали распределения продолжительности жизни у дрозофилы. Исследование было поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ). Его результаты представлены в International Journal of Molecular Sciences.
«Наше исследование покрывает весь спектр вопросов относительно того, какими бывают распределения продолжительности жизни у дрозофилы, по крайней мере в лабораторных линиях. Каким или какими являются распределения продолжительности жизни в природных популяциях, ещё предстоит выяснить. Это одна из задач, над которой мы уже работаем», — рассказал руководитель проекта, научный сотрудник отдела регуляции генетических процессов лаборатории молекулярной организации генома ИБГ РАН кандидат биологических наук Олег Былино.
Продолжительность жизни является одним из самых сложных количественных признаков у человека. Удивительным образом закономерности выживаемости у дрозофилы, повторяют закономерности выживаемости у людей. Это явление было обнаружено ещё в начале века ХХ века выдающимся исследователем, современником Т.Х. Моргана профессором Раймондом Перлом, который предложил использовать продолжительность жизни в качестве главного показателя приспособленности.
Иллюстрация изменения формы распределения продолжительности жизни при умеренном её увеличении в ответ на введение модельной мутации
В настоящее время продолжительность жизни относят к главным компонентам Дарвинской приспособленности (признакам жизненного цикла особи), наряду с возрастом полового созревания, плодовитостью, фертильностью, числом детёнышей в выводке, размером новорождённого, длительностью периода беременности, лактации и возрастной динамикой выживания особей. Таким образом, помимо социального значения для человека, продолжительность жизни является одним из важнейших составляющих приспособленности животных. Отсюда чрезвычайно важным представляется знать закономерности изменений распределений этого признака в изучаемых популяциях в ответ на проведение разнообразных интервенций — средовых (образ жизни/условия содержания, питание, физическая нагрузка, температура, оксидативный стресс и т.д.), фармакологических (лекарства), генно-терапевтических и модельных генетических (на животных). Это понимание является необходимым условием продления жизни человека.
«Знание того, как и в ответ на какие воздействия меняется распределение продолжительности жизни у любимого объекта генетиков — дрозофилы, это первый шаг к увеличению продолжительности жизни человека. Разработка математического инструментария оценки таких распределений, безусловно, необходима. И что даже более ценно, что данное исследование было выполнено полностью отечественными учёными», — прокомментировал участник исследования, заведующий лаборатории механизмов гибели опухолевых клеток НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина Минздрава России доктор медицинских наук профессор Александр Штиль.
Существующие методы анализа данных выживаемости основаны на статистических тестах, сравнивающих кривые выживания Каплана-Мейера выборок в определённые моменты времени, например на основе медианной или максимальной продолжительности жизни. В дополнение к кривым выживания, как в медицинских, так и в биологических исследованиях, используются методы предиктивного анализа, такие как регрессия Кокса или модель ускоренного отказа, основанные на уравнении Гомперца, функции риска и построении кривых смертности. Однако все эти инструменты дают лишь общее представление о том, как нарастает смертность в изучаемой выборке от времени, в то время как чёткое понимание о распределении фенотипов по продолжительности жизни внутри изучаемой популяции эти методы не предоставляют. Это требует развития новых подходов к анализу данных выживаемости, ясно показывающих различия в структуре сравниваемых выборок.
Авторы работы решили проблему репрезентативного представления данных выживаемости иным образом, нежели кривые выживания или кривые смертности. Для отображения структуры выборки данные смертности были преобразованы в ряды продолжительности жизни, единицей измерения в которых выступает продолжительность жизни каждой отдельной особи. Для сглаживания влияния флуктуаций ежедневной смертности, авторы объединили смертность ближайших дней, разбив данные выживаемости на интервалы. Полученные таким образом интервализированные вероятностные ряды (частоты фенотипов по продолжительности жизни) позволили наглядно сравнивать распределения между собой.
Исследователи предложили также использовать для оценки распределений продолжительности жизни критерий нормальности. С этой целю для анализа исходных и интервализированных распределений были применены тесты Колмогорова-Смирнова для одиночных выборок и Шапиро-Уилка. Из всех протестированных вариантов наиболее информативным и чувствительным оказался анализ интервализированных распределений при помощи теста Шапиро-Уилка. Исследователи выяснили особенности функционирования этого теста в симуляциях и на экспериментальных данных.
Было установлено, что необходимым условием являются интервализация данных по правилу Стерджеса при одинаковом числе интервалов между сравниваемыми выборками (размер интервала между выборками может отличаться). Изменения продолжительности жизни и кривых выживания при воздействии модельных генетических интервенций (введение мутации) хорошо соотносились с изменениями качественных и количественных параметров нормальности, а в тех случаях, когда кривые выживания не различались, тест Шапиро-Уилка также не выявлял различий. Таким образом, использование качественных и количественных критериев нормальности расширяет инструментарий в исследованиях долголетия и старения.
Для визуализации распределений продолжительности жизни и удобного сравнения выборок между собой исследователи предложили накладывать на частотные распределения функцию нормального распределения или же функцию бета-распределения. Последняя точнее и разнообразнее описывает форму частотного ряда и, вдобавок, более проста в применении, в отличие от способов с использованием критериев асимметрии и эксцесса, тогда как нормальное распределение более унифицировано (имеет одинаковую форму для обоих сравниваемых выборок). При помощи бета-функции было показано, что распределения продолжительности жизни у дрозофилы могут быть нескольких типов: лево- и правостороннее бета-распределение, симметричное колоколоподобное распределение схожее с нормальным и платообразное (равномерное/линейное) распределение.
Исследователи обнаружили, что форма распределения менялась в зависимости от генотипа и пола выборки. При генетических интервенциях наблюдались переходы одного типа распределения в другой, вызванные или уменьшением или увеличением продолжительности жизни. Таким образом, изменения генов могут не только влиять на продолжительность жизни отдельных особей, модифицируя онтогенез, но и вызывать типичные изменения характера/формы распределения признака на популяционном уровне.
Также установлено, что характер распределения продолжительности жизни в контрольных линиях дикого типа, как предполагалось ранее, не обязательно должен соответствовать нормальному, и распределение в этих линиях может быть совершенно разных типов.
Текст: Олег Былино.
