Исследователи изучили биологический возраст королевских пингвинов, обитающих в естественной среде и в условиях зоопарка. Анализ показал, что избыточное питание и отсутствие физической активности приводят к более быстрому старению ДНК птиц. Вместе с тем, благодаря ветеринарной помощи и защищенной среде обитания, пингвины в зоопарках живут в полтора раза дольше, чем их сородичи, живущие в дикой природе.
Недостаток физической активности и переедание ускоряют процессы старения. Тем не менее, исследовать этот механизм у животных в их природной среде обитания сложно из-за ограниченного срока жизни лабораторных мышей. Королевские пингвины ( Aptenodytes paonicus) в настоящее время они представляют собой удобную модель для изучения. В естественных условиях во время размножения эти птицы могут испытывать голод до восьми недель и преодолевать расстояния до 1200 километров в поисках пропитания. В зоопарках же они регулярно получают пищу из рук людей и проявляют малоподвижность.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Communications, у 34 диких пингвинов с архипелага Крозе в Индийском океане и 30 птиц, содержащихся в зоопарках Цюриха и Тенерифе, была получена образцы периферической крови. Точный календарный возраст каждой особи был известен исследователям, благодаря многолетней системе мониторинга колоний.
После этого биологи определили степень метилирования ДНК – химические модификации генома, подверженные изменениям в процессе старения организма. При помощи ферментативной конверсии (EM-seq) была создана «эпигенетическая карта» и проведен расчет биологического возраста птиц. Кроме того, в исследовании провели сопоставление полученных данных с кривыми выживаемости, основанными на записях международных зоопарков и результатах 25-летнего мониторинга дикой популяции пингвинов.
Анализ данных выявил несоответствие между продолжительностью жизни и скоростью старения клеток. В условиях зоопарков средняя продолжительность жизни пингвинов составила 20,7 года, в то время как в Антарктике эти птицы жили в среднем 13,5 года. Эпигенетические часы у пингвинов, содержащихся в зоопарках, работали быстрее: биологический возраст клеток животных, обитающих в вольерах, был на 2,6-6,5 года больше, чем у клеток их диких сородичей. Для вида, потенциально способного доживать до 40 лет, эта разница весьма существенна. Исследователи протестировали свою математическую модель, используя данные о людях, и установили, что по своим масштабам такое ускорение старения сопоставимо с различием в возрасте между курильщиком и человеком, не курящим.
Уникальные модификации ДНК зафиксированы в 600 различных областях генома. В наибольшей степени трансформировалась функция генов, ответственных за клеточную пролиферацию, метаболизм жиров и суточные биологические часы, включая сигнальные каскады PI3K/Akt и mTOR. Масса тела птиц в обеих исследуемых группах практически не отличалась, варьируясь в пределах 11,8-12 килограммов, что позволило ученым исключить патологическое ожирение как основной фактор, влияющий на процесс старения.
Постоянное, не связанное с физической активностью, питание изменило метаболизм животных, содержащихся в зоопарке, спровоцировав непрерывную работу клеток в фазе роста и подавление процессов самовосстановления и аутофагии. Кроме того, исследователи отметили значительные изменения в метилировании гена рецептора глюкокортикоидов (который отвечает за уровень стресса) и генов, регулирующих циркадные ритмы (ген CRY1). В условиях неволи пингвины подвергаются воздействию искусственного освещения и не испытывают выраженных сезонных изменений, что нарушает их биологические часы на генетическом уровне.
Несоответствие между генетическими особенностями вида и условиями окружающей среды приводит к ускоренному износу клеток организма. Хотя защита от врагов, доступность пищи и медицинское обслуживание значительно увеличивают продолжительность жизни животных, это достигается за счет уменьшения периода их биологической молодости.