БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 12, с. 2019–2032

УДК 577.24

Планетарный метроном как регулятор продолжительности жизни и темпа старения: метрономная гипотеза

© 2022 А.М. Оловниковolovnikov@gmail.com

Институт биохимической физики имени Н.М. Эмануэля РАН, 119334 Москва, Россия

Поступила в редакцию 11.11.2022
После доработки 16.11.2022
Принята к публикации 16.11.2022

DOI: 10.31857/S0320972522120181

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: онтогенез, старение, теории старения, вентрикулярная система мозга, СМЖ-контактирующие нейроны, гипоталамус, движения Земли, нутации, полярное движение.

Статья на английском языке опубликована в режиме Open Access (открытого доступа) на сайте издательства Springer. DOI: 10.1134/S0006297922120197.

Аннотация

Предложен метрономный механизм управления длительностью периодов онтогенетического цикла животного организма. Метрономная система состоит из серии компонентов. В их числе: вентрикулярная система мозга, планета Земля как участница генерации метрономных сигналов и темпоральная ДНК (тДНК) как субстрат, эпигенетически маркируемый для учета истекшего времени онтогенеза. Метрономная система генерирует повторяющиеся сигналы в виде гидродинамических возмущений в спинномозговой жидкости (СМЖ). Метрономный эффект возникает благодаря наложению двух процессов – пристеночного однонаправленного потока СМЖ и осцилляций в движениях планеты. Гидродинамические удары метронома трансформируются в нервные импульсы, которые инициируют акты эпигенетической модификации тДНК в нейронах, меняя содержание факторов, экспрессируемых этой ДНК для иннервируемых мишеней организма. Продолжительность периодов онтогенетического цикла, включая продолжительность взрослой жизни, зависит от темпа актов модификации тДНК. Этот темп зависит главным образом от частоты метрономных сигналов, используемых каждым конкретным биологическим видом. Но на эти эпигенетические акты могут также влиять факторы, способные модулировать метаболизм и темп модификаций хроматина, например калорийно ограниченная диета и др.

Благодарности

Выражаю благодарность А.И. Калмыковой и И.А. Оловникову за помощь в редактировании, за советы и обсуждение.

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Работа выполнена без привлечения животных и людей в качестве испытуемых.

Список литературы

1. Medvedev, Z. A. (1990) An attempt at a rational classification of theories of ageing, Biol. Rev. Cambr. Philos. Soc., 65, 375-398, doi: 10.1111/j.1469-185x.1990.tb01428.x.

2. Kirkwood, T. B. (2011) Systems biology of ageing and longevity, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B Biol. Sci., 366, 64-70, doi: 10.1098/rstb.2010.0275.

3. Khokhlov, A. N. (2013) Does aging need its own program, or is the program of development quite sufficient for it? Stationary cell cultures as a tool to search for anti-aging factors, Curr. Aging Sci., 6, 14-20, doi: 10.2174/18746098112059990009.

4. Olovnikov, A. M. (2022) Aging theories, Encyclopedia of Gerontology and Population Aging, Springer International Publishing, doi: 10.1007/978-3-030-22009-9_32.

5. Weismann, A. (1889) Essays upon Heredity and Kindred Biological Problems, Clarendon Press, Oxford.

6. Kirkwood, T. B., and Cremer, T. (1982) Cytogerontology since 1881: a reappraisal of August Weismann and a review of modern progress, Hum. Genet., 60, 101-121, doi: 10.1007/BF00569695.

7. Libertini, G., Corbi, G., Conti, V., Shubernetskaya, O., and Ferrara, N. (2021) Evolutionary Gerontology and Geriatrics: Why and How We Age, Springer Nature, doi: 10.1007/978-3-030-73774-0_1.

8. Skulachev, V. P. (2012) What is “phenoptosis” and how to fight it? Biochemistry (Moscow), 77, 689-706, doi: 10.1134/S0006297912070012.

9. Skulachev, V. P., Shilovsky, G. A., Putyatina, T. S., Popov, N. A., Markov, A. V., Skulachev, M. V., and Sadovnichii, V. A. (2020) Perspectives of Homo sapiens lifespan extension: focus on external or internal resources? Aging (Albany NY), 12, 5566-5584, doi: 10.18632/aging.102981.

10. Gems, D., and de Magalhães, J. P. (2021) The hoverfly and the wasp: a critique of the hallmarks of aging as a paradigm, Ageing Res. Rev., 70, 101407, doi: 10.1016/j.arr.2021.101407.

11. Gladyshev, V. N. (2016) Aging: progressive decline in fitness due to the rising deleteriome adjusted by genetic, environmental, and stochastic processes, Aging Cell, 15, 594-602, doi: 10.1111/acel.12480.

12. Gems, D. (2022) The hyperfunction theory: an emerging paradigm for the biology of aging, Ageing Res. Rev., 74, 101557, doi: 10.1016/j.arr.2021.101557.

13. Blagosklonny, M. V. (2022) Hallmarks of cancer and hallmarks of aging, Aging (Albany NY), 14, 4176-4187, doi: 10.18632/aging.204082.

14. Bou Sleiman, M., Roy, S., Gao, A. W., Sadler, M. C., von Alvensleben, G. V. G., Li, H., Sen, S., Harrison, D. E., Nelson, J. F., Strong, R., Miller, R. A., Kutalik, Z., Williams, R. W., and Auwerx, J. (2022) Sex- and age-dependent genetics of longevity in a heterogeneous mouse population, Science, 377, eabo3191, doi: 10.1126/science.abo3191.

15. Lopez-Otin, C., Blasco, M. A., Partridge, L., Serrano, M., and Kroemer, G. (2013) The hallmarks of aging, Cell, 153, 1194-1217, doi: 10.1016/j.cell.2013.05.039.

16. Sibois, A. E., Desai, S. D., Bertiger, W., and Haines, B. J. (2017) Analysis of decade-long time series of GPS-based polar motion estimates at 15-min temporal resolution, J. Geodesy, 91, 965-983, doi: 10.1007/S00190-017-1001-6.

17. Zajdel, R., Sośnica, K., Bury, G., Dach, R., Prange, L., and Kazmierski, K. (2021) Sub-daily polar motion from GPS, GLONASS, and Galileo, J. Geodesy, 95, 1-27, doi: 10.1007/S00190-020-01453-W.

18. Bizouard, C. (2020) Geophysical Modelling of the Polar Motion, de Gruyter GmbH & Co KG.

19. Dehant, V., Mathews, P. M. (2015) Precession, Nutation, and Wobble of the Earth, Cambridge University Press.

20. Loper, D. E. (2017) Geophysical Waves and Flows. Theory and Applications in the Atmosphere, Hydrosphere and Geosphere, Cambridge University Press.

21. Sidorenkov, N. S. (2009) The Interaction Between Earth’s Rotation and Geophysical Processes, John Wiley & Sons.

22. Wei, E., Jin, S., Wan, L., Liu, W., Yang, Y., and Hu, Z. (2015) High frequency variations of Earth Rotation Parameters from GPS and GLONASS observations, Sensors (Basel, Switzerland), 15, 2944-2963, doi: 10.3390/S150202944.

23. Amoruso, A., and Crescentini, L. (2020) Parameters of the Earth’s free core nutation from diurnal strain tides, Sci. Rep., 10, 9756, doi: 10.1038/s41598-020-66426-7.

24. Triana, S. A., Trinh, A., Rekier, J., Zhu, P., and Dehant, V. (2021) The viscous and ohmic damping of the Earth’s free core nutation, J. Geophys. Res. Solid Earth, 126, e2020JB021042, doi: 10.1029/2020JB021042.

25. Krylov, S. S., Perepelkin, V. V., and Soe, W. Y. (2021) Short-term forecast of the Earth’s pole motion, taking into account lunar disturbances, Mech. Solids, 55, 892-897, doi: 10.3103/S002565442006014X.

26. Rekier, J. (2022) Free core nutation and its relation to the spin-over mode, Planet. Sci. J., 3, 133, doi: 10.3847/PSJ/AC6CE2.

27. Rekier, J., Chao, B. F., Chen, J., Dehant, V., Rosat, S., and Zhu, P. (2021) Earth’s rotation: observations and relation to deep interior, Surveys Geophys., 43, 149-175, doi: 10.1007/S10712-021-09669-X.

28. Zotov, L., Bizouard, C., Shum, C. K., Zhang, C., Sidorenkov, N., and Yushkin, V. (2022) Analysis of Earth’s polar motion and length of day trends in comparison with estimates using second degree stokes coefficients from satellite gravimetry, Adv. Space Res., 69, 308-318, doi: 10.1016/J.ASR.2021.09.010.

29. Akulenko, L. D., Kumakshev, S. A., Markov, Y. G., and Rykhlova, L. V. (2005) A gravitational-tidal mechanism for the Earth’s polar oscillations, Astron. Rep., 49, 847-857, doi: 10.1134/1.2085254.

30. Perepelkin, V. V., Rykhlova, L. V., and Soe, W. Y. (2022) In-phase variations in the parameters of the Earth’s pole motion and the lunar orbit precession, Astron. Rep., 66, 80-91, doi: 10.1134/S1063772922020081.

31. Markov, Y. G., Perepelkin, V. V., Rykhlova, L. V., Filippova, A. S., and Le Zung, N. (2014) Modeling intraday oscillations of the Earth’s pole, Astron. Rep., 58, 194-203, doi: 10.1134/S106377291402005X.

32. Bizouard, C., Nurul Huda, I., Ziegler, Y., and Lambert, S. (2020) Frequency dependence of the polar motion resonance, Geophys. J. Int., 220, 753-758, doi: 10.1093/GJI/GGZ463.

33. Ziegler, Y., Lambert, S. B., Nurul Huda, I., Bizouard, C., and Rosat, S. (2020) Contribution of a joint Bayesian inversion of VLBI and gravimetric data to the estimation of the free inner core nutation and free core nutation resonance parameters, Geophys. J. Int., 222, 845-860, doi: 10.1093/GJI/GGAA181.

34. Dehant, V., Laguerre, R., Rekier, J., Rivoldini, A., Triana, S. A., Trinh, A., Van Hoolst, T., and Zhu, P. (2017) Understanding the effects of the core on the nutation of the Earth, Geodesy Geodynam., 8, 389-395, doi: 10.1016/J.GEOG.2017.04.005.

35. Kumakshev, S. A. (2018) Gravitational-tidal model of oscillations of Earth’s poles, Mech. Solids, 53, 159-163, doi: 10.3103/S0025654418020061.

36. Chao, B. F. (2017) On rotational normal modes of the Earth: Resonance, excitation, convolution, deconvolution and all that, Geodesy Geodynam., 8, 371-376, doi: 10.1016/J.GEOG.2017.03.014.

37. Yatskiv, Y. S. (1980) Nearly Diurnal Free Polar Motion Derived from Astronomical Latitude and Time Observations, in Nutation and the Earth’s Rotation. International Astronomical Union/Union Astronomique Internationale (Fedorov, E. P., Smith, M. L., Bender, P. L., eds) vol. 78, Springer, Dordrecht, doi: 10.1007/978-94-010-9568-6_11.

38. Kumar, V., Umair, Z., Kumar, S., Goutam, R. S., Park, S., and Kim, J. (2021) The regulatory roles of motile cilia in CSF circulation and hydrocephalus, Fluids Barr. CNS, 18, 31, doi: 10.1186/s12987-021-00265-0.

39. Sawamoto, K., Wichterle, H., Gonzalez-Perez, O., Cholfin, J. A., Yamada, M., Spassky, N., Murcia, N. S., Garcia-Verdugo, J. M., Marin, O., Rubenstein, J. L., Tessier-Lavigne, M., Okano, H., and Alvarez-Buylla, A. (2006) New neurons follow the flow of cerebrospinal fluid in the adult brain, Science, 311, 629-632, doi: 10.1126/science.1119133.

40. Ringers, C., Olstad, E. W., and Jurisch-Yaksi, N. (2020) The role of motile cilia in the development and physiology of the nervous system, Philos. Trans. R. Soc. Lond. Ser. B. Biol. Sci., 375, 20190156, doi: 10.1098/rstb.2019.0156.

41. Olstad, E. W., Ringers, C., Hansen, J. N., Wens, A., Brandt, C., Wachten, D., Yaksi, E., and Jurisch-Yaksi, N. (2019) Ciliary beating compartmentalizes cerebrospinal fluid flow in the brain and regulates ventricular development, Curr. Biol., 29, 229-241.e226, doi: 10.1016/j.cub.2018.11.059.

42. Vigh, B., Manzano e Silva, M. J., Frank, C. L., Vincze, C., Czirok, S. J., Szabo, A., Lukats, A., and Szel, A. (2004) The system of cerebrospinal fluid-contacting neurons. Its supposed role in the nonsynaptic signal transmission of the brain, Histol. Histopathol., 19, 607-628, doi: 10.14670/HH-19.607.

43. Vigh-Teichmann, I., and Vigh, B. (1983) The system of cerebrospinal fluid-contacting neurons, Arch. Histol. Japon., 46, 427-468, doi: 10.1679/AOHC.46.427.

44. Jalalvand, E., Robertson, B., Tostivint, H., Low, P., Wallen, P., and Grillner, S. (2018) Cerebrospinal fluid-contacting neurons sense pH changes and motion in the hypothalamus, J. Neurosci., 38, 7713-7724, doi: 10.1523/JNEUROSCI.3359-17.2018.

45. Yildiz, S., Grinstead, J., Hildebrand, A., Oshinski, J., Rooney, W. D., Lim, M. M., and Oken, B. (2022) Immediate impact of yogic breathing on pulsatile cerebrospinal fluid dynamics, Sci. Rep., 12, 10894, doi: 10.1038/s41598-022-15034-8.

46. Kedarasetti, R. T., Drew, P. J., and Costanzo, F. (2020) Arterial pulsations drive oscillatory flow of CSF but not directional pumping, Sci. Rep., 10, 10102, doi: 10.1038/s41598-020-66887-w.

47. Siyahhan, B., Knobloch, V., de Zelicourt, D., Asgari, M., Schmid Daners, M., Poulikakos, D., and Kurtcuoglu, V. (2014) Flow induced by ependymal cilia dominates near-wall cerebrospinal fluid dynamics in the lateral ventricles, J. R. Soc. Interf., 11, 20131189, doi: 10.1098/rsif.2013.1189.

48. Salman, H. E., Jurisch-Yaksi, N., and Yalcin, H. C. (2022) Computational modeling of motile cilia-driven cerebrospinal flow in the brain ventricles of zebrafish embryo, Bioengineering, 9, 421, doi: 10.3390/bioengineering9090421.

49. Faubel, R. J., Santos Canellas, V. S., Gaesser, J., Beluk, N. H., Feinstein, T. N., Wang, Y., Yankova, M., Karunakaran, K. B., King, S. M., Ganapathiraju, M. K., and Lo, C. W. (2022) Flow blockage disrupts cilia-driven fluid transport in the epileptic brain, Acta Neuropathol., 144, 691-706, doi: 10.1007/s00401-022-02463-y.

50. Ohata, S., Herranz-Perez, V., Nakatani, J., Boletta, A., Garcia-Verdugo, J. M., and Alvarez-Buylla, A. (2015) Mechanosensory genes Pkd1 and Pkd2 contribute to the planar polarization of brain ventricular epithelium, J. Neurosci., 35, 11153-11168, doi: 10.1523/JNEUROSCI.0686-15.2015.

51. Texada, M. J., Koyama, T., and Rewitz, K. (2020) Regulation of body size and growth control, Genetics, 216, 269-313, doi: 10.1534/genetics.120.303095.

52. Malita, A., and Rewitz, K. (2021) Interorgan communication in the control of metamorphosis, Curr. Opin. Insect Sci., 43, 54-62, doi: 10.1016/j.cois.2020.10.005.

53. Shalev, D., and Melamed, P. (2020) The role of the hypothalamus and pituitary epigenomes in central activation of the reproductive axis at puberty, Mol. Cell Endocrinol., 518, 111031, doi: 10.1016/j.mce.2020.111031.

54. Wakhloo, D., Oberhauser, J., Madira, A., and Mahajani, S. (2022) From cradle to grave: neurogenesis, neuroregeneration and neurodegeneration in Alzheimer’s and Parkinson’s diseases, Neural Regen. Res., 17, 2606-2614, doi: 10.4103/1673-5374.336138.

55. Dilman, V. M. (1971) Age-associated elevation of hypothalamic, threshold to feedback control, and its role in development, ageine, and disease, Lancet, 1, 1211-1219, doi: 10.1016/s0140-6736(71)91721-1.

56. Zwaan, B. J. (2003) Linking development and aging, Sci. Aging Knowledge Environ., 2003, pe32, doi: 10.1126/sageke.2003.47.pe32.

57. Partridge, L., and Gems, D. (2002) A lethal side-effect, Nature, 418, 921, doi: 10.1038/418921a.

58. Dilman, V. M. (1994) Development, Aging and Disease: A New Rationale for an Intervention Strategy, Routledge.

59. De Magalhães, J. P., and Church, G. M. (2005)Genomes optimize reproduction: aging as a consequence of the developmental program, Physiology (Bethesda), 20, 252-259, doi: 10.1152/physiol.00010.2005.

60. Khan, N., Kim, S. K., Gagneux, P., Dugan, L. L., and Varki, A. (2020) Maximum reproductive lifespan correlates with CD33rSIGLEC gene number: Implications for NADPH oxidase-derived reactive oxygen species in aging, FASEB J., 34, 1928-1938, doi: 10.1096/fj.201902116R.

61. Hook, M., Roy, S., Williams, E. G., Bou Sleiman, M., Mozhui, K., Nelson, J. F., Lu, L., Auwerx, J., and Williams, R. W. (2018) Genetic cartography of longevity in humans and mice: current landscape and horizons, Biochim. Biophys. Acta. Mol. Basis Dis., 1864, 2718-2732, doi: 10.1016/j.bbadis.2018.01.026.

62. Capri, M., Santoro, A., Garagnani, P., Bacalini, M. G., Pirazzini, C., Olivieri, F., Procopio, A., Salvioli, S., and Franceschi, C. (2014) Genes of human longevity: an endless quest? Curr Vasc. Pharmacol., 12, 707-717, doi: 10.2174/1570161111666131219110301.

63. Brooks-Wilson, A. R. (2013) Genetics of healthy aging and longevity, Hum. Genet., 132, 1323-1338, doi: 10.1007/s00439-013-1342-z.

64. Caruso, C., Ligotti, M. E., Accardi, G., Aiello, A., Duro, G., Galimberti, D., and Candore, G. (2022) How important are genes to achieve longevity? Int. J. Mol. Sci., 23, 5635, doi: 10.3390/ijms23105635.

65. Nuzhdin, S. V., Pasyukova, E. G., Dilda, C. L., Zeng, Z. B., and Mackay, T. F. (1997) Sex-specific quantitative trait loci affecting longevity in Drosophila melanogaster, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94, 9734-9739, doi: 10.1073/pnas.94.18.9734.

66. Van Bodegom, D., May, L., Meij, H. J., and Westendorp, R. G. (2007) Regulation of human life histories: the role of the inflammatory host response, Ann. N.Y. Acad. Sci., 1100, 84-97, doi: 10.1196/annals.1395.007.

67. Reznick, D., Bryant, M. J., and Bashey, F. (2002) R- and K-selection revisited: the role of population regulation in life-history evolution, Ecology, 83, 1509-1520, doi: 10.2307/3071970.

68. McHugh, K. M., and Burke, M. K. (2022) From microbes to mammals: the experimental evolution of aging and longevity across species, Evolution, 76, 692-707, doi: 10.1111/evo.14442.

69. Nagai, J., Lin, C. Y., and Sabour, M. P. (1995) Lines of mice selected for reproductive longevity, Growth Dev. Aging, 59, 79-91.

70. Helle, S., Lummaa, V., and Jokela, J. (2005) Are reproductive and somatic senescence coupled in humans? Late, but not early, reproduction correlated with longevity in historical Sami women, Proc. Biol. Sci., 272, 29-37, doi: 10.1098/rspb.2004.2944.

71. Campisi, J., Kapahi, P., Lithgow, G. J., Melov, S., Newman, J. C., and Verdin, E. (2019) From discoveries in ageing research to therapeutics for healthy ageing, Nature, 571, 183-192, doi: 10.1038/s41586-019-1365-2.

72. Bartke, A. (2022) Somatotropic axis, pace of life and aging, Front. Endocrinol. (Lausanne), 13, 916139, doi: 10.3389/fendo.2022.916139.

73. Olovnikov, A. M. (2021) Role of the Earth’s Motions in plant orientation – planetary mechanism, Biochemistry (Moscow), 86, 1388-1394, doi: 10.1134/S0006297921110031.