Zegar epigenetyczny - Epigenetic clock

Epigenetyczne zegar jest biochemiczne testy , które mogą być stosowane do pomiaru wieku. Test opiera się na poziomach metylacji DNA , mierząc akumulację grup metylowych w cząsteczkach DNA.

Historia

Silny wpływ wieku na poziom metylacji DNA jest znany od późnych lat sześćdziesiątych. Obszerna literatura opisuje zestawy CpG, których poziomy metylacji DNA korelują z wiekiem, np. zespół UCLA , w tym Sven Bocklandt, Steve Horvath , opublikował pierwszy solidny dowód, że poziomy metylacji DNA w ślinie mogą generować predyktory wieku ze średnią dokładnością 5,2 roku , i Eric Vilain w 2011 roku (Bocklandt i in. 2011). Laboratoria Treya Idekera i Kang Zhanga z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego opublikowały zegar epigenetyczny Hannum (Hannum 2013), który składał się z 71 markerów, które dokładnie szacują wiek na podstawie poziomu metylacji krwi. Pierwszy wielotkankowy zegar epigenetyczny, zegar epigenetyczny Horvatha, został opracowany przez Steve'a Horvatha , profesora genetyki człowieka i biostatystyki na UCLA (Horvath 2013). Horvath spędził ponad 4 lata zbierając publicznie dostępne dane dotyczące metylacji DNA Illumina i identyfikując odpowiednie metody statystyczne.

Osobista historia odkrycia została przedstawiona w Nature . Estymator wieku został opracowany przy użyciu 8000 próbek z 82 zestawów danych metylacji DNA firmy Illumina, obejmujących 51 zdrowych tkanek i typów komórek. Główna innowacja zegara epigenetycznego Horvatha polega na jego szerokim zastosowaniu: ten sam zestaw 353 CpG i ten sam algorytm przewidywania jest używany niezależnie od źródła DNA w organizmie, tj. nie wymaga żadnych korekt ani przesunięć. Ta właściwość pozwala na porównanie wieku różnych obszarów ludzkiego ciała przy użyciu tego samego zegara starzenia.

Związek z przyczyną starzenia biologicznego

Nie wiadomo jeszcze, co dokładnie mierzy wiek metylacji DNA. Horvath postawił hipotezę, że wiek metylacji DNA mierzy skumulowany efekt epigenetycznego systemu podtrzymującego, ale szczegóły nie są znane. Fakt, że wiek metylacji DNA we krwi przewiduje śmiertelność z jakiejkolwiek przyczyny w późniejszym życiu, został wykorzystany jako argument, że odnosi się on do procesu, który powoduje starzenie się. Jednakże, jeśli konkretna CpG odegrała bezpośrednią rolę przyczynową w procesie starzenia się, śmiertelność, jaką spowodowała, zmniejszyłaby prawdopodobieństwo zaobserwowania jej u osób starszych, zmniejszając prawdopodobieństwo wybrania miejsca jako predyktora; zatem CpG z zegarem 353 prawdopodobnie nie mają żadnego wpływu przyczynowego. Przeciwnie, zegar epigenetyczny wychwytuje wyłaniającą się właściwość epigenomu.

Epigenetyczna teoria starzenia się zegara

W 2010 roku zaproponowano nowy ujednolicony model starzenia się i rozwoju złożonych chorób, obejmujący klasyczne teorie starzenia się i epigenetykę. Horvath i Raj rozszerzyli tę teorię, proponując epigenetyczną teorię zegara starzenia z następującymi założeniami:

  • Biologiczne starzenie się jest niezamierzoną konsekwencją zarówno programów rozwojowych, jak i programów podtrzymujących, których ślady molekularne dają początek estymatorom wieku metylacji DNA.
  • Dokładne mechanizmy łączące wrodzone procesy molekularne (podstawowe wiek DNA) ze spadkiem funkcji tkanki prawdopodobnie dotyczą zarówno zmian wewnątrzkomórkowych (prowadzących do utraty tożsamości komórkowej), jak i subtelnych zmian w składzie komórki, na przykład w pełni funkcjonujących somatycznych komórek macierzystych.
  • Na poziomie molekularnym wiek DNAm jest przybliżonym odczytem zbioru wrodzonych procesów starzenia, które współgrają z innymi, niezależnymi przyczynami starzenia ze szkodą dla funkcji tkanek.

Motywacja zegarów biologicznych

Ogólnie rzecz biorąc, oczekuje się , że biologiczne zegary starzenia i biomarkery starzenia się znajdą wiele zastosowań w badaniach biologicznych, ponieważ wiek jest podstawową cechą większości organizmów . Dokładne pomiary wieku biologicznego (zegary starzenia biologicznego) mogą być przydatne do:

Ogólnie rzecz biorąc, oczekuje się, że zegary biologiczne będą przydatne do badania przyczyn starzenia się i sposobów przeciwdziałania mu. Mogą jednak uchwycić jedynie efekty interwencji, które wpływają na tempo przyszłego starzenia się, tj. nachylenie krzywej Gompertza, o którą umieralność wzrasta wraz z wiekiem, a nie interwencji, które działają w jednym momencie, np. w celu obniżenia śmiertelności na w każdym wieku, czyli punkt przecięcia krzywej Gompertza.

Właściwości zegara Horvatha

Zegar jest zdefiniowany jako metoda szacowania wieku oparta na 353 markerach epigenetycznych w DNA. Do 353 markerów zmierzyć metylacji DNA z dinukleotydów CpG . Wiek szacowany („przewidywany wiek” w użyciu matematycznym), określany również jako wiek metylacji DNA, ma następujące właściwości: po pierwsze, jest bliski zeru dla embrionalnych i indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych ; po drugie, koreluje z liczbą pasaży komórkowych ; po trzecie, daje początek wysoce dziedzicznej mierze przyspieszenia wieku; i po czwarte, ma zastosowanie do tkanek szympansów (które są używane jako analogi ludzkie do celów testów biologicznych). Wzrost organizmu (i towarzyszący mu podział komórek) prowadzi do wysokiego tempa tykania zegara epigenetycznego, które zwalnia do stałego tempa tykania (zależność liniowa) po osiągnięciu dorosłości (20 lat). Fakt, że wiek metylacji DNA we krwi przewiduje całkowitą śmiertelność w późniejszym życiu, nawet po uwzględnieniu znanych czynników ryzyka, jest zgodny z różnymi zależnościami przyczynowymi, np. wspólną przyczyną obu. Podobnie wskaźniki sprawności fizycznej i psychicznej są związane z zegarem epigenetycznym (niższe zdolności związane z przyspieszeniem wieku). Systematycznie zaniża wiek starszych osób.

Istotnymi cechami zegara epigenetycznego Horvatha są jego zastosowanie do szerokiego spektrum tkanek i typów komórek. Ponieważ pozwala na porównanie wieku różnych tkanek tego samego pacjenta, można go użyć do identyfikacji tkanek, które wykazują oznaki przyspieszonego wieku z powodu choroby.

Podejście statystyczne

Podstawowym podejściem jest utworzenie średniej ważonej z 353 zegarowych wartości CpG, która jest następnie przekształcana w wiek DNAm za pomocą funkcji kalibracji. Funkcja kalibracji ujawnia, że ​​zegar epigenetyczny ma wysokie tempo tykania aż do dorosłości, po czym zwalnia do stałego tempa tykania. Korzystając z zestawów danych treningowych, Horvath zastosował model regresji karnej ( Elastyczna regularyzacja netto ) do regresji skalibrowanej wersji wieku chronologicznego na 21 369 sondach CpG, które były obecne zarówno na platformie Illumina 450K, jak i 27K i miały mniej niż 10 brakujących wartości. Wiek DNAm definiuje się jako szacowany („przewidywany”) wiek. Predyktor Elastic Net automatycznie wybrał 353 CpG. 193 z 353 CpG koreluje dodatnio z wiekiem, podczas gdy pozostałe 160 CpG koreluje ujemnie z wiekiem. Oprogramowanie R i bezpłatne narzędzie internetowe można znaleźć na następującej stronie internetowej.

Precyzja

Mediana błędu szacowanego wieku wynosi 3,6 roku dla szerokiego spektrum tkanek i typów komórek, chociaż wzrasta u osób starszych Zegar epigenetyczny działa dobrze w tkankach heterogenicznych (na przykład w pełnej krwi, komórkach jednojądrzastych krwi obwodowej, próbkach móżdżku, korze potylicznej nabłonka policzkowego, okrężnicy, tkanki tłuszczowej, nerek, wątroby, płuca, śliny, szyjki macicy, naskórka, mięśnia) jak również w poszczególnych typach komórek, takich jak limfocyty T CD4, monocyty CD14, komórki glejowe, neurony, unieśmiertelnione limfocyty B, zręb mezenchymalny komórki. Jednak dokładność zależy w pewnym stopniu od źródła DNA.

Porównanie z innymi zegarami biologicznymi

Zegar epigenetyczny prowadzi do prognozy wieku chronologicznego, która ma współczynnik korelacji Pearsona r = 0,96 z wiekiem chronologicznym (ryc. 2 in). Zatem korelacja wieku jest bliska maksymalnej możliwej wartości korelacji wynoszącej 1. Inne zegary biologiczne opierają się na a) długości telomerów , b) poziomach ekspresji p16INK4a (znanej również jako locus INK4a/ARF) i c) mutacjach mikrosatelitarnych . Korelacja między wiekiem chronologicznym a długością telomerów wynosi r = −0,51 u kobiet i r = −0,55 u mężczyzn. Korelacja między wiekiem chronologicznym a poziomem ekspresji p16 INK4a w limfocytach T wynosi r = 0,56.

Zastosowania zegara Horvatha

Kontrastując wiek metylacji DNA (wiek szacowany) z wiekiem chronologicznym, można zdefiniować miary przyspieszenia wieku. Przyspieszenie wieku można zdefiniować jako różnicę między wiekiem metylacji DNA a wiekiem chronologicznym. Alternatywnie można go zdefiniować jako pozostałość wynikającą z cofania się wieku DNAm do wieku chronologicznego. Ta ostatnia miara jest atrakcyjna, ponieważ nie koreluje z wiekiem chronologicznym. Dodatnia/ujemna wartość przyspieszenia epigenetycznego wieku sugeruje, że leżąca poniżej tkanka starzeje się szybciej/wolniej niż oczekiwano.

Badania genetyczne nad epigenetycznym przyspieszeniem wieku

Odziedziczalność szeroko rozumiana (zdefiniowana za pomocą wzoru Falconera ) przyspieszenia wieku krwi od osób starszych wynosi około 40%, ale wydaje się, że jest znacznie wyższa u noworodków. Podobnie, przyspieszenie wieku tkanki mózgowej (kory przedczołowej) wyniosło 41% u osób starszych. Badania asocjacyjne całego genomu (GWAS) nad przyspieszeniem wieku epigenetycznego w pośmiertnych próbkach mózgu zidentyfikowały kilka SNP na poziomie istotności całego genomu. W ramach GWAS przyspieszenia wieku we krwi zidentyfikowano kilka istotnych loci genetycznych obejmujących cały genom, w tym locus genu odwrotnej transkryptazy telomerazy ( TERT ). Warianty genetyczne związane z większą długością telomerów leukocytów w genie TERT paradoksalnie powodują wyższe epigenetyczne przyspieszenie wieku we krwi.

Czynniki stylu życia

Ogólnie rzecz biorąc, czynniki związane ze stylem życia mają tylko słaby związek z epigenetycznym przyspieszeniem wieku we krwi. Badania przekrojowe zewnętrznych wskaźników starzenia epigenetycznego we krwi pokazują, że zmniejszone starzenie epigenetyczne koreluje z wyższym wykształceniem, spożywaniem diety wysoko roślinnej z chudym mięsem, umiarkowanym spożyciem alkoholu oraz aktywnością fizyczną i ryzykiem związanym z zespołem metabolicznym . Jednak badania sugerują, że wysoki poziom spożycia alkoholu wiąże się z przyspieszonym starzeniem się niektórych zegarów epigenetycznych.

Otyłość i zespół metaboliczny

Zegar epigenetyczny został wykorzystany do zbadania związku między wysokim wskaźnikiem masy ciała (BMI) a wiekiem metylacji DNA ludzkiej krwi, wątroby, mięśni i tkanki tłuszczowej. Istotną korelację (r = 0,42) między BMI a przyspieszeniem wieku epigenetycznego można było zaobserwować w przypadku wątroby. Znacznie większa wielkość próbki (n = 4200 próbek krwi) ujawniła słabą, ale statystycznie istotną korelację (r = 0,09) między BMI a wewnętrznym przyspieszeniem wieku krwi. To samo duże badanie wykazało, że różne biomarkery zespołu metabolicznego (poziom glukozy, insuliny, triglicerydów, białko C-reaktywne, stosunek talii do bioder ) były związane z epigenetycznym przyspieszeniem wieku we krwi. Odwrotnie, wysoki poziom dobrego cholesterolu HDL był związany z niższym tempem epigenetycznego starzenia się krwi. Inne badania sugerują bardzo silne powiązania między wyższym wskaźnikiem masy ciała , stosunkiem talii do bioder oraz obwodem talii i przyspieszonymi zegarami epigenetycznymi, z dowodami na to, że aktywność fizyczna może zmniejszyć te efekty.

Kobieca tkanka piersi jest starsza niż oczekiwano

Wiek DNAm jest wyższy niż wiek chronologiczny w kobiecej tkance piersi, która sąsiaduje z tkanką raka piersi. Ponieważ normalna tkanka, która sąsiaduje z innymi typami raka, nie wykazuje podobnego efektu przyspieszenia starzenia się, odkrycie to sugeruje, że normalna tkanka piersi kobiet starzeje się szybciej niż inne części ciała. Podobnie, próbki normalnej tkanki piersi od kobiet bez raka okazały się znacznie starsze niż próbki krwi pobrane od tych samych kobiet w tym samym czasie.

Kobiecy rak piersi

W badaniu trzech zegarów epigenetycznych i ryzyka raka piersi stwierdzono, że wiek DNAm w próbkach krwi kobiet bez raka uległ przyspieszeniu na wiele lat przed diagnozą.

Tkanka rakowa

Tkanki nowotworowe wykazują zarówno pozytywne, jak i negatywne efekty przyspieszenia starzenia. W przypadku większości typów guzów nie można zaobserwować istotnej zależności między przyspieszeniem wieku a morfologią guza (stopień/stadium). Tkanki nowotworowe ze zmutowanym TP53 mają średnio mniejsze przyspieszenie wieku niż te bez niego. Co więcej, tkanki nowotworowe z wysokim przyspieszeniem wieku mają zwykle mniej mutacji somatycznych niż te z niskim przyspieszeniem wieku. Przyspieszenie wieku jest silnie związane z różnymi aberracjami genomowymi w tkankach nowotworowych. Mutacje somatyczne w receptorach estrogenowych lub receptorach progesteronu są związane z przyspieszonym wiekiem DNAm w raku piersi. Próbki raka jelita grubego z mutacją BRAF (V600E) lub hipermetylacją promotora genu naprawy niedopasowania MLH1 są związane ze zwiększonym przyspieszeniem wieku. Przyspieszenie wieku w próbkach glejaka wielopostaciowego jest wysoce związane z pewnymi mutacjami w H3F3A . Jedno z badań sugeruje, że wiek epigenetyczny tkanki krwi może być czynnikiem prognostycznym zachorowalności na raka płuc.

Trisomia 21 (zespół Downa)

Zespół Downa pociąga za sobą zwiększone ryzyko wielu chorób przewlekłych, które są zwykle związane ze starszym wiekiem. Kliniczne objawy przyspieszonego starzenia sugerują, że trisomia 21 zwiększa biologiczny wiek tkanek, ale dowody molekularne na poparcie tej hipotezy są nieliczne. Według zegara epigenetycznego trisomia 21 znacząco podwyższa wiek krwi i tkanki mózgowej (średnio o 6,6 roku).

Neuropatologia związana z chorobą Alzheimera

Stwierdzono, że przyspieszenie epigenetyczne w korze przedczołowej człowieka jest skorelowane z kilkoma pomiarami neuropatologicznymi, które odgrywają rolę w chorobie Alzheimera. Ponadto stwierdzono, że jest to związane z pogorszeniem globalnego funkcjonowania poznawczego i funkcjonowania pamięci u osób z chorobą Alzheimera. Epigenetyczny wiek krwi dotyczy funkcjonowania poznawczego u osób starszych. Ogólnie rzecz biorąc, wyniki te silnie sugerują, że zegar epigenetyczny nadaje się do pomiaru biologicznego wieku mózgu.

Móżdżek starzeje się powoli

Trudno było zidentyfikować tkanki, które zdają się unikać starzenia ze względu na brak biomarkerów wieku tkanek, które pozwalają na porównanie wieku różnych tkanek. Zastosowanie zegara epigenetycznego do 30 miejsc anatomicznych sześciu stulatków i młodszych osób ujawniło, że móżdżek starzeje się powoli: jest o około 15 lat młodszy niż oczekiwano u stulatka. To odkrycie może wyjaśniać, dlaczego móżdżek wykazuje mniej neuropatologicznych cech demencji związanych z wiekiem w porównaniu z innymi obszarami mózgu. U osób młodszych (np. w wieku poniżej 70 lat) regiony mózgu i komórki mózgowe wydają się być mniej więcej w tym samym wieku. Zidentyfikowano kilka SNP i genów związanych z wiekiem epigenetycznym móżdżku.

choroba Huntingtona

Stwierdzono, że choroba Huntingtona zwiększa tempo epigenetycznego starzenia się kilku regionów ludzkiego mózgu.

Stulatkowie starzeją się powoli

Potomstwo półstulatków (osoby, które osiągnęły wiek 105–109 lat) ma niższy wiek epigenetyczny niż grupa kontrolna w tym samym wieku (różnica wieku = 5,1 roku we krwi), a stulatkowie są młodsi (8,6 lat) niż oczekiwano na podstawie ich wiek chronologiczny.

Zakażenie wirusem HIV

Zakażenie ludzkim wirusem niedoboru odporności-1 ( HIV ) wiąże się z klinicznymi objawami przyspieszonego starzenia, o czym świadczy zwiększona częstość występowania i różnorodność chorób związanych z wiekiem w stosunkowo młodym wieku. Ale trudno było wykryć efekt przyspieszonego starzenia na poziomie molekularnym. Epigenetyczna analiza zegarowa ludzkiego DNA od osobników HIV+ i osób z grupy kontrolnej wykryła znaczący efekt przyspieszenia wieku w tkance mózgu (7,4 roku) i krwi (5,2 roku) z powodu zakażenia HIV-1. Wyniki te są zgodne z niezależnym badaniem, które również wykazało 5-letni postęp we krwi pacjentów z HIV i silny efekt locus HLA.

Choroba Parkinsona

Badania na dużą skalę sugerują, że krew pacjentów z chorobą Parkinsona wykazuje (stosunkowo słabe) przyspieszone efekty starzenia.

Zaburzenia rozwojowe: zespół X

Dzieci z bardzo rzadkim zaburzeniem znanym jako zespół X utrzymują fasadę uporczywych cech przypominających małe dzieci, gdy starzeją się od urodzenia do dorosłości. Ponieważ rozwój fizyczny tych dzieci jest dramatycznie opóźniony, dzieci te wydają się być niemowlakami lub w najlepszym razie przedszkolakami. Według analizy zegara epigenetycznego, tkanka krwi z przypadków zespołu X nie jest młodsza niż oczekiwano.

Menopauza przyspiesza starzenie epigenetyczne

Poniższe wyniki silnie sugerują, że utrata hormonów żeńskich w wyniku menopauzy przyspiesza tempo epigenetycznego starzenia się krwi i prawdopodobnie innych tkanek. Po pierwsze, stwierdzono, że wczesna menopauza jest związana ze zwiększonym przyspieszeniem epigenetycznego wieku krwi. Po drugie, menopauza chirurgiczna (z powodu obustronnego usunięcia jajników ) wiąże się z przyspieszeniem wieku epigenetycznego we krwi i ślinie. Po trzecie, hormonalna terapia menopauzalna , która łagodzi utratę hormonów, wiąże się z ujemnym przyspieszeniem wieku komórek policzkowych (ale nie komórek krwi). Po czwarte, markery genetyczne związane z wczesną menopauzą są również związane ze zwiększonym przyspieszeniem epigenetycznego wieku we krwi.

Starzenie komórkowe a starzenie epigenetyczne

Mylącym aspektem starzenia biologicznego jest natura i rola starzejących się komórek. Nie jest jasne, czy trzy główne typy starzenia komórkowego, a mianowicie starzenie replikacyjne, starzenie się wywołane przez onkogen i starzenie się wywołane uszkodzeniem DNA, są opisami tego samego zjawiska wywołanego przez różne źródła, czy też każdy z nich jest inny i jak są one powiązane ze starzeniem się epigenetycznym. Stwierdzono, że indukcji starzenia replikacyjnego (RS) i starzenia indukowanego przez onkogeny (OIS) towarzyszyło epigenetyczne starzenie się komórek pierwotnych, ale starzenie się indukowane przez uszkodzenie DNA nie było, mimo że RS i OIS aktywują szlak odpowiedzi na uszkodzenie DNA w komórce. Wyniki te podkreślają niezależność starzenia komórkowego od starzenia epigenetycznego. Zgodnie z tym, komórki unieśmiertelnione telomerazą nadal starzały się (zgodnie z zegarem epigenetycznym) bez leczenia żadnymi induktorami starzenia lub środkami uszkadzającymi DNA, potwierdzając ponownie niezależność procesu starzenia epigenetycznego od telomerów, starzenia się komórek i szlak odpowiedzi na uszkodzenia DNA. Chociaż oddzielenie starzenia się od starzenia się komórek wydaje się na pierwszy rzut oka sprzeczne z faktem, że starzejące się komórki przyczyniają się do fizycznej manifestacji starzenia się organizmu, jak wykazali Baker i wsp., gdzie usuwanie starzejących się komórek spowalniało starzenie.

Analiza starzenia się według zegara epigenetycznego sugeruje jednak, że starzenie się komórek jest stanem, do którego komórki są zmuszane w wyniku nacisków zewnętrznych, takich jak uszkodzenie DNA, ektopowa ekspresja onkogenów i wyczerpująca proliferacja komórek w celu uzupełnienia tych, które zostały wyeliminowane przez czynniki zewnętrzne/środowiskowe. Te starzejące się komórki, w wystarczającej ilości, prawdopodobnie spowodują degradację tkanek, co jest interpretowane jako starzenie się organizmu. Jednak na poziomie komórkowym starzenie się, mierzone zegarem epigenetycznym, różni się od starzenia. Jest to wewnętrzny mechanizm, który istnieje od narodzin komórki i trwa. Oznacza to, że jeśli komórki nie zostaną przesunięte w starzenie się przez opisane powyżej naciski zewnętrzne, nadal będą się starzeć. Jest to zgodne z faktem, że myszy z naturalnie długimi telomerami wciąż się starzeją i ostatecznie umierają, mimo że ich długość telomerów jest znacznie większa niż granica krytyczna, i starzeją się przedwcześnie, gdy ich telomery są przymusowo skracane z powodu starzenia się replikacyjnego. Dlatego starzenie się komórek jest drogą, przez którą komórki przedwcześnie wychodzą z naturalnego przebiegu starzenia się komórek.

Wpływ płci i rasy/pochodzenia etnicznego

Mężczyźni starzeją się szybciej niż kobiety w zależności od epigenetycznego przyspieszenia wieku we krwi, mózgu, ślinie, ale zależy to od badanej struktury i stylu życia. Metoda zegara epigenetycznego ma zastosowanie do wszystkich badanych grup rasowych/etnicznych w tym sensie, że wiek DNAm jest silnie skorelowany z wiekiem chronologicznym. Ale pochodzenie etniczne może być związane z przyspieszeniem wieku epigenetycznego. Na przykład krew Latynosów i Tsimané starzeje się wolniej niż krew innych populacji, co może wyjaśniać paradoks śmiertelności Latynosów .

Efekt odmłodzenia dzięki przeszczepieniu komórek macierzystych do krwi

Przeszczep krwiotwórczych komórek macierzystych , który polega na przeszczepianiu tych komórek od młodego dawcy do starszego biorcy, przywraca epigenetyczny wiek krwi do wieku dawcy. Jednak choroba przeszczep przeciwko gospodarzowi wiąże się ze zwiększonym wiekiem metylacji DNA.

Progeria

Dorosła progeria, znana również jako zespół Wernera, wiąże się z epigenetycznym przyspieszeniem wieku we krwi. Próbki fibroblastów od dzieci z Hutchinson-Gilford Progeria wykazują przyspieszone efekty starzenia epigenetycznego zgodnie z zegarem epigenetycznym „skóra i krew”, ale nie zgodnie z oryginalnym zegarem tkankowym z Horvath.

Mechanizm biologiczny stojący za zegarem epigenetycznym

Pomimo faktu, że biomarkery starzenia oparte na danych dotyczących metylacji DNA umożliwiły dokładne oszacowanie wieku dowolnej tkanki w całym cyklu życia, dokładny mechanizm biologiczny stojący za zegarem epigenetycznym jest obecnie nieznany. Jednak biomarkery epigenetyczne mogą pomóc odpowiedzieć na od dawna zadawane pytania w wielu dziedzinach, w tym na główne pytanie: dlaczego się starzejemy? Aby zrozumieć istotę mechanizmów kryjących się za zegarem epigenetycznym, należałoby dokonać porównania i znaleźć związek między odczytami zegara epigenetycznego a zegarem starzenia się transkryptomu. W literaturze zaproponowano na razie następujące wyjaśnienia.

Możliwe wyjaśnienie 1: Epigenomiczny system utrzymania

Horvath postawił hipotezę, że jego zegar powstaje w wyniku śladu metylacji pozostawionego przez epigenomiczny system konserwacji.

Możliwe wyjaśnienie 2: Nienaprawione uszkodzenia DNA

Endogenne uszkodzenia DNA występują często, w tym około 50 pęknięć dwuniciowego DNA na cykl komórkowy i około 10 000 uszkodzeń oksydacyjnych dziennie (patrz uszkodzenia DNA (występujące naturalnie) ). Podczas naprawy pęknięć dwuniciowych wprowadzanych jest wiele zmian epigenetycznych, aw pewnym odsetku przypadków zmiany epigenetyczne pozostają po zakończeniu naprawy, w tym zwiększona metylacja promotorów wyspowych CpG. Podobne, choć zazwyczaj przemijające zmian epigenetycznych niedawno stwierdzono podczas naprawy uszkodzeń oksydacyjnych wywołanych H 2 O 2 , i sugerowano, że od czasu do czasu te epigenetyczne zmiany mogą pozostawać po naprawie. Te nagromadzone zmiany epigenetyczne mogą przyczyniać się do zegara epigenetycznego. Akumulacja zmian epigenetycznych może odpowiadać akumulacji nienaprawionych uszkodzeń DNA, które mają powodować starzenie się (patrz teoria starzenia się uszkodzeń DNA ).

Inne estymatory wieku oparte na poziomach metylacji DNA

W literaturze opisano kilka innych estymatorów wieku.

1) Weidner i in. (2014) opisują estymator wieku DNA z krwi, który wykorzystuje tylko trzy miejsca CpG genów, na które nie ma wpływu starzenie (cg25809905 w integrynie, alfa 2b (ITGA2B); cg02228185 w aspartoacylazie (ASPA) i cg17861230 w fosfodiesterazie 4C, specyficzny dla cAMP (PDE4C) )). Estymator wieku Weidener et al. (2014) dotyczy tylko krwi. Nawet we krwi ten rzadki estymator jest znacznie mniej dokładny niż zegar epigenetyczny Horvatha (Horvath 2014) w przypadku zastosowania do danych generowanych przez platformy Illumina 27K lub 450K. Jednak rzadki estymator został opracowany dla danych z pirosekwencjonowania i jest wysoce opłacalny.

2) Hannum i in. (2013) podają kilka estymatorów wieku: po jednym dla każdego typu tkanki. Każdy z tych estymatorów wymaga informacji towarzyszących (np. płeć, wskaźnik masy ciała, partia). Autorzy wspominają, że każda tkanka prowadziła do wyraźnego przesunięcia liniowego (przecięcie i nachylenie). Dlatego autorzy musieli dostosować estymator wieku na podstawie krwi dla każdego typu tkanki przy użyciu modelu liniowego. Gdy estymator Hannuma zostanie zastosowany do innych tkanek, prowadzi to do dużego błędu (ze względu na słabą kalibrację), jak widać na rycinie 4A w Hannum et al. (2013). Hannum i in. dostosowali swój estymator wieku oparty na krwi (dostosowując nachylenie i termin przecięcia), aby zastosować go do innych typów tkanek. Ponieważ ten etap dostosowania usuwa różnice między tkankami, estymator oparty na krwi Hannum et al. nie może służyć do porównywania wieku różnych tkanek/narządów. W przeciwieństwie do tego, istotną cechą zegara epigenetycznego jest to, że nie trzeba przeprowadzać takiego etapu kalibracji: zawsze używa on tych samych CpG i tych samych wartości współczynników. Dlatego też zegar epigenetyczny Horvatha można wykorzystać do porównania wieku różnych tkanek/komórek/narządów tej samej osoby. Natomiast estymatory wieku z Hannum et al. nie mogą być użyte do porównania wieku różnych normalnych tkanek, mogą być użyte do porównania wieku tkanki rakowej z odpowiednią tkanką normalną (nie nowotworową). Hannum i in. odnotowali wyraźne efekty przyspieszenia wieku we wszystkich nowotworach. W przeciwieństwie do tego, zegar epigenetyczny Horvatha ujawnia, że ​​niektóre typy nowotworów (np. potrójnie ujemne nowotwory piersi lub rak trzonu macicy) wykazują ujemne przyspieszenie wieku, tj. tkanka nowotworowa może być znacznie młodsza niż oczekiwano. Ważna różnica dotyczy dodatkowych współzmiennych. Estymatory wieku Hannum wykorzystują współzmienne, takie jak płeć, wskaźnik masy ciała, cukrzyca, pochodzenie etniczne i partia. Ponieważ nowe dane obejmują różne partie, nie można ich zastosować bezpośrednio do nowych danych. Jednak autorzy przedstawiają wartości współczynników dla ich CpG w tabelach uzupełniających, które mogą być użyte do zdefiniowania zagregowanej miary, która jest silnie skorelowana z wiekiem chronologicznym, ale może być słabo skalibrowana (tj. prowadzić do dużych błędów).

Porównanie 3 predyktorów wieku opisanych odpowiednio w: A) Horvath (2013),[10] B) Hannum (2013),[9] i C) Weidener (2014),[61].  Oś x przedstawia wiek chronologiczny w latach, natomiast oś y przedstawia przewidywany wiek.  Ciągła czarna linia odpowiada y=x.  Wyniki te zostały wygenerowane w niezależnym zestawie danych dotyczących metylacji krwi, który nie został wykorzystany w konstrukcji tych predyktorów (dane wygenerowane w listopadzie 2014 r.).

3) Giuliani i in. zidentyfikować regiony genomowe, których poziom metylacji DNA koreluje z wiekiem ludzkich zębów. Zaproponowali ocenę metylacji DNA w genach ELOVL2, FHL2 i PENK w DNA pobranym zarówno z cementu, jak i miazgi tych samych współczesnych zębów. Chcą zastosować tę metodę także do historycznych i stosunkowo starych zębów ludzkich.

4) Galkin i in. wykorzystał głębokie sieci neuronowe do trenowania epigenetycznego zegara starzenia o niespotykanej dotąd dokładności, wykorzystując ponad 6000 próbek krwi. Zegar wykorzystuje informacje z 1000 miejsc CpG i przewiduje osoby z pewnymi schorzeniami starszymi niż zdrowa grupa kontrolna: IBD , otępienie czołowo-skroniowe , rak jajnika, otyłość. Starzejący się zegar ma zostać wprowadzony do użytku publicznego w 2021 r. przez firmę spinoff Insilico Medicine Deep Longevity.

W wieloośrodkowym badaniu porównawczym 18 grup badawczych z trzech kontynentów porównało wszystkie obiecujące metody analizy metylacji DNA w klinice i zidentyfikowało najdokładniejsze metody, dochodząc do wniosku, że testy epigenetyczne oparte na metylacji DNA są dojrzałą technologią, gotową do szerokiego zastosowania klinicznego.

Inne gatunki

Wang i in. (w wątrobach myszy) i Petkovich i in. (na podstawie profili metylacji DNA krwi myszy) zbadali, czy myszy i ludzie doświadczają podobnych wzorców zmian metylomu wraz z wiekiem. Odkryli, że myszy leczone interwencjami przedłużającymi życie (takimi jak ograniczenie kalorii lub dietetyczna rapamycyna) były znacznie młodsze w wieku epigenetycznym niż ich nieleczone, dopasowane wiekowo grupy kontrolne typu dzikiego. Predyktory wieku myszy wykrywają również skutki długowieczności nokautu genów i odmłodzenia iPSC pochodzących z fibroblastów .

Wielotkankowy wskaźnik wieku myszy oparty na metylacji DNA w 329 unikalnych miejscach CpG osiągnął medianę błędu bezwzględnego poniżej czterech tygodni (~5 procent długości życia). Próba wykorzystania miejsc ludzkiego zegara u myszy do przewidywania wieku pokazała, że ​​ludzki zegar nie jest w pełni zachowany u myszy. Różnice między zegarami ludzkimi i mysimi sugerują, że zegary epigenetyczne należy wytrenować specjalnie dla różnych gatunków.

Nowatorska metoda starzenia się homarów została opublikowana w 2021 roku, wykorzystując zegar oparty na metylacji rybosomalnego DNA, który może umożliwić nieinwazyjne pobieranie próbek i starzenie się dzikich populacji homarów europejskich (Homarus gammarus)

Zmiany we wzorcach metylacji DNA mają ogromny potencjał do szacowania wieku i wyszukiwania biomarkerów u zwierząt domowych i dzikich.

Bibliografia

Dalsza lektura