Zegar epigenetyczny

Zegar epigenetyczny to test biochemiczny , który można wykorzystać do pomiaru wieku. Test opiera się na metylacji DNA , mierząc akumulację grup metylowych w cząsteczkach DNA.

Historia

Silny wpływ wieku na poziomy metylacji DNA jest znany od późnych lat 60. XX wieku. Obszerna literatura opisuje zestawy CpG , których poziomy metylacji DNA korelują z wiekiem. Pierwsza solidna demonstracja, że ​​poziomy metylacji DNA w ślinie mogą generować predyktory wieku ze średnią dokładnością 5,2 roku, została opublikowana przez zespół UCLA , w skład którego wchodzili Sven Bocklandt, Steve Horvath i Eric Vilain w 2011 r. (Bocklandt i in. 2011). Laboratoria Treya Idekera i Kang Zhanga na Uniwersytecie Kalifornijskim 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 na zbieraniu publicznie dostępnych Illumina i identyfikowaniu odpowiednich metod statystycznych.

Osobista historia tego odkrycia została opisana w Nature . Narzędzie do szacowania wieku zostało opracowane na podstawie 8000 próbek z 82 zestawów danych dotyczących metylacji DNA 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 są stosowane niezależnie od źródła DNA w organizmie, tj. nie wymagają żadnych dostosowań ani przesunięć. Ta właściwość pozwala na porównanie wieku różnych obszarów ludzkiego ciała przy użyciu tego samego zegara starzenia. Wkrótce potem opracowano pochodną zegara Horvatha, IEAA (Intrinsic Epigenetic Age Acceleration), estymator oparty na składzie komórkowym krwi.

Druga generacja zegarów epigenetycznych pojawiła się kilka lat później i ulepszyła pierwszą pod względem szacowania wieku. Stało się tak dzięki włączeniu nie tylko wariantów epigenetycznych, takich jak metylacja DNA , ale także wariantów środowiskowych, takich jak palenie tytoniu czy wiek chronologiczny. Wśród tych zegarów wyróżniają się zegary PhenoAge i GrimAge. PhenoAge to epigenetyczny , który bierze pod uwagę wiek chronologiczny, a GrimAge wykorzystuje między innymi ryzyko śmiertelności związane z wiekiem wraz z wariantem palenia jako czynnik ryzyka. Uwzględnienie wariantów środowiskowych pozwala GrimAge prześcignąć każdy inny zegar epigenetyczny w „przewidywaniu śmierci”.

Stale opracowywane są nowe narzędzia do szacowania wieku, które ułatwiają również prognozowanie niektórych chorób.

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 utrzymania, ale szczegóły nie są znane. Fakt, że wiek metylacji DNA krwi przewiduje śmiertelność z jakiejkolwiek przyczyny w późniejszym życiu, został wykorzystany do argumentowania, że ​​​​odnosi się to do procesu, który powoduje starzenie. Jeśli jednak konkretny CpG odegrałby bezpośrednią rolę przyczynową w procesie starzenia, spowodowana przez niego śmiertelność zmniejszyłaby prawdopodobieństwo zaobserwowania go u starszych osób, przez co mniej prawdopodobne byłoby wybranie miejsca jako predyktora; dlatego CpG zegara 353 prawdopodobnie nie mają żadnego skutku przyczynowego. Zegar epigenetyczny wychwytuje raczej wyłaniającą się właściwość epigenomu.

Epigenetyczna teoria zegara starzenia

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 się z następującymi założeniami:

  • Starzenie biologiczne jest niezamierzoną konsekwencją zarówno programów rozwojowych, jak i programów utrzymania, których ślady molekularne dają początek estymatorom wieku metylacji DNA.
  • Dokładne mechanizmy łączące wrodzone procesy molekularne (leżące u podstaw wieku DNAm) ze spadkiem funkcji tkanek prawdopodobnie dotyczą zarówno zmian wewnątrzkomórkowych (prowadzących do utraty tożsamości komórkowej), jak i subtelnych zmian w składzie komórek, na przykład w pełni funkcjonujących somatycznych komórek macierzystych.
  • Na poziomie molekularnym wiek DNAm jest bliższym odczytem zbioru wrodzonych procesów starzenia, które spiskują z innymi, niezależnymi pierwotnymi przyczynami starzenia ze szkodą dla funkcji tkanek.

Motywacja zegarów biologicznych

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

Ogólnie oczekuje się, że zegary biologiczne będą przydatne do badania przyczyn starzenia się i tego, co można temu przeciwdziałać. Mogą one jednak uchwycić jedynie skutki interwencji, które wpływają na tempo przyszłego starzenia się , tj. wszystkich grup wiekowych, tj. punkt przecięcia krzywej Gompertza.

Właściwości zegara Horvatha

Zegar definiuje się jako metodę szacowania wieku opartą na 353 markerach epigenetycznych na DNA. 353 markery mierzą metylację DNA dinukleotydów CpG . Szacowany wiek („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 pasażów komórkowych ; po trzecie, prowadzi do wysoce dziedzicznej miary przyspieszenia wieku; i po czwarte, ma zastosowanie do tkanek szympansa (które są używane jako ludzkie analogi do celów testów biologicznych). Wzrost organizmu (i towarzyszący mu podział komórek) prowadzi do wysokiego tempa tykania zegara epigenetycznego, który spowalnia do stałego tempa tykania (zależność liniowa) po osiągnięciu dorosłości (wiek 20 lat). Fakt, że wiek metylacji DNA krwi przewiduje śmiertelność z dowolnej przyczyny w późniejszym życiu, nawet po uwzględnieniu znanych czynników ryzyka, jest zgodny z różnymi związkami przyczynowymi, np. wspólną przyczyną obu. Podobnie markery sprawności fizycznej i psychicznej są powiązane z zegarem epigenetycznym (niższe zdolności związane z przyspieszeniem starzenia). Systematycznie zaniża wiek od osób starszych.

Istotne cechy zegara epigenetycznego Horvatha obejmują jego zastosowanie do szerokiego spektrum tkanek i typów komórek. Ponieważ pozwala na porównanie wieku różnych tkanek tego samego osobnika, można go użyć do identyfikacji tkanek, które wykazują oznaki przyspieszonego starzenia się z powodu choroby.

Estymatory genetyczne w zegarze Horvatha

Zegar Horvatha, a konkretnie wariant IEAA, jest powiązany z kilkoma genami związanymi ze starzeniem:14

  • TRIM59: trójdzielna rodzina motywów , silnie związana z wiekiem chronologicznym, której ekspresję obserwowano w wielu nowotworach
  • SMC4 : hamuje starzenie się komórek , uznaną cechę charakterystyczną starzenia
  • KPNA4 : członek rodziny importin, jądrowe receptory transportowe. Dysfunkcja transportu jądrowego została zaproponowana jako marker starzenia
  • CD46 : koduje regulator funkcji komórek T i układu dopełniacza, kluczowy składnik wrodzonego układu odpornościowego, w którym promuje stany zapalne
  • ATP8B4: koduje białko transportera lipidów i zawiera warianty, które zostały zgłoszone w związku z chorobą Alzheimera
  • CXXC4: koduje Idax, inhibitor sygnalizacji Wnt

Podejście statystyczne

Podstawowym podejściem jest utworzenie średniej ważonej z 353 CpG zegara, która jest następnie przekształcana na 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. Wykorzystując zestawy danych treningowych, Horvath użył modelu regresji z karami ( elastyczna regularyzacja sieci ) 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 elastycznej sieci automatycznie wybrał 353 CpG. 193 z 353 CpG koreluje dodatnio z wiekiem, podczas gdy pozostałe 160 CpG koreluje ujemnie z wiekiem. Oprogramowanie R i ogólnodostępne narzędzie internetowe można znaleźć na następującej stronie internetowej.

Dokładność

Mediana błędu szacowanego wieku wynosi 3,6 roku w szerokim spektrum tkanek i typów komórek, chociaż wzrasta w przypadku osób starszych Zegar epigenetyczny działa dobrze w heterogenicznych tkankach (na przykład krew pełna, komórki jednojądrzaste krwi obwodowej, próbki móżdżku, kora potyliczna , nabłonek policzka, okrężnica, tkanka tłuszczowa, nerki, wątroba, płuca, ślina, szyjka macicy, naskórek, mięśnie), jak również w poszczególnych typach komórek, takich jak limfocyty T CD4, monocyty CD14, komórki glejowe, neurony, unieśmiertelnione limfocyty B, mezenchymalne zręby komórki. Jednak dokładność zależy w pewnym stopniu od źródła DNA.

Porównanie z innymi zegarami biologicznymi

Zegar epigenetyczny prowadzi do chronologicznej prognozy wieku, która ma współczynnik korelacji Pearsona r = 0,96 z wiekiem chronologicznym (ryc. 2 w). Zatem korelacja wieku jest bliska maksymalnej możliwej wartości korelacji wynoszącej 1. Inne zegary biologiczne opierają się na a) telomerów , b) poziomach ekspresji p16INK4a (znanej również jako locus INK4a/ARF) oraz 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 poziomami ekspresji p16INK4a w komórkach T wynosi r = 0,56.

Zastosowania zegara Horvatha

Porównując wiek metylacji DNA (szacowany wiek) 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 w stosunku do wieku chronologicznego. Ta ostatnia miara jest atrakcyjna, ponieważ nie koreluje z wiekiem chronologicznym. Dodatnia/ujemna wartość epigenetycznego przyspieszenia starzenia sugeruje, że leżąca u podstaw tkanka starzeje się szybciej/wolniej niż oczekiwano.

Badania genetyczne epigenetycznego przyspieszenia wieku

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

Czynniki stylu życia

Ogólnie rzecz biorąc, czynniki związane ze stylem życia mają tylko słabe powiązania z epigenetycznym przyspieszeniem wieku we krwi. Badania przekrojowe dotyczące zewnętrznych wskaźników starzenia epigenetycznego we krwi pokazują, że zmniejszone starzenie epigenetyczne koreluje z wyższym wykształceniem, spożywaniem diety bogatej w rośliny z chudym mięsem, umiarkowanym spożyciem alkoholu i aktywnością fizyczną oraz ryzykiem związanym z zespołem metabolicznym . Jednak badania sugerują, że wysokie poziomy spożycia alkoholu są związane z przyspieszonym starzeniem się niektórych zegarów epigenetycznych.

Otyłość i zespół metaboliczny

Zegar epigenetyczny wykorzystano do zbadania związku między wysokim wskaźnikiem masy ciała (BMI) a wiekiem metylacji DNA ludzkiej krwi, wątroby, mięśni i tkanki tłuszczowej. W przypadku wątroby można było zaobserwować istotną korelację (r = 0,42) między BMI a epigenetycznym przyspieszeniem wieku. Znacznie większa próbka (n = 4200 próbek krwi) ujawniła słabą, ale istotną statystycznie korelację (r = 0,09) między BMI a wewnętrznym przyspieszeniem starzenia się krwi. To samo duże badanie wykazało, że różne biomarkery zespołu metabolicznego (poziom glukozy, insuliny, trójglicerydów, białko C-reaktywne, stosunek talii do bioder ) były związane z epigenetycznym przyspieszeniem wieku we krwi. I odwrotnie, wysoki poziom cholesterolu HDL był związany z niższym tempem starzenia epigenetycznego krwi. Inne badania sugerują bardzo silne powiązania między wyższym wskaźnikiem masy ciała , stosunkiem talii do bioder i obwodem talii a przyspieszonymi zegarami epigenetycznymi, z dowodami, że aktywność fizyczna może zmniejszać 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 sąsiadująca z innymi typami raka nie wykazuje podobnego efektu przyspieszenia starzenia, odkrycie to sugeruje, że normalna kobieca tkanka piersi starzeje się szybciej niż inne części ciała. Podobnie stwierdzono, że próbki normalnej tkanki piersi kobiet bez raka są 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 jest przyspieszony w próbkach krwi kobiet wolnych od raka na wiele lat przed diagnozą.

Tkanka nowotworowa

Tkanki nowotworowe wykazują zarówno pozytywne, jak i negatywne skutki przyspieszenia starzenia. W przypadku większości typów nowotworów nie można zaobserwować istotnego związku między przyspieszeniem wieku a morfologią guza (stopień/stadium). Średnio tkanki nowotworowe ze zmutowanym TP53 mają mniejsze przyspieszenie starzenia niż te bez niego. Ponadto tkanki nowotworowe o dużym przyspieszeniu starzenia mają zwykle mniej mutacji somatycznych niż tkanki o niskim przyspieszeniu starzenia. Przyspieszenie starzenia się jest silnie związane z różnymi aberracjami genomowymi w tkankach nowotworowych. Mutacje somatyczne w receptorach estrogenowych lub progesteronowych są związane z przyspieszonym wiekiem DNAm w raku piersi. Próbki raka jelita grubego z BRAF (V600E) lub hipermetylacją promotora genu naprawy niedopasowań MLH1 są związane ze zwiększonym przyspieszeniem starzenia. Przyspieszenie wieku w glejaka wielopostaciowego jest wysoce istotnie związane z pewnymi mutacjami w H3F3A . Jedno z badań sugeruje, że wiek epigenetyczny tkanki krwi może być prognostykiem zachorowalności na raka płuc.

Trisomia 21 (zespół Downa)

Zespół Downa wiąże się ze zwiększonym ryzykiem 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 znacznie wydłuża wiek krwi i tkanki mózgowej (średnio o 6,6 roku).

Neuropatologia związana z chorobą Alzheimera

Stwierdzono, że epigenetyczne przyspieszenie wieku ludzkiej kory przedczołowej jest skorelowane z kilkoma pomiarami neuropatologicznymi, które odgrywają rolę w chorobie Alzheimera. Ponadto stwierdzono, że jest to związane ze spadkiem globalnego funkcjonowania poznawczego i funkcjonowania pamięci u osób z chorobą Alzheimera. Wiek epigenetyczny krwi wiąże się z funkcjonowaniem poznawczym osób starszych. Ogólnie rzecz biorąc, wyniki te zdecydowanie sugerują, że zegar epigenetyczny nadaje się do mierzenia biologicznego wieku mózgu.

Móżdżek starzeje się powoli

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

choroba Huntingtona

Stwierdzono, że choroba Huntingtona zwiększa epigenetyczne tempo starzenia kilku obszarów ludzkiego mózgu.

Stulatkowie starzeją się powoli

Potomstwo półstulatków (osobników, którzy osiągnęli wiek 105–109 lat) ma niższy wiek epigenetyczny niż dobrana wiekowo grupa kontrolna (różnica wieku = 5,1 lat we krwi), a stulatkowie są młodsi (8,6 lat) niż oczekiwano na podstawie ich wieku. wiek chronologiczny.

Zakażenie wirusem HIV

Zakażenie ludzkim wirusem upośledzenia odporności typu 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. Jednak trudno było wykryć przyspieszony efekt starzenia na poziomie molekularnym. Analiza zegara epigenetycznego ludzkiego DNA osób zakażonych wirusem HIV i osób z grupy kontrolnej wykryła znaczny efekt przyspieszenia starzenia się w tkance mózgu (7,4 roku) i krwi (5,2 roku) z powodu zakażenia wirusem HIV-1. Wyniki te są zgodne z niezależnym badaniem, które wykazało również zaawansowanie wieku o 5 lat we krwi pacjentów z HIV i silny wpływ locus HLA.

Choroba Parkinsona

Badanie na dużą skalę sugeruje, że krew pacjentów z chorobą Parkinsona, a zwłaszcza ich stosunek granulocytów, wykazuje (stosunkowo słabe) przyspieszone efekty starzenia.

Zaburzenie rozwojowe: zespół X

Dzieci z bardzo rzadkim zaburzeniem znanym jako zespół X zachowują fasadę uporczywych cech charakterystycznych dla małych dzieci podczas starzenia się od urodzenia do dorosłości. Ponieważ rozwój fizyczny tych dzieci jest dramatycznie opóźniony, dzieci te wydają się być małym dzieckiem lub w najlepszym razie przedszkolakiem. 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 wynikająca z menopauzy przyspiesza epigenetyczne tempo starzenia się krwi i prawdopodobnie innych tkanek. Po pierwsze, stwierdzono, że wczesna menopauza jest związana ze zwiększonym epigenetycznym przyspieszeniem wieku krwi. Po drugie, menopauza chirurgiczna (spowodowana obustronnym wycięciem jajników ) jest związana z epigenetycznym przyspieszeniem wieku we krwi i ślinie. Po trzecie, hormonalna terapia menopauzalna , która łagodzi utratę hormonów, wiąże się z negatywnym przyspieszeniem starzenia się komórek policzka (ale nie komórek krwi). Po czwarte, markery genetyczne, które są związane z wczesną menopauzą, są również związane ze zwiększonym epigenetycznym przyspieszeniem wieku we krwi.

Starzenie komórkowe a starzenie epigenetyczne

Zaskakującym aspektem starzenia biologicznego jest natura i rola starzejących się komórek. Nie jest jasne, czy trzy główne typy starzenia się komórek, a mianowicie starzenie replikacyjne, starzenie wywołane onkogenem i starzenie wywołane uszkodzeniem DNA, są opisami tego samego zjawiska zapoczątkowanego przez różne źródła, czy też każdy z nich jest odrębny i w jaki sposób są ze sobą powiązane ze starzeniem epigenetycznym. Stwierdzono, że indukcji starzenia replikacyjnego (RS) i starzeniu indukowanemu onkogenem (OIS) towarzyszy epigenetyczne starzenie się komórek pierwotnych, ale starzeniu indukowanemu przez uszkodzenie DNA nie towarzyszyło, mimo że RS i OIS aktywują komórkowy szlak odpowiedzi na uszkodzenie DNA. Wyniki te podkreślają niezależność starzenia się komórek od starzenia epigenetycznego. Zgodnie z tym, komórki unieśmiertelnione telomerazą nadal się starzeją (zgodnie z zegarem epigenetycznym) bez leczenia induktorami starzenia lub czynnikami uszkadzającymi DNA, ponownie potwierdzając niezależność procesu starzenia epigenetycznego od telomerów, starzenia się komórek i szlak odpowiedzi na uszkodzenie DNA. Chociaż oddzielenie starzenia się od starzenia się komórek wydaje się na pierwszy rzut oka niespójne z faktem, że starzejące się komórki przyczyniają się do fizycznej manifestacji starzenia się organizmu, jak wykazali Baker i wsp., gdzie usunięcie starzejących się komórek spowolniło starzenie.

Analiza zegara epigenetycznego starzenia sugeruje jednak, że starzenie komórkowe jest stanem, do którego komórki są zmuszane w wyniku zewnętrznych nacisków, takich jak uszkodzenie DNA, ektopowa ekspresja onkogenu i wyczerpująca proliferacja komórek w celu uzupełnienia tych wyeliminowanych przez czynniki zewnętrzne / środowiskowe. Te starzejące się komórki, w wystarczającej liczbie, 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 zepchnięte w stan starzenia 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 skracane na siłę z powodu starzenia replikacyjnego. Dlatego starzenie się komórek jest drogą, na której komórki przedwcześnie wychodzą z naturalnego przebiegu starzenia się komórek.

Wpływ płci i rasy/pochodzenia etnicznego

Mężczyźni starzeją się szybciej niż kobiety zgodnie z epigenetycznym przyspieszeniem 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 można powiązać z epigenetycznym przyspieszeniem wieku. Na przykład krew Latynosów i Tsimané starzeje się wolniej niż krew innych populacji, co może wyjaśniać paradoks śmiertelności Latynosów .

Efekt odmłodzenia dzięki przeszczepowi komórek macierzystych we krwi

Przeszczep hematopoetycznych komórek macierzystych , polegający na przeszczepieniu tych komórek od młodego dawcy do starszego biorcy, odmładza wiek epigenetyczny krwi do wieku dawcy. Jednak choroba przeszczep przeciwko gospodarzowi jest związana ze zwiększonym wiekiem metylacji DNA.

Progeria

Dorosła progeria, znana również jako zespół Wernera , jest związana z epigenetycznym przyspieszeniem wieku we krwi. Próbki fibroblastów od dzieci z progerią Hutchinsona-Gilforda wykazują przyspieszone efekty starzenia epigenetycznego zgodnie z zegarem epigenetycznym „skóry i krwi”, ale nie zgodnie z oryginalnym zegarem tkankowym Horvatha.

Mechanizm biologiczny stojący za zegarem epigenetycznym

Pomimo faktu, że biomarkery starzenia oparte na danych dotyczących metylacji DNA umożliwiły dokładne oszacowanie wieku dowolnej tkanki na przestrzeni całego życia, dokładny mechanizm biologiczny stojący za zegarem epigenetycznym jest obecnie nieznany. Jednak biomarkery epigenetyczne mogą pomóc w odpowiedzi na odwieczne pytania w wielu dziedzinach, w tym główne pytanie: dlaczego się starzejemy? Aby zrozumieć istotę mechanizmów stojących za zegarem epigenetycznym, wskazane byłoby dokonanie porównania i znalezienie związku między odczytami zegara epigenetycznego a zegarem starzenia transkryptomu . Na razie w literaturze zaproponowano następujące wyjaśnienia.

Możliwe wyjaśnienie 1: Epigenomiczny system utrzymania

Horvath postawił hipotezę, że jego zegar wywodzi się ze 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 uszkodzenie DNA (występujące naturalnie) ). Podczas naprawy pęknięć dwuniciowych wprowadza się wiele zmian epigenetycznych, aw odsetku przypadków zmiany epigenetyczne pozostają po zakończeniu naprawy, w tym zwiększona metylacja promotorów wysp CpG. Podobne, ale zwykle przejściowe zmiany epigenetyczne stwierdzono ostatnio podczas naprawy uszkodzeń oksydacyjnych spowodowanych przez H 2 O 2 i zasugerowano, że czasami te zmiany epigenetyczne mogą również pozostać po naprawie. Te nagromadzone zmiany epigenetyczne mogą przyczyniać się do zegara epigenetycznego. Akumulacja zmian epigenetycznych może być równoległa do akumulacji nienaprawionych uszkodzeń DNA, które mają powodować starzenie (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 dla DNA z krwi, który wykorzystuje tylko trzy miejsca CpG genów prawie nie dotkniętych starzeniem (cg25809905 w integrynie, alfa 2b (ITGA2B); cg02228185 w aspartoacylazie (ASPA) i cg17861230 w fosfodiesterazie 4C, specyficzny dla cAMP (PDE4C )). Estymator wieku autorstwa Weidenera i in. (2014) dotyczy tylko krwi. Nawet we krwi ten rzadki estymator jest znacznie mniej dokładny niż zegar epigenetyczny Horvatha (Horvath 2014), gdy stosuje się go do danych generowanych przez platformy Illumina 27K lub 450K. Jednak rzadki estymator został opracowany do danych pirosekwencjonowania i jest wysoce opłacalny.

2) Hannum i in. (2013) podają kilka estymatorów wieku: po jednym dla każdego rodzaju tkanki. Każdy z tych estymatorów wymaga informacji o współzmiennych (np. płeć, wskaźnik masy ciała, partia). Autorzy wspominają, że każda tkanka prowadziła do wyraźnego liniowego przesunięcia (punkt przecięcia i nachylenia). Dlatego autorzy musieli dostosować estymator wieku oparty na krwi dla każdego typu tkanki za pomocą modelu liniowego. Gdy estymator Hannuma jest stosowany do innych tkanek, prowadzi to do wysokiego błędu (z powodu złej kalibracji), jak widać na rycinie 4A w Hannum et al. (2013). Hannum i in. dostosowali swój estymator wieku na podstawie krwi (dostosowując nachylenie i wyraz wolny), aby zastosować go do innych typów tkanek. Ponieważ ten krok dostosowania usuwa różnice między tkankami, estymator oparty na krwi z Hannum et al. nie może być używany 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 zegar epigenetyczny Horvatha może być wykorzystany do porównania wieku różnych tkanek/komórek/organów tego samego osobnika. Podczas gdy estymatory wieku z Hannum et al. nie można ich użyć do porównania wieku różnych normalnych tkanek, można ich użyć do porównania wieku tkanki nowotworowej z wiekiem odpowiedniej normalnej (nienowotworowej) tkanki. Hannum i in. zgłaszali wyraźne efekty przyspieszenia starzenia we wszystkich nowotworach. Z kolei zegar epigenetyczny Horvatha ujawnia, że ​​niektóre typy nowotworów (np. potrójnie ujemny rak piersi lub rak trzonu macicy) wykazują ujemne przyspieszenie starzenia, tj. tkanka nowotworowa może być znacznie młodsza niż oczekiwano. Istotna różnica dotyczy dodatkowych współzmiennych. Estymatory wieku Hannuma wykorzystują współzmienne, takie jak płeć, wskaźnik masy ciała, stan cukrzycy, pochodzenie etniczne i partia. Ponieważ nowe dane obejmują różne partie, nie można zastosować ich bezpośrednio do nowych danych. Jednak autorzy przedstawiają wartości współczynników dla swoich CpG w tabelach uzupełniających, które można wykorzystać do zdefiniowania zagregowanej miary, która jest silnie skorelowana z wiekiem chronologicznym, ale może być źle skalibrowana (tj. prowadzić do dużych błędów).

Comparison of the 3 age predictors described in A) Horvath (2013),[10] B) Hannum (2013),[9] and C) Weidener (2014),[62] respectively. The x-axis depicts the chronological age in years whereas the y-axis shows the predicted age. The solid black line corresponds to y=x. These results were generated in an independent blood methylation data set that was not used in the construction of these predictors (data generated in Nov 2014).

3) Giulianiego i in. zidentyfikować regiony genomu, których poziom metylacji DNA koreluje z wiekiem w ludzkich zębach. Proponują ocenę metylacji DNA w genach ELOVL2, FHL2 i PENK w DNA odzyskanym zarówno z cementu, jak i miazgi tych samych współczesnych zębów. Chcą zastosować tę metodę również do historycznych i stosunkowo starożytnych zębów ludzkich.

4) Galkin i in. wykorzystali głębokie sieci neuronowe do wytrenowania epigenetycznego zegara starzenia z niespotykaną dokładnością przy użyciu > 6000 próbek krwi. Zegar wykorzystuje informacje z 1000 miejsc CpG i przewiduje osoby z pewnymi schorzeniami starszymi niż zdrowe grupy kontrolne: IBD , otępienie czołowo-skroniowe , rak jajnika, otyłość. Starzejący się zegar ma zostać wydany do użytku publicznego w 2021 roku przez Insilico Medicine, Deep Longevity.

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

5) McCartney i in. Inhibitor aktywatora plazminogenu 1 ( PAI1 ) może być również stosowany jako estymator wieku związany z poziomami metylacji DNA, ponieważ wykazano, że wykazuje on silniejsze powiązania z chorobami kardiometabolicznymi niż niektóre zegary epigenetyczne.

6) de Lima Camillo i in. (2022) wykorzystali zoptymalizowaną głęboką sieć neuronową do stworzenia bardzo dokładnego, solidnego zegara epigenetycznego obejmującego całą tkankę. Predyktor, nazwany AltumAge, został przeszkolony na 142 zestawach danych i wykorzystuje 20 318 miejsc CpG, aby osiągnąć jeden z najniższych zgłoszonych median błędów bezwzględnych dla epigenetycznego przewidywania wieku człowieka, wynoszący 2,153 lat. Częściowo ten wzrost wydajności liniowej metody Horvatha wynika ze zdolności AltumAge do wykrywania interakcji CpG-CpG. AltumAge przewiduje wyższy wiek dla osób z autyzmem, HIV, stwardnieniem rozsianym, niealkoholową stłuszczeniową chorobą wątroby, cukrzycą typu 2 i miażdżycą tętnic. W przeciwieństwie do zegara Horvatha, AltumAge przewiduje, że rak jest starszy niż normalne tkanki. Kod do zegara jest publicznie dostępny.

Inne gatunki

Wang i in. (w wątrobach myszy) oraz Petkovich i in. (na podstawie profili metylacji DNA myszy) zbadali, czy myszy i ludzie doświadczają podobnych wzorców zmian w metylomie wraz z wiekiem. Odkryli, że myszy leczone interwencjami wydłużającymi długość życia (takimi jak ograniczenie kalorii lub rapamycyna w diecie) były znacznie młodsze w wieku epigenetycznym niż ich nieleczone, dopasowane wiekowo myszy kontrolne typu dzikiego. Predyktory wieku myszy wykrywają również skutki długowieczności nokautów genów i odmładzania iPSC pochodzących z fibroblastów .

Wielotkankowy predyktor 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 wykazała, że ​​ludzki zegar nie jest w pełni zachowany u myszy. Różnice między zegarami człowieka i myszy sugerują, że zegary epigenetyczne należy trenować specjalnie dla różnych gatunków.

W 2021 roku opublikowano nową metodę starzenia homarów, która wykorzystywała zegar oparty na metylacji rybosomalnego DNA, co może umożliwić nieinwazyjne pobieranie próbek i starzenie się dzikich populacji homara europejskiego ( Homarus gammarus )

Zmiany wzorców metylacji DNA mają ogromny potencjał w szacowaniu wieku i poszukiwaniu biomarkerów u zwierząt domowych i dzikich.

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Epigenetic_clock&oldid=1140680359 ”