Epigenetisk klocka

En epigenetisk klocka är ett biokemiskt test som kan användas för att mäta ålder. Testet är baserat på DNA-metyleringsnivåer , som mäter ackumuleringen av metylgrupper till ens DNA-molekyler.

Historia

De starka effekterna av ålder på DNA-metyleringsnivåer har varit kända sedan slutet av 1960-talet. En omfattande litteratur beskriver uppsättningar av CpG vars DNA-metyleringsnivåer korrelerar med ålder. Den första robusta demonstrationen av att DNA-metyleringsnivåer i saliv kunde generera åldersprediktorer med en genomsnittlig noggrannhet på 5,2 år publicerades av ett UCLA -team inklusive Sven Bocklandt, Steve Horvath och Eric Vilain 2011 (Bocklandt et al. 2011). Laboratorierna för Trey Ideker och Kang Zhang vid University of California, San Diego publicerade Hannum epigenetiska klockan (Hannum 2013), som bestod av 71 markörer som exakt uppskattar ålder baserat på blodmetyleringsnivåer. Den första epigenetiska klockan med flera vävnader, Horvaths epigenetiska klocka, utvecklades av Steve Horvath, professor i human genetik och biostatistik vid UCLA (Horvath 2013). Horvath tillbringade över 4 år med att samla in allmänt tillgängliga Illumina DNA-metyleringsdata och identifiera lämpliga statistiska metoder.

Den personliga historien bakom upptäckten presenterades i Nature . Åldersskattaren utvecklades med hjälp av 8 000 prover från 82 uppsättningar av Illumina DNA-metyleringsuppsättningar, som omfattar 51 friska vävnader och celltyper. Den stora innovationen med Horvaths epigenetiska klocka ligger i dess breda tillämpbarhet: samma uppsättning av 353 CpGs och samma förutsägelsealgoritm används oavsett DNA-källan i organismen, dvs den kräver inga justeringar eller förskjutningar. Den här egenskapen gör att man kan jämföra åldrarna för olika delar av människokroppen med samma åldrande klocka. Kort därefter utvecklades en härledning av Horvaths klocka, IEAA (Intrinsic Epigenetic Age Acceleration), en estimator baserad på blodets cellulära sammansättning.

En andra generation av epigenetiska klockor dök upp några år senare och förbättrades jämfört med den första i åldersuppskattning. Detta var tack vare inkorporeringen av inte bara epigenetiska varianter som DNA-metylering utan även miljövarianter som rökning eller kronologisk ålder. Bland dessa klockor sticker PhenoAge- och GrimAge-klockorna ut. PhenoAge är en epigenetisk klocka som tar hänsyn till kronologisk ålder och GrimAge använder ålderns dödlighetsrisk tillsammans med rökvarianten bland annat som riskfaktor. Att ta hänsyn till miljövarianter gör att GrimAge kan överträffa vilken annan epigenetisk klocka som helst när det gäller att "förutsäga döden".

Nya verktyg för åldersuppskattning har utvecklats kontinuerligt, vilket också underlättar prognosen för vissa sjukdomar.

Samband till en orsak till biologiskt åldrande

Det är ännu inte känt vad som exakt mäts med DNA-metyleringsålder. Horvath antog att DNA-metyleringsåldern mäter den kumulativa effekten av ett epigenetiskt underhållssystem men detaljerna är okända. Det faktum att blodets DNA-metyleringsålder förutsäger dödlighet av alla orsaker senare i livet har använts för att hävda att det är relaterat till en process som orsakar åldrande. Men om en viss CpG spelade en direkt orsaksroll i åldringsprocessen, skulle dödligheten den skapade göra det mindre sannolikt att det observeras hos äldre individer, vilket gör att platsen mindre sannolikt har valts som en prediktor; 353 klock-CPG har därför sannolikt ingen som helst orsakseffekt. Snarare fångar den epigenetiska klockan en framväxande egenskap hos epigenomet.

Epigenetisk klockteori om åldrande

År 2010 föreslogs en ny förenande modell för åldrande och utveckling av komplexa sjukdomar, med klassiska åldrandeteorier och epigenetik. Horvath och Raj utökade denna teori och föreslog en epigenetisk klockteori om åldrande med följande grundsatser:

  • Biologiskt åldrande uppstår som en oavsiktlig konsekvens av både utvecklingsprogram och underhållsprogram, vars molekylära fotspår ger upphov till åldersuppskattningar av DNA-metylering.
  • De exakta mekanismerna som kopplar de medfödda molekylära processerna (underliggande DNA-mage) till nedgången i vävnadsfunktion relaterar troligen till både intracellulära förändringar (som leder till en förlust av cellulär identitet) och subtila förändringar i cellsammansättning, till exempel fullt fungerande somatiska stamceller.
  • På molekylär nivå är DNAm-ålder en proximal avläsning av en samling medfödda åldrandeprocesser som konspirerar med andra, oberoende grundorsaker till åldrande till skada för vävnadsfunktionen.

Motivation för biologiska klockor

I allmänhet förväntas biologiska åldrandeklockor och biomarkörer för åldrande hitta många användningsområden i biologisk forskning eftersom ålder är en grundläggande egenskap hos de flesta organismer . Noggranna mätningar av biologisk ålder (biologiska åldrande klockor) kan vara användbara för

Sammantaget förväntas biologiska klockor vara användbara för att studera vad som orsakar åldrande och vad som kan göras mot det. De kan dock bara fånga effekterna av interventioner som påverkar hastigheten för framtida åldrande, dvs. lutningen på Gompertz- kurvan med vilken dödligheten ökar med åldern, och inte effekten av interventioner som verkar vid ett ögonblick i tiden, t.ex. för att sänka dödligheten över alla åldrar, dvs skärningen av Gompertz-kurvan.

Egenskaper hos Horvaths klocka

Klockan definieras som en åldersuppskattningsmetod baserad på 353 epigenetiska markörer på DNA. De 353 markörerna mäter DNA-metylering av CpG-dinukleotider . Uppskattad ålder ("förutspådd ålder" i matematisk användning), även kallad DNA-metyleringsålder, har följande egenskaper: för det första är den nära noll för embryonala och inducerade pluripotenta stamceller ; för det andra korrelerar det med cellpassagenummer ; för det tredje ger det upphov till ett mycket ärftligt mått på åldersacceleration; och för det fjärde är den tillämpbar på schimpansvävnader (som används som humana analoger för biologiska teständamål). Organismisk tillväxt (och åtföljande celldelning) leder till en hög tickande hastighet av den epigenetiska klockan som saktar ner till en konstant tickande hastighet (linjärt beroende) efter vuxen ålder (20 års ålder). Det faktum att blodets DNA-metyleringsålder förutsäger dödlighet av alla orsaker senare i livet även efter justering för kända riskfaktorer är förenligt med en mängd olika orsakssamband, t.ex. en vanlig orsak till båda. På liknande sätt är markörer för fysisk och mental kondition associerade med den epigenetiska klockan (lägre förmågor förknippade med åldersacceleration). Den underskattar systematiskt ålder från äldre individer.

Framträdande egenskaper hos Horvaths epigenetiska klocka inkluderar dess tillämpbarhet på ett brett spektrum av vävnader och celltyper. Eftersom det tillåter en att kontrastera åldrarna på olika vävnader från samma ämne, kan den användas för att identifiera vävnader som visar tecken på accelererad ålder på grund av sjukdom.

Genetiska estimatorer i Horvath-klockan

Horvath-klockan, närmare bestämt IEAA-varianten, är associerad med flera åldringsrelaterade gener:14

  • TRIM59: av den tredelade motivfamiljen , starkt associerad med kronologisk ålder och vars uttryck har observerats i flera cancerformer
  • SMC4 : hämmar cellulär senescens , ett etablerat kännetecken för åldrande
  • KPNA4 : medlem av importin-familjen, nukleära transportreceptorer. Dysfunktion av kärnkraftstransport har föreslagits som en markör för åldrande
  • CD46 : kodar för en regulator av T-cellsfunktion och komplementsystemet, en nyckelkomponent i det medfödda immunsystemet där det främjar inflammation
  • ATP8B4: kodar för ett lipidtransportprotein och innehåller varianter som har rapporterats i samband med Alzheimers sjukdom
  • CXXC4: kodar för Idax, en hämmare av Wnt-signalering

Statistiskt tillvägagångssätt

Det grundläggande tillvägagångssättet är att bilda ett vägt medelvärde av de 353 klock-CpG:erna, som sedan transformeras till DNAm-ålder med hjälp av en kalibreringsfunktion. Kalibreringsfunktionen avslöjar att den epigenetiska klockan har en hög tickhastighet fram till vuxen ålder, varefter den saktar ner till en konstant tickhastighet. Med hjälp av träningsdatauppsättningarna använde Horvath en straffad regressionsmodell ( Elastic net regularization ) för att regressera en kalibrerad version av kronologisk ålder på 21 369 CpG-sonder som fanns både på Illumina 450K och 27K-plattformen och hade färre än 10 saknade värden. DNAm-ålder definieras som uppskattad ("förutspådd") ålder. Den elastiska nettoprediktorn valde automatiskt 353 CpGs. 193 av de 353 CpG korrelerar positivt med ålder medan de återstående 160 CpG korrelerar negativt med ålder. R-programvara och ett fritt tillgängligt webbaserat verktyg finns på följande webbsida.

Noggrannhet

Medianfelet för uppskattad ålder är 3,6 år över ett brett spektrum av vävnader och celltyper, även om detta ökar för äldre individer. Den epigenetiska klockan fungerar bra i heterogena vävnader (till exempel helblod, perifera mononukleära blodceller, cerebellära prover, occipital cortex buckalt epitel, kolon, fett, njure, lever, lunga, saliv, livmoderhals, epidermis, muskel) såväl som i individuella celltyper såsom CD4 T-celler, CD14-monocyter, gliaceller, neuroner, immortaliserade B-celler, mesenkymal stromal celler. Men noggrannheten beror till viss del på källan till DNA.

Jämförelse med andra biologiska klockor

Den epigenetiska klockan leder till en kronologisk åldersförutsägelse som har en Pearson-korrelationskoefficient på r = 0,96 med kronologisk ålder (Figur 2). Således är ålderskorrelationen nära dess maximalt möjliga korrelationsvärde på 1. Andra biologiska klockor är baserade på a) telomerlängd , b) p16INK4a -uttrycksnivåer (även känd som INK4a/ARF-lokus) och c) mikrosatellitmutationer . Korrelationen mellan kronologisk ålder och telomerlängd är r = −0,51 hos kvinnor och r = −0,55 hos män. Korrelationen mellan kronologisk ålder och expressionsnivåer av p16INK4a i T-celler är r = 0,56.

Tillämpningar av Horvaths klocka

Genom att kontrastera DNA-metyleringsålder (uppskattad ålder) med kronologisk ålder kan man definiera mått på åldersacceleration. Åldersacceleration kan definieras som skillnaden mellan DNA-metyleringsålder och kronologisk ålder. Alternativt kan det definieras som den rest som är resultatet av att DNA-åldern går tillbaka på kronologisk ålder. Det senare måttet är attraktivt eftersom det inte korrelerar med kronologisk ålder. Ett positivt/negativt värde av epigenetisk åldersacceleration tyder på att den underliggande vävnaden åldras snabbare/långsammare än förväntat.

Genetiska studier av epigenetisk åldersacceleration

Den breda bemärkelsen ärftlighet (definierad via Falconers formel ) av åldersacceleration av blod från äldre försökspersoner är cirka 40 %, men det verkar vara mycket högre hos nyfödda. På liknande sätt visade sig åldersaccelerationen av hjärnvävnad (prefrontal cortex) vara 41 % hos äldre försökspersoner. Genomomfattande associationsstudier (GWAS) av epigenetisk åldersacceleration i postmortem hjärnprover har identifierat flera SNP på en genomomfattande signifikansnivå. GWAS av åldersacceleration i blod har identifierat flera genomomfattande signifikanta genetiska loci inklusive telomeras-omvänt transkriptasgenen ( TERT ) lokus. Genetiska varianter associerade med längre leukocyttelomerlängd i TERT-genen ger paradoxalt nog högre epigenetisk åldersacceleration i blod.

Livsstilsfaktorer

Generellt sett har livsstilsfaktorer endast svaga samband med epigenetisk åldersacceleration i blod. Tvärsnittsstudier av extrinsiska epigenetiska åldrande i blod visar att minskat epigenetiskt åldrande korrelerar med högre utbildning, att äta en hög växtkost med magert kött, måttlig alkoholkonsumtion och fysisk aktivitet och riskerna förknippade med metabolt syndrom . Studier tyder dock på att höga nivåer av alkoholkonsumtion är förknippade med accelererat åldrande av vissa epigenetiska klockor.

Fetma och metabolt syndrom

Den epigenetiska klockan användes för att studera sambandet mellan högt kroppsmassaindex (BMI) och DNA-metyleringsåldern hos mänskligt blod, lever, muskler och fettvävnad. En signifikant korrelation (r = 0,42) mellan BMI och epigenetisk åldersacceleration kunde observeras för levern. En mycket större provstorlek (n = 4200 blodprover) visade en svag men statistiskt signifikant korrelation (r = 0,09) mellan BMI och inre åldersacceleration av blod. Samma stora studie fann att olika biomarkörer för metabolt syndrom (glukos-, insulin-, triglyceridnivåer, C-reaktivt protein, midja-till-höft-förhållande ) var associerade med epigenetisk åldersacceleration i blod. Omvänt var höga nivåer av HDL-kolesterol associerade med en lägre epigenetisk åldringshastighet av blod. Annan forskning tyder på mycket starka samband mellan högre kroppsmassaindex , midje-till-höft-förhållande och midjeomkrets och accelererade epigenetiska klockor, med bevis för att fysisk aktivitet kan minska dessa effekter.

Kvinnlig bröstvävnad är äldre än förväntat

DNAm-åldern är högre än kronologisk ålder i kvinnlig bröstvävnad som ligger intill bröstcancervävnad. Eftersom normal vävnad som gränsar till andra cancertyper inte uppvisar en liknande åldersaccelererande effekt, tyder detta fynd på att normal kvinnlig bröstvävnad åldras snabbare än andra delar av kroppen. På liknande sätt har normala bröstvävnadsprover från kvinnor utan cancer visat sig vara betydligt äldre än blodprover som tagits från samma kvinnor samtidigt.

Kvinnlig bröstcancer

I en studie av tre epigenetiska klockor och risk för bröstcancer, visade sig DNA-åldern öka i blodprover från cancerfria kvinnor, år innan diagnosen.

Cancervävnad

Cancervävnader visar både positiva och negativa åldersaccelererande effekter. För de flesta tumörtyper kan inget signifikant samband observeras mellan åldersacceleration och tumörmorfologi (grad/stadium). I genomsnitt har cancervävnader med muterat TP53 en lägre åldersacceleration än de utan. Vidare tenderar cancervävnader med hög åldersacceleration att ha färre somatiska mutationer än de med låg åldersacceleration. Åldersacceleration är starkt relaterad till olika genomiska aberrationer i cancervävnader. Somatiska mutationer i östrogenreceptorer eller progesteronreceptorer är associerade med accelererad DNA-ålder vid bröstcancer. Kolorektalcancerprover med en BRAF (V600E) mutation eller promotorhypermetylering av missmatch reparationsgenen MLH1 är associerade med en ökad åldersacceleration. Åldersacceleration i glioblastoma multiforme -prover är mycket signifikant associerad med vissa mutationer i H3F3A . En studie tyder på att den epigenetiska åldern för blodvävnad kan vara prognostiskt för lungcancerincidensen.

Trisomi 21 (Downs syndrom)

Downs syndrom innebär en ökad risk för många kroniska sjukdomar som vanligtvis är förknippade med högre ålder. De kliniska manifestationerna av accelererat åldrande tyder på att trisomi 21 ökar vävnadernas biologiska ålder, men molekylära bevis för denna hypotes har varit sparsamma. Enligt den epigenetiska klockan ökar trisomi 21 signifikant åldern på blod och hjärnvävnad (i genomsnitt med 6,6 år).

Alzheimers sjukdom relaterad neuropatologi

Epigenetisk åldersacceleration av den mänskliga prefrontala cortex visade sig vara korrelerad med flera neuropatologiska mätningar som spelar en roll vid Alzheimers sjukdom. Vidare visade det sig vara associerat med en nedgång i global kognitiv funktion och minnesfunktion bland individer med Alzheimers sjukdom. Blodets epigenetiska ålder relaterar till kognitiv funktion hos äldre. Sammantaget tyder dessa resultat starkt på att den epigenetiska klockan lämpar sig för att mäta hjärnans biologiska ålder.

Cerebellum åldras långsamt

Det har varit svårt att identifiera vävnader som verkar undvika åldrande på grund av bristen på biomarkörer för vävnadsålder som gör att man kan kontrast jämföra åldrarna på olika vävnader. En applicering av epigenetisk klocka på 30 anatomiska platser från sex hundraåringar och yngre försökspersoner avslöjade att lillhjärnan åldras långsamt: den är cirka 15 år yngre än förväntat hos en hundraåring. Detta fynd kan förklara varför lillhjärnan uppvisar färre neuropatologiska kännetecken för åldersrelaterade demenssjukdomar jämfört med andra hjärnregioner. Hos yngre personer (t.ex. yngre än 70) verkar hjärnregioner och hjärnceller ha ungefär samma ålder. Flera SNP och gener har identifierats som relaterar till cerebellums epigenetiska ålder.

Huntingtons sjukdom

Huntingtons sjukdom har visat sig öka den epigenetiska åldringshastigheten i flera mänskliga hjärnregioner.

Hundraåringar åldras långsamt

Avkommor till halv-supercentenåringar (försökspersoner som nådde en ålder av 105–109 år) har en lägre epigenetisk ålder än åldersmatchade kontroller (åldersskillnad = 5,1 år i blod) och hundraåringar är yngre (8,6 år) än förväntat baserat på deras kronologisk ålder.

HIV-infektion

Infektion med Human Immunodeficiency Virus-1 ( HIV ) är associerad med kliniska symtom på accelererat åldrande, vilket framgår av ökad förekomst och mångfald av åldersrelaterade sjukdomar i relativt unga åldrar. Men det har varit svårt att upptäcka en accelererad åldrandeeffekt på molekylär nivå. En epigenetisk klockanalys av mänskligt DNA från HIV+-personer och kontroller upptäckte en signifikant åldersaccelererande effekt i hjärnvävnad (7,4 år) och blod (5,2 år) på grund av HIV-1-infektion. Dessa resultat överensstämmer med en oberoende studie som också fann en åldershöjning på 5 år i blod från HIV-patienter och en stark effekt av HLA-lokuset.

Parkinsons sjukdom

En storskalig studie tyder på att blodet från patienter med Parkinsons sjukdom, i synnerhet deras granulocytkvot, uppvisar (relativt svaga) accelererade åldrandeeffekter.

Utvecklingsstörning: syndrom X

Barn med en mycket sällsynt sjukdom som kallas syndrom X bibehåller fasaden av ihållande småbarnsliknande egenskaper medan de åldras från födseln till vuxen ålder. Eftersom den fysiska utvecklingen för dessa barn är dramatiskt försenad, verkar dessa barn vara ett litet barn eller i bästa fall ett förskolebarn. Enligt en epigenetisk klockanalys är blodvävnad från syndrom X-fall inte yngre än förväntat.

Klimakteriet påskyndar epigenetiskt åldrande

Följande resultat tyder starkt på att förlusten av kvinnliga hormoner till följd av klimakteriet påskyndar den epigenetiska åldringshastigheten för blod och möjligen för andra vävnader. För det första har tidig klimakteriet visat sig vara associerad med en ökad epigenetisk åldersacceleration av blod. För det andra är kirurgisk menopaus (på grund av bilateral ooforektomi ) associerad med epigenetisk åldersacceleration i blod och saliv. För det tredje, menopausal hormonbehandling , som mildrar hormonell förlust, är associerad med en negativ åldersacceleration av buckala celler (men inte av blodceller). För det fjärde är genetiska markörer som är associerade med tidig klimakteriet också associerade med ökad epigenetisk åldersacceleration i blod.

Cellulär senescens kontra epigenetiskt åldrande

En förvirrande aspekt av biologiskt åldrande är arten och rollen hos åldrande celler. Det är oklart om de tre huvudtyperna av cellulär senescens, nämligen replikativ senescens, onkogen-inducerad senescens och DNA-skada-inducerad senescens är beskrivningar av samma fenomen som anstiftats av olika källor, eller om var och en av dessa är distinkt, och hur de är associerade med epigenetiskt åldrande. Induktion av replikativ senescens (RS) och onkogeninducerad senescens (OIS) visade sig åtföljas av epigenetisk åldrande av primära celler, men åldrande inducerad av DNA-skada var inte det, även om RS och OIS aktiverar den cellulära DNA-skada-responsvägen. Dessa resultat framhäver cellulär senescens oberoende av epigenetiskt åldrande. I enlighet med detta fortsatte telomeras-odödliggjorda celler att åldras (enligt den epigenetiska klockan) utan att ha behandlats med några åldringsinducerare eller DNA-skadande medel, vilket på nytt bekräftade oberoendet av processen för epigenetisk åldrande från telomerer, cellulär senescens och DNA-skada svarsvägen. Även om frikopplingen av åldrande från cellulärt åldrande vid första anblick verkar vara oförenlig med det faktum att åldrande celler bidrar till den fysiska manifestationen av organismens åldrande, vilket demonstreras av Baker et al., där avlägsnande av åldrande celler bromsade åldrandet.

Den epigenetiska klockanalysen av åldrande tyder dock på att cellulär åldrande är ett tillstånd som celler tvingas in i som ett resultat av yttre tryck såsom DNA-skada, ektopiskt onkogenuttryck och uttömmande cellförökning för att fylla på de som elimineras av externa/miljöfaktorer. Dessa åldrande celler, i tillräckligt antal, kommer troligen att orsaka försämring av vävnader, vilket tolkas som att organismer åldras. Men på cellnivå är åldrande, mätt med den epigenetiska klockan, skilt från åldrande. Det är en inneboende mekanism som existerar från cellens födelse och fortsätter. Detta innebär att om celler inte shuntas in i åldrande av de externa tryck som beskrivs ovan, skulle de fortfarande åldras. Detta överensstämmer med det faktum att möss med naturligt långa telomerer fortfarande åldras och så småningom dör trots att deras telomerlängder är mycket längre än den kritiska gränsen, och de åldras för tidigt när deras telomerer med tvång förkortas, på grund av replikativ senescens. Därför är cellulär senescens en väg genom vilken celler lämnar det naturliga förloppet av cellulärt åldrande i förtid.

Effekt av kön och ras/etnicitet

Män åldras snabbare än kvinnor enligt epigenetisk åldersacceleration i blod, hjärna, saliv, men det beror på strukturen som forskas på och livsstilen. Den epigenetiska klockmetoden gäller alla undersökta ras/etniska grupper i den meningen att DNAm-åldern är starkt korrelerad med kronologisk ålder. Men etnicitet kan associeras med epigenetisk åldersacceleration. Till exempel åldras blodet hos latinamerikaner och tsimané långsammare än hos andra befolkningar, vilket kan förklara den latinamerikanska dödlighetsparadoxen .

Föryngringseffekt på grund av stamcellstransplantation i blod

Hematopoetisk stamcellstransplantation , som transplanterar dessa celler från en ung givare till en äldre mottagare, föryngrar blodets epigenetiska ålder till givarens. Emellertid transplantat-mot-värd-sjukdom associerad med ökad DNA-metyleringsålder.

Progeria

Vuxen progeria även känd som Werners syndrom är associerad med epigenetisk åldersacceleration i blod. Fibroblastprover från barn med Hutchinson-Gilford Progeria uppvisar accelererade epigenetiska åldrandeeffekter enligt den epigenetiska klockan "hud & blod", men inte enligt den ursprungliga pan tissue-klockan från Horvath.

Biologisk mekanism bakom den epigenetiska klockan

Trots det faktum att biomarkörer för åldrande baserade på DNA-metyleringsdata har möjliggjort exakta åldersuppskattningar för vilken vävnad som helst över hela livsförloppet, är den exakta biologiska mekanismen bakom den epigenetiska klockan för närvarande okänd. Emellertid kan epigenetiska biomarkörer hjälpa till att ta itu med långvariga frågor inom många områden, inklusive den centrala frågan: varför åldras vi? För att förstå essensen av mekanismerna bakom den epigenetiska klockan skulle det vara tillrådligt att göra en jämförelse och hitta sambandet mellan avläsningarna av den epigenetiska klockan och transkriptomets åldrandeklocka . Följande förklaringar har föreslagits för nu i litteraturen.

Möjlig förklaring 1: Epigenomiskt underhållssystem

Horvath antog att hans klocka härrör från ett metyleringsfotavtryck som lämnats av ett epigenomiskt underhållssystem.

Möjlig förklaring 2: Oreparerade DNA-skador

Endogena DNA-skador uppstår ofta, inklusive cirka 50 dubbelsträngade DNA-avbrott per cellcykel och cirka 10 000 oxidativa skador per dag (se DNA-skador (naturligt förekommande) ). Under reparation av dubbelsträngsbrott introduceras många epigenetiska förändringar, och i en procent av fallen kvarstår epigenetiska förändringar efter att reparationen är klar, inklusive ökad metylering av CpG-ö-promotorer. Liknande, men vanligtvis övergående epigenetiska förändringar hittades nyligen under reparation av oxidativa skador orsakade av H 2 O 2 , och det föreslogs att ibland dessa epigenetiska förändringar kan också finnas kvar efter reparation. Dessa ackumulerade epigenetiska förändringar kan bidra till den epigenetiska klockan. Ackumulering av epigenetiska förändringar kan parallella ansamlingen av icke-reparerade DNA-skador som föreslås orsaka åldrande (se DNA-skadeteori om åldrande) .

Andra åldersuppskattare baserade på DNA-metyleringsnivåer

Flera andra åldersuppskattare har beskrivits i litteraturen.

1) Weidner et al. (2014) beskriver en åldersuppskattare för DNA från blod som endast använder tre CpG-ställen av gener som knappast påverkas av åldrande (cg25809905 i integrin, alfa 2b (ITGA2B); cg02228185 i aspartoacylas (ASPA) och cg17861230 i cg17861230 i phosphosphosphoc, cg17861230 i cg17861230 )). Åldersskattaren av Weidener et al. (2014) gäller endast blod. Även i blod är denna glesa estimator mycket mindre exakt än Horvaths epigenetiska klocka (Horvath 2014) när den tillämpas på data som genereras av Illumina 27K eller 450K-plattformarna. Men den sparsamma skattaren utvecklades för pyrosekvensering av data och är mycket kostnadseffektiv.

2) Hannum et al. (2013) rapporterar flera åldersuppskattare: en för varje vävnadstyp. Var och en av dessa estimatorer kräver kovariatinformation (t.ex. kön, kroppsmassaindex, batch). Författarna nämner att varje vävnad ledde till en tydlig linjär offset (avskärning och lutning). Därför var författarna tvungna att justera den blodbaserade åldersuppskattaren för varje vävnadstyp med hjälp av en linjär modell. När Hannum-estimatorn appliceras på andra vävnader leder det till ett högt fel (på grund av dålig kalibrering) som kan ses från figur 4A i Hannum et al. (2013). Hannum et al. justerade sin blodbaserade åldersuppskattare (genom att justera lutningen och intercepttermen) för att tillämpa den på andra vävnadstyper. Eftersom detta justeringssteg tar bort skillnader mellan vävnader, har den blodbaserade estimatorn från Hannum et al. kan inte användas för att jämföra åldrarna på olika vävnader/organ. Däremot är en framträdande egenskap hos den epigenetiska klockan att man inte behöver utföra ett sådant kalibreringssteg: den använder alltid samma CpGs och samma koefficientvärden. Därför kan Horvaths epigenetiska klocka användas för att jämföra åldrarna på olika vävnader/celler/organ från samma individ. Medan åldersuppskattarna från Hannum et al. kan inte användas för att jämföra åldrarna på olika normala vävnader, de kan användas för att jämföra åldern på en cancervävnad med åldern på en motsvarande normal (icke-cancerös) vävnad. Hannum et al. rapporterade uttalade åldersaccelererande effekter i alla cancerformer. Däremot avslöjar Horvaths epigenetiska klocka att vissa cancertyper (t.ex. trippelnegativa bröstcancer eller livmoderkroppens endometriekarcinom) uppvisar negativ åldersacceleration, dvs cancervävnad kan vara mycket yngre än förväntat. En viktig skillnad hänför sig till ytterligare kovariater. Hannums åldersuppskattare använder sig av kovariater som kön, body mass index, diabetesstatus, etnicitet och batch. Eftersom ny data involverar olika partier kan man inte applicera den direkt på ny data. Författarna presenterar dock koefficientvärden för sina CpGs i kompletterande tabeller som kan användas för att definiera ett aggregerat mått som tenderar att vara starkt korrelerad med kronologisk ålder men som kan vara dåligt kalibrerad (dvs. leda till höga fel).

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) Giuliani et al. identifiera genomiska regioner vars DNA-metyleringsnivå korrelerar med ålder i mänskliga tänder. De föreslår utvärdering av DNA-metylering vid generna ELOVL2, FHL2 och PENK i DNA som återvunnits från både cement och massa från samma moderna tänder. De vill tillämpa denna metod även på historiska och relativt gamla mänskliga tänder.

4) Galkin et al. använde djupa neurala nätverk för att träna en epigenetisk åldrandeklocka med oöverträffad noggrannhet med hjälp av >6 000 blodprover. Klockan använder information från 1000 CpG-platser och förutsäger personer med vissa tillstånd äldre än friska kontroller: IBD , frontotemporal demens , äggstockscancer, fetma. Den åldrande klockan är planerad att släppas för allmänt bruk 2021 av ett Insilico Medicine- spinoffföretag Deep Longevity.

I en multicenter benchmarkingstudie jämförde 18 forskargrupper från tre kontinenter alla lovande metoder för att analysera DNA-metylering på kliniken och identifierade de mest exakta metoderna, efter att ha kommit fram till att epigenetiska tester baserade på DNA-metylering är en mogen teknologi redo för bred klinisk användning.

5) McCartney et al. Plasminogenaktivatorhämmare 1 ( PAI1 ) kan också användas som en åldersuppskattare relaterad till DNA-metyleringsnivåer, eftersom den har visat sig uppvisa starkare associationer med kardiometabolisk sjukdom än vissa epigenetiska klockor.

6) de Lima Camillo et al. (2022) använde ett optimerat djupt neuralt nätverk för att skapa en mycket exakt, robust epigenetisk klocka för pannan. Prediktorn, kallad AltumAge, tränades på 142 datauppsättningar och använder 20 318 CpG-platser för att uppnå ett av de lägsta rapporterade absoluta medianfelen för mänsklig epigenetisk åldersförutsägelse på 2,153 år. Dels beror den ökningen i prestanda hos Horvaths linjära metod på AltumAges förmåga att detektera CpG-CpG-interaktioner. AltumAge förutspår högre ålder för personer med autism, HIV, multipel skleros, alkoholfri fettleversjukdom, typ 2-diabetes och ateroskleros. I motsats till Horvaths klocka förutspår AltumAge att cancer är äldre än normala vävnader. Koden för klockan är allmänt tillgänglig.

Andra arter

Wang et al. (i mösslever) och Petkovich et al. (baserat på DNA-metyleringsprofiler för mössblod) undersökte om möss och människor upplever liknande mönster av förändringar i metylomen med åldern. De fann att möss som behandlats med livslängdsförlängande ingrepp (såsom kalorirestriktion eller rapamycin i kosten) var signifikant yngre i epigenetisk ålder än deras obehandlade, vildtyps-åldersmatchade kontroller. Möss åldersprediktorer upptäcker också livslängdseffekterna av gen-knockouts och föryngring av fibroblast-härledda iPSCs .

Möss multivävnads-åldersprediktor baserad på DNA-metylering vid 329 unika CpG-ställen nådde ett medianabsolut fel på mindre än fyra veckor (~5 procent av livslängden). Ett försök att använda de mänskliga klockplatserna i möss för åldersförutsägelser visade att den mänskliga klockan inte är helt konserverad hos möss. Skillnader mellan mänskliga och musklockor tyder på att epigenetiska klockor måste tränas specifikt för olika arter.

En ny metod för åldrande hummer publicerades 2021 som använde en ribosomal DNA-metyleringsbaserad klocka som kan möjliggöra icke-invasiv provtagning och åldrande av vilda europeiska hummerpopulationer (Homarus gammarus)

Förändringar av DNA-metyleringsmönster har stor potential för åldersuppskattning och biomarkörsökning hos tama och vilda djur.

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Epigenetic_clock&oldid=1140680359 "