Epigenetiske ure som aldersforudsigere: Deres historie, styrker og begrænsninger
Vi ved kun alt for godt, at alderdom er den primære risikofaktor for kræft, hjerte-kar-sygdomme og neurodegeneration. Frustrerende nok blev fremskridt inden for aldringsforskning forsinket i mange år på grund af den dårlige pålidelighed af værktøjer, der blev brugt til at forudsige patienters biologiske aldringshastighed. For bedre at forstå aldringsprocessen og udvikle interventioner havde anti-aging-feltet brug for adgang til et mere effektivt system til at måle biologisk alder.
Indtast epigenetiske ure. Disse aldersforudsigere, baseret på DNA-methylering (DNAm), er blevet fremtrædende i løbet af det sidste årti eller deromkring og baner vejen for mere kvantitative studier. Nye ure og anvendelser, herunder retsmedicin, annonceres hyppigt. De repræsenterer et ægte gennembrud, selvom de præcise aspekter af aldring, der fanges af epigenetiske ure, forbliver uklare. Lad os se på nogle af de epigenetiske ure, der er tilgængelige i dag, og opsummere deres styrker og svagheder.
Således er DNAm blevet en af de mest effektive biomarkører til at forudsige biologisk alder. Epigenetiske ure (også kendt som DNAm-alder forudsigere) udvikles ved hjælp af CpGs (DNA-regioner), der ændrer sig med alderen. De fleste ure er bygget ved hjælp af noget, der kaldes en penaliseret regressionsmodel, som hjælper forskere med at vælge relevante grupper af CpGs. Urerne bruges derefter til at estimere kronologisk alder baseret på procentdelen af methylering ved nøgle-CpG-steder. Forbedringer og nye opdagelser kommer hurtigt og i stor stil.
Aldersacceleration
Lad os starte med at se på aldersacceleration, som refererer til forskellen mellem epigenetisk alder (eAge) og kronologisk alder (chAge). Dette er forbundet med flere aldersrelaterede tilstande. For eksempel har patienter med fedme, Downs syndrom, Huntingtons sygdom, Sotos syndrom og Werners syndrom en tendens til at vise øget aldersacceleration. eAge-acceleration er også forbundet med fysisk og kognitiv formåen. Variation i epigenetiske aldringsrater varierer meget afhængigt af køn og etnisk baggrund.
Personer, der har tilstrækkeligt med D-vitamin, har en lavere eAge-acceleration og længere leukocyt-telomerer (LTL). Rygning er blevet forbundet med en forhøjet eAge i luftvejsceller og lungevæv (med henholdsvis 4,9 og 4,3 år). Derudover har forskere fastslået, at rygning under graviditet kan have en skadelig effekt på eAge hos afkom. Nye fund afsløres hele tiden, men det er klart, at epigenetiske ure har vist sig at være præcise til at forudsige biologisk alder.
De tidlige dage af urdesign
De første epigenetiske ure omfattede relativt få CpG-steder og prøver i deres træningsdatasæt sammenlignet med senere versioner. Tidlige forskere skabte et ur fra 68 prøver (34 tvillingepar), der forudsagde alder i spyt med en gennemsnitlig nøjagtighed på 5,2 år. Efter de indledende studier voksede epigenetiske ure i kompleksitet med hensyn til antallet af prøver, væv og CpG'er implementeret.
Den første multi-væv aldersprediktor — Horvath- eller Pan-Tissue-uret — brugte 353 CpG'er og havde en gennemsnitlig fejl på 3,6 år, hvilket var uden fortilfælde på det tidspunkt. Uret blev udviklet ved hjælp af 8000 prøver fra 82 studier, inklusive mere end 50 sunde væv. Den imponerende størrelse af træningsdataene repræsenterede en ny benchmark i urdesign. Horvath-uret fik hurtigt en stor fanskare i det videnskabelige samfund på grund af dets evne til at forudsige alder i flere væv ved hjælp af minimale CpG'er.
Designudvikling
Horvath-uret blev også brugt til at fastslå, at væv kan ældes i forskellige hastigheder. For eksempel ser det ud til, at hjernevæv ældes langsommere i forhold til andre væv i kroppen. Dog fungerede uret ikke konsekvent på dyrkede celler, især fibroblaster. Som et resultat satte Horvath sig for at udvikle et epigenetisk ur, der kunne forudsige alderen på menneskelige fibroblaster, buccale celler, endotelceller, keratinocytter, lymfoblastoide celler, blod, hud og spytprøver. Dette nye ur, kaldet hud- og blod-uret (S&B-uret), kan forudsige både in vivo og in vitro væv med stor nøjagtighed.
Andre forskere udviklede senere en præcis hudalder-predictor. I mellemtiden er Zhang-uret, selvom det primært er trænet til at arbejde på blod, i stand til at forudsige alderen på bryst-, lever-, fedt- og muskelvæv med samme nøjagtighed som Horvath-uret. Dette ur overgår også både Horvath- og Hannum-urene, når det kommer til at forudsige blodalder. Det er kendetegnet ved størrelsen af dets træningsdata, med over 13.000 prøver.
Begrænsninger og unøjagtigheder
Nogle unøjagtigheder i epigenetiske ure blev tydelige, når man forudsagde alderen for yngre mennesker (under 20 år), og det pædiatriske-buccale-epigenetiske (PedBE) ur blev skabt for at løse dette problem. Det var specifikt rettet mod brug i nyfødte til 20-årige. Dette giver et godt eksempel på, hvordan nøjagtigheden af epigenetiske ure kan forbedres — ikke kun ved at målrette bestemte væv, men også specifikke aldersgrupper. Dog lider epigenetiske ure stadig af nogle begrænsninger på nuværende tidspunkt, trods deres potentiale.
De fleste epigenetiske ure afhænger af en dyr Illumina Infinium methyleringsarray, hvilket gør den udbredte anvendelse af eAge-teknologi upraktisk inden for området for ny lægemiddelopdagelse. Qiagen-sekventeringsplatformen muliggør en mere omkostningseffektiv tilgang, men den har sine egne ulemper. Anvendelsen af minimerede ure i retsmedicin er stadig under udvikling, og krydsvalidering mangler for de fleste ure. Forskere har vist, at både Horvath- og Hannum-urene rutinemæssigt undervurderer alderen på ældre mennesker.
Løfte for Fremtiden
Sammenfattende er eAge-prediktion et spændende og hurtigt voksende nyt felt, der allerede har radikalt forandret verdenen inden for eksperimentel gerontologi. Efterhånden som antallet og variationen af epigenetiske ure stiger, øges også menneskehedens forståelse af biologisk alder. Det er dog stadig tidlige dage. Selvom lineære modeller er nyttige til at forudsige eAge hos individer mellem 20 og 70 år, er der svagere nøjagtighed uden for disse aldersgrupper.
Forskere eksperimenterer også med en række andre teknikker, der ikke udelukkende er afhængige af DNAm-data. Sammensatte ure som PhenoAge og GrimAge er de første skridt i den retning.
Referencer:
1. Baker, G. T., & Sprott, R. L. (1988). Biomarkører for aldring. Experimental Gerontology, 23(4-5), 223–239
2. Bacalini, M. G., Deelen, J., Pirazzini, C., De Cecco, M., Giuliani, C., Lanzarini, C., Ra-vaioli, F., Marasco, E., Van Heemst, D., Suchiman, H. E. D., Slieker, R., Giampieri, E., Recchioni, R., Marcheselli, F., Salvioli, S., Vitale, G., Olivieri, F., Spijkerman, A. M., DollCrossed, M. E., … Garagnani, P. (2017). Systemisk aldersassocieret DNA-hypermethylering af ELOVL2-genet. In vivo og in vitro beviser for en celle-replikationsproces. Journals of Gerontology - Series A Biological Sciences and Medical Sciences, 72(8), 1015–1023.
3. Arneson, A., Haghani, A., Thompson, M. J., Pellegrini, M., Kwon, S. B., Vu, H., Yao, M., Li, C. Z., Lu, A. T., Barnes, B., Hansen, K. D., Zhou, W., Breeze, C. E., Ernst, J., & Horvath, S. (2021). En pattedyr-methyleringsarray til profilering af methyleringsniveauer ved konserverede sekvenser. bioRxiv, 2021.01.07.425637.
4. Aliferi, A., Ballard, D., Gallidabino, M. D., Thurtle, H., Barron, L., & Syndercombe Court, D. (2018). DNA-methyleringsbaseret aldersforudsigelse ved brug af massivt parallel sekventeringsdata og flere maskinlæringsmodeller. Forensic Science International: Genetics, 37, 215–226.
5. Al Muftah, W. A., Al-Shafai, M., Zaghlool, S. B., Visconti, A., Tsai, P.-C., Kumar, P., Spector, T., Bell, J., Falchi, M., & Suhre, K. (2016). Epigenetiske associationer af type 2-diabetes og BMI i en arabisk befolkning. Clinical Epigenetics, 8(1).
6. Belsky, D. W., Caspi, A., Houts, R., Cohen, H. J., Corcoran, D. L., Danese, A., Harrington, H., Israel, S., Levine, M. E., Schaefer, J. D., Sugden, K., Williams, B., Yashin, A. I., Poulton, R., & Moffitt, T. E. (2015). Kvantificering af biologisk aldring hos unge voksne. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 112(30), E4104–E4110.
7. Bergsma, T., & Rogaeva, E. (2020). DNA-methyleringsure og deres forudsigelsesevne for aldringsfænotyper og sundhedsspænd. Neuroscience Insights, 15, 263310552094222.
8. Binder, A. M., Corvalan, C., Mericq, V., Pereira, A., Santos, J. L., Horvath, S., Shepherd, J., & Michels, K. B. (2018). Hurtigere tikkende hastighed af den epigenetiske ur er forbundet med hurtigere pubertetsudvikling hos piger. Epigenetics, 13(1), 85–94.
9. Bocklandt, S., Lin, W., Sehl, M. E., Sánchez, F. J., Sinsheimer, J. S., Horvath, S., & Vilain, E. (2011). Epigenetisk aldersprediktor. PLoS One, 6(6), e14821.
10. Breitling, L. P., Saum, K.-U., Perna, L., Schöttker, B., Holleczek, B., & Brenner, H. (2016). Skrøbelighed er forbundet med det epigenetiske ur, men ikke med telomerlængde i en tysk kohorte. Clinical Epigenetics, 8(1), 1–8.