"Επιγενετικοί Χρονομέτρες ως Προβλέπτες Ηλικίας: Η Ιστορία τους, οι Δυνάμεις και οι Περιορισμοί τους"
Γνωρίζουμε πολύ καλά ότι η γήρανση είναι ο κύριος παράγοντας κινδύνου για τον καρκίνο, τις καρδιαγγειακές παθήσεις και τη νευροεκφύλιση. Απογοητευτικά, οι πρόοδοι στην έρευνα για τη γήρανση καθυστέρησαν για πολλά χρόνια λόγω της χαμηλής αξιοπιστίας των εργαλείων που χρησιμοποιούνταν για την πρόβλεψη του ρυθμού βιολογικής γήρανσης των ασθενών. Για να κατανοήσουμε καλύτερα τη διαδικασία της γήρανσης και να αναπτύξουμε παρεμβάσεις, το πεδίο της αντιγήρανσης χρειαζόταν πρόσβαση σε ένα πιο αποτελεσματικό σύστημα μέτρησης της βιολογικής ηλικίας.
Εισάγετε τα επιγενετικά ρολόγια. Αυτοί οι προβλεπτές ηλικίας, βασισμένοι στη μεθυλίωση του DNA (DNAm), έχουν έρθει στο προσκήνιο την τελευταία δεκαετία περίπου, ανοίγοντας το δρόμο για πιο ποσοτικές μελέτες. Νέα ρολόγια και εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της εγκληματολογίας, ανακοινώνονται συχνά. Αντιπροσωπεύουν μια πραγματική ανακάλυψη, ακόμη και αν οι ακριβείς πτυχές της γήρανσης που καταγράφονται από τα επιγενετικά ρολόγια παραμένουν ασαφείς. Ας εξετάσουμε μερικά από τα επιγενετικά ρολόγια που είναι διαθέσιμα σήμερα και ας συνοψίσουμε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους.
Έτσι, το DNAm έχει αναδειχθεί ως ένας από τους πιο αποτελεσματικούς βιοδείκτες για την πρόβλεψη της βιολογικής ηλικίας. Οι επιγενετικοί χρονοδείκτες (γνωστοί και ως προβλέπτες ηλικίας DNAm) αναπτύσσονται χρησιμοποιώντας CpGs (περιοχές DNA) που αλλάζουν με την ηλικία. Οι περισσότεροι χρονοδείκτες κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας κάτι που ονομάζεται μοντέλο ποινικής παλινδρόμησης, το οποίο βοηθά τους ερευνητές να επιλέξουν σχετικές ομάδες CpGs. Οι χρονοδείκτες στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση της χρονολογικής ηλικίας με βάση το ποσοστό μεθυλίωσης σε βασικά σημεία CpG. Βελτιώσεις και νέες ανακαλύψεις έρχονται με γρήγορους ρυθμούς.
Επιτάχυνση Ηλικίας
Ας ξεκινήσουμε εξετάζοντας την επιτάχυνση της ηλικίας, η οποία αναφέρεται στη διαφορά μεταξύ της επιγενετικής ηλικίας (eAge) και της χρονολογικής ηλικίας (chAge). Αυτή συνδέεται με αρκετές καταστάσεις που σχετίζονται με την ηλικία. Για παράδειγμα, οι ασθενείς με παχυσαρκία, σύνδρομο Down, νόσο του Huntington, σύνδρομο Sotos και σύνδρομο Werner τείνουν να παρουσιάζουν αυξημένη επιτάχυνση της ηλικίας. Η επιτάχυνση της eAge συνδέεται επίσης με τη φυσική και γνωστική ικανότητα. Η διακύμανση στους ρυθμούς επιγενετικής γήρανσης ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με το φύλο και την εθνοτική καταγωγή.
Άτομα που έχουν επαρκή επίπεδα βιταμίνης D παρουσιάζουν χαμηλότερη επιτάχυνση eAge και μακρύτερα τελομερή λευκοκυττάρων (LTL). Το κάπνισμα έχει συνδεθεί με αυξημένη eAge στα κύτταρα των αεραγωγών και στον ιστό των πνευμόνων (κατά 4,9 και 4,3 χρόνια αντίστοιχα). Επιπλέον, οι ερευνητές έχουν διαπιστώσει ότι το κάπνισμα κατά τη διάρκεια της εγκυμοσύνης μπορεί να έχει αρνητική επίδραση στην eAge των απογόνων. Νέα ευρήματα αποκαλύπτονται συνεχώς, αλλά είναι σαφές ότι τα επιγενετικά ρολόγια έχουν αποδειχθεί ακριβή στην πρόβλεψη της βιολογικής ηλικίας.
Οι Πρώτες Ημέρες του Σχεδιασμού Ρολογιών
Τα πρώτα επιγενετικά ρολόγια περιλάμβαναν σχετικά λίγες θέσεις CpG και δείγματα στα σύνολα εκπαίδευσής τους, σε σύγκριση με τις μεταγενέστερες εκδόσεις. Οι πρώτοι ερευνητές δημιούργησαν ένα ρολόι από 68 δείγματα (34 ζεύγη διδύμων) που προέβλεπε την ηλικία στο σάλιο με μέση ακρίβεια 5,2 ετών. Μετά τις αρχικές μελέτες, τα επιγενετικά ρολόγια αυξήθηκαν σε πολυπλοκότητα όσον αφορά τον αριθμό των δειγμάτων, των ιστών και των θέσεων CpG που εφαρμόστηκαν.
Ο πρώτος προβλεπτικός δείκτης ηλικίας πολλαπλών ιστών — το ρολόι Horvath ή Pan-Tissue — χρησιμοποίησε 353 CpGs και είχε μέσο σφάλμα 3,6 ετών, κάτι πρωτοφανές για την εποχή. Το ρολόι αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας 8000 δείγματα από 82 μελέτες, συμπεριλαμβανομένων περισσότερων από 50 υγιών ιστών. Το εντυπωσιακό μέγεθος των δεδομένων εκπαίδευσης αντιπροσώπευε ένα νέο σημείο αναφοράς στο σχεδιασμό ρολογιών. Το ρολόι Horvath απέκτησε γρήγορα μεγάλη βάση θαυμαστών στην επιστημονική κοινότητα λόγω της ικανότητάς του να προβλέπει την ηλικία σε πολλαπλούς ιστούς χρησιμοποιώντας ελάχιστα CpGs.
Εξέλιξη Σχεδιασμού
Το ρολόι Horvath χρησιμοποιήθηκε επίσης για να διαπιστωθεί ότι οι ιστοί μπορεί να γερνούν με διαφορετικούς ρυθμούς. Για παράδειγμα, φαίνεται ότι ο εγκεφαλικός ιστός γερνάει πιο αργά σε σχέση με άλλους ιστούς του σώματος. Ωστόσο, το ρολόι δεν λειτουργούσε με συνέπεια σε καλλιεργημένα κύτταρα, ιδιαίτερα σε ινοβλάστες. Ως αποτέλεσμα, ο Horvath ξεκίνησε να αναπτύξει ένα επιγενετικό ρολόι που να προβλέπει την ηλικία των ανθρώπινων ινοβλαστών, βλεννογόνων κυττάρων, ενδοθηλιακών κυττάρων, κερατινοκυττάρων, λεμφοβλαστοειδών κυττάρων, αίματος, δέρματος και δειγμάτων σάλιου. Αυτό το νέο ρολόι, που ονομάζεται ρολόι δέρματος και αίματος (S&B), μπορεί να προβλέψει τόσο in vivo όσο και in vitro ιστούς με μεγάλη ακρίβεια.
Άλλοι ερευνητές ανέπτυξαν αργότερα έναν ακριβή προβλεπτή ηλικίας δέρματος. Εν τω μεταξύ, το ρολόι Zhang, ενώ έχει εκπαιδευτεί κυρίως να λειτουργεί στο αίμα, είναι ικανό να προβλέπει τις ηλικίες του μαστού, του ήπατος, του λιπώδους και του μυϊκού ιστού με τον ίδιο βαθμό ακρίβειας όπως το ρολόι Horvath. Αυτό το ρολόι υπερτερεί επίσης τόσο του ρολογιού Horvath όσο και του ρολογιού Hannum όταν πρόκειται για την πρόβλεψη της ηλικίας του αίματος. Ξεχωρίζει λόγω του μεγέθους των δεδομένων εκπαίδευσής του, με πάνω από 13.000 δείγματα.
Περιορισμοί και Ανακρίβειες
Ορισμένες ανακρίβειες στους επιγενετικούς ρολογια έγιναν εμφανείς όταν προβλέπονταν η ηλικία νεότερων ατόμων (κάτω των 20 ετών), και το επιγενετικό ρολόι Pediatric-Buccal-Epigenetic (PedBE) δημιουργήθηκε για να αντιμετωπίσει αυτό το ζήτημα. Στόχευε συγκεκριμένα για χρήση σε νεογέννητα έως 20 ετών. Αυτό παρέχει ένα καλό παράδειγμα για το πώς μπορεί να ενισχυθεί η ακρίβεια των επιγενετικών ρολογιών — όχι μόνο με στόχευση συγκεκριμένων ιστών, αλλά και συγκεκριμένων ηλικιακών ομάδων. Ωστόσο, παρά τις υποσχέσεις τους, τα επιγενετικά ρολόγια εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν ορισμένους περιορισμούς προς το παρόν.
Τα περισσότερα επιγενετικά ρολόγια εξαρτώνται από μια ακριβή μήτρα μεθυλίωσης Illumina Infinium, γεγονός που καθιστά την ευρεία εφαρμογή της τεχνολογίας eAge μη πρακτική στον τομέα της ανακάλυψης νέων φαρμάκων. Η πλατφόρμα αλληλούχισης Qiagen επιτρέπει μια πιο οικονομική προσέγγιση, αλλά έχει τα δικά της μειονεκτήματα. Η χρήση ελαχιστοποιημένων ρολογιών στην εγκληματολογία βρίσκεται ακόμα σε εξέλιξη και η διασταυρούμενη επικύρωση λείπει για τα περισσότερα ρολόγια. Οι ερευνητές έχουν δείξει ότι τόσο τα ρολόγια Horvath όσο και Hannum υποεκτιμούν συστηματικά την ηλικία των ηλικιωμένων ατόμων.
"Υπόσχεση για το Μέλλον"
Συνοψίζοντας, η πρόβλεψη eAge είναι ένας συναρπαστικός και ταχέως αναπτυσσόμενος νέος τομέας που έχει ήδη μεταμορφώσει ριζικά τον κόσμο της πειραματικής γεροντολογίας. Καθώς αυξάνεται ο αριθμός και η ποικιλία των επιγενετικών ρολογιών, αυξάνεται και η κατανόηση της ανθρωπότητας για τη βιολογική ηλικία. Ωστόσο, είναι ακόμα νωρίς. Αν και τα γραμμικά μοντέλα είναι χρήσιμα στην πρόβλεψη της eAge των ατόμων μεταξύ των ηλικιών 20 και 70, υπάρχει μικρότερη ακρίβεια εκτός αυτών των ηλικιών.
Οι επιστήμονες πειραματίζονται επίσης με μια σειρά από άλλες τεχνικές που δεν βασίζονται αποκλειστικά στα δεδομένα DNAm. Τα σύνθετα ρολόγια όπως το PhenoAge και το GrimAge είναι τα πρώτα βήματα προς αυτή την κατεύθυνση.
Αναφορές:
1. Baker, G. T., & Sprott, R. L. (1988). Βιοδείκτες της γήρανσης. 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). Συστηματική ηλικιακά σχετιζόμενη υπερμεθυλίωση DNA του γονιδίου ELOVL2. Αποδείξεις in vivo και in vitro μιας διαδικασίας κυτταρικής αναπαραγωγής. 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). Μια διάταξη μεθυλίωσης θηλαστικών για την προφίλ μεθυλίωσης σε συντηρημένες ακολουθίες. bioRxiv, 2021.01.07.425637.
4. Aliferi, A., Ballard, D., Gallidabino, M. D., Thurtle, H., Barron, L., & Syndercombe Court, D. (2018). Πρόβλεψη ηλικίας με βάση τη μεθυλίωση του DNA χρησιμοποιώντας δεδομένα μαζικής παράλληλης αλληλούχισης και πολλαπλά μοντέλα μηχανικής μάθησης. 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). Επιγενετικές συσχετίσεις του διαβήτη τύπου 2 και του ΔΜΣ σε έναν αραβικό πληθυσμό. 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). Ποσοτικοποίηση της βιολογικής γήρανσης σε νεαρούς ενήλικες. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 112(30), E4104–E4110.
7. Bergsma, T., & Rogaeva, E. (2020). Ρολόγια μεθυλίωσης DNA και η προβλεπτική τους ικανότητα για φαινότυπους γήρανσης και διάρκεια υγείας. 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). Ο ταχύτερος ρυθμός του επιγενετικού ρολογιού συνδέεται με ταχύτερη εφηβική ανάπτυξη στα κορίτσια. Epigenetics, 13(1), 85–94.
9. Bocklandt, S., Lin, W., Sehl, M. E., Sánchez, F. J., Sinsheimer, J. S., Horvath, S., & Vilain, E. (2011). Επιγενετικός προγνωστικός δείκτης ηλικίας. PLoS One, 6(6), e14821.
10. Breitling, L. P., Saum, K.-U., Perna, L., Schöttker, B., Holleczek, B., & Brenner, H. (2016). Η ευπάθεια σχετίζεται με το επιγενετικό ρολόι αλλά όχι με το μήκος των τελομερών σε μια γερμανική κοόρτη. Clinical Epigenetics, 8(1), 1–8.