Γνωρίζουμε πολύ καλά ότι η γήρανση είναι ο κύριος παράγοντας κινδύνου για τον καρκίνο, τις καρδιαγγειακές παθήσεις και τη νευροεκφύλιση. Δυστυχώς, οι προόδοι στην έρευνα της γήρανσης 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 τους επιγενετικούς ρολογιού. 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 πρόοδο, ακόμη και αν τα ακριβή στοιχεία της γήρανσης που καταγράφονται από τους επιγενετικούς ρολογιού παραμένουν ασαφή. Ας εξετάσουμε μερικά από τα επιγενετικά ρολόγια που είναι διαθέσιμα σήμερα και να 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 ρολόγοι (γνωστοί και ως προβλέπτες ηλικίας DNAm) αναπτύσσονται χρησιμοποιώντας CpGs (περιοχές του DNA) που αλλάζουν με την ηλικία. Οι περισσότεροι ρολόγοι κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας κάτι που ονομάζεται μοντέλο ποινικής παλινδρόμησης, το οποίο βοηθά τους ερευνητές να επιλέξουν σχετικές ομάδες CpGs. Στη συνέχεια, οι ρολόγοι χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση της χρονολογικής ηλικίας βάσει του ποσοστού μεθυλίωσης σε βασικές θέσεις CpG. Βελτιώσεις και νέες ανακαλύψεις έρχονται γρήγορα και συνεχώς.
Επιτάχυνση Ηλικίας
Ας ξεκινήσουμε εξετάζοντας την επιτάχυνση της ηλικίας, η οποία αναφέρεται στη διαφορά μεταξύ της επιγενετικής ηλικίας (eAge) και της χρονολογικής ηλικίας (chAge). Αυτό 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 κατάσταση. Η ποικιλία στους ρυθμούς επιγενετικής γήρανσης ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με το φύλο και το εθνοτικό υπόβαθρο.
Οι άνθρωποι 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 πνευμονικό ιστό (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 στον σχεδιασμό ρολογιών. Το ρολόι Horvath απέκτησε γρήγορα μεγάλο αριθμό υποστηρικτών 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 στο σώμα. Ωστόσο, το ρολόι δεν λειτουργούσε σταθερά σε καλλιεργημένα κύτταρα, ιδιαίτερα στους ινοβλάστες. Ως αποτέλεσμα, ο Horvath ξεκίνησε να αναπτύξει ένα επιγενετικό ρολόι που να προβλέπει την ηλικία των ανθρώπινων ινοβλαστών, κυττάρων του βλεννογόνου, 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 τους in vivo όσο και τους in vitro ιστούς με μεγάλη ακρίβεια.
Άλλοι ερευνητές ανέπτυξαν αργότερα έναν ακριβή προβλεπτή ηλικίας δέρματος. Εν τω μεταξύ, το ρολόι Zhang, ενώ εκπαιδεύτηκε κυρίως για 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 υπερβαίνει επίσης τόσο τα ρολόγια Horvath όσο και Hannum όταν πρόκειται για την πρόβλεψη της ηλικίας του αίματος. Ξεχωρίζει από το μέγεθος των δεδομένων εκπαίδευσής του, με πάνω από 13.000 δείγματα.
Περιορισμοί και Ανακρίβειες
Ορισμένες ανακρίβειες στους επιγενετικούς ρολογια έγιναν εμφανείς όταν προέβλεπαν την ηλικία νεότερων ατόμων (κάτω των 20 ετών), και το Επιγενετικό Ρολόι Παιδιατρικής-Βουκαλικής (PedBE) δημιουργήθηκε για να αντιμετωπίσει αυτό το ζήτημα. Στοχεύει συγκεκριμένα στη χρήση σε νεογέννητα έως 20 ετών. Αυτό παρέχει ένα καλό παράδειγμα του 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 παρουσιάζουν 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 εξακολουθεί να εξελίσσεται και η διασταυρούμενη επικύρωση λείπει για τα περισσότερα ρολόγια. Οι ερευνητές έχουν δείξει ότι τόσο τα ρολόγια Horvath όσο και Hannum υποτιμούν συστηματικά την ηλικία των ηλικιωμένων.
Υπόσχεση για το Μέλλον
Συνοψίζοντας, η πρόβλεψη eAge είναι ένας συναρπαστικός και ταχέως αναπτυσσόμενος νέος τομέας που έχει ήδη ριζικά μεταμορφώσει τον κόσμο της πειραματικής γεροντολογίας. Καθώς αυξάνεται ο αριθμός και η ποικιλία των επιγενετικών ρολογιών, αυξάνεται επίσης η κατανόηση της βιολογικής ηλικίας από την ανθρωπότητα. Ωστόσο, είναι ακόμα νωρίς. Αν και τα γραμμικά μοντέλα είναι χρήσιμα στην πρόβλεψη της eAge των ατόμων μεταξύ των ηλικιών 20 και 70, υπάρχει ασθενέστερη ακρίβεια εκτός αυτών των ηλικιών.
Οι επιστήμονες πειραματίζονται επίσης με μια σειρά από άλλες τεχνικές που δεν βασίζονται αποκλειστικά στα δεδομένα DNAm. 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. Πειραματική Γεροντολογία, 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 θηλαστική μεθυλίωση για την προφίλ των επιπέδων μεθυλίωσης σε διατηρημένες ακολουθίες. bioRxiv, 2021.01.07.425637.
4. Αλιφέρη, Α., Μπάλαρντ, Ντ., Γκαλλινταμπίνο, Μ. Δ., Θερτλ, Χ., Μπάρον, Λ., & Σνάιντερκομπ Κορτ, Ντ. (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. Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών των Ηνωμένων Πολιτειών της Αμερικής, 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 ομάδα. Clinical Epigenetics, 8(1), 1–8.
