Ceasurile epigenetice ca predictori ai vârstei: Istoria, punctele forte și limitările acestora
Știm prea bine că bătrânețea este principalul factor de risc pentru cancer, boli cardiovasculare și neurodegenerare. În mod frustrant, progresele în cercetarea îmbătrânirii au fost întârziate timp de mulți ani din cauza fiabilității scăzute a instrumentelor utilizate în predicția ratei îmbătrânirii biologice a pacienților. Pentru a înțelege mai bine procesul de îmbătrânire și pentru a dezvolta intervenții, domeniul anti-îmbătrânire avea nevoie de acces la un sistem mai eficient de măsurare a vârstei biologice.
Intră în scenă ceasurile epigenetice. Acești indicatori de vârstă, bazați pe metilarea ADN-ului (ADNm), au devenit proeminenți în ultimul deceniu, deschizând calea pentru studii mai cantitative. Noi ceasuri și aplicații, inclusiv criminalistică, sunt anunțate frecvent. Acestea reprezintă o adevărată descoperire, chiar dacă aspectele precise ale îmbătrânirii surprinse de ceasurile epigenetice rămân neclare. Să analizăm câteva dintre ceasurile epigenetice disponibile în prezent și să rezumăm punctele lor forte și slabe.
Astfel, ADNm a apărut ca unul dintre cei mai eficienți biomarkeri pentru a prezice vârsta biologică. Ceasurile epigenetice (cunoscute și ca predictori ai vârstei ADNm) sunt dezvoltate folosind CpGs (regiuni ADN) care se modifică odată cu vârsta. Majoritatea ceasurilor sunt construite folosind un model de regresie penalizată, care ajută cercetătorii să selecteze grupuri relevante de CpGs. Ceasurile sunt apoi utilizate pentru a estima vârsta cronologică pe baza procentului de metilare în siturile CpG cheie. Îmbunătățirile și noile descoperiri apar rapid.
Accelerarea vârstei
Să începem prin a analiza accelerarea vârstei, care se referă la diferența dintre vârsta epigenetică (eAge) și vârsta cronologică (chAge). Aceasta este asociată cu mai multe afecțiuni legate de vârstă. De exemplu, pacienții cu obezitate, sindromul Down, boala Huntington, sindromul Sotos și sindromul Werner tind să prezinte o accelerare crescută a vârstei. Accelerarea eAge este, de asemenea, legată de condiția fizică și cognitivă. Variația ratelor de îmbătrânire epigenetică variază foarte mult în funcție de sex și de mediul etnic.
Persoanele care au deficit de vitamina D au o accelerare mai mică a eAge și telomeri leucocitare (LTL) mai lungi. Fumatul a fost asociat cu o creștere a eAge în celulele căilor respiratorii și în țesutul pulmonar (cu 4,9 și, respectiv, 4,3 ani). În plus, cercetătorii au stabilit că fumatul în timpul sarcinii ar putea avea un efect dăunător asupra eAge la urmași. Noi descoperiri sunt dezvăluite în permanență, dar este clar că ceasurile epigenetice s-au dovedit a fi precise în prezicerea vârstei biologice.
Primele zile de proiectare a ceasurilor
Primele ceasuri epigenetice au inclus relativ puține situri CpG și eșantioane în seturile lor de date de formare, comparativ cu versiunile ulterioare. Primii cercetători au creat un ceas din 68 de probe (34 de perechi de gemeni) care a prezis vârsta în salivă cu o precizie medie de 5,2 ani. După studiile inițiale, complexitatea ceasurilor epigenetice a crescut în ceea ce privește numărul de probe, țesuturi și CpG-uri implementate.
Primul predictor al vârstei pentru mai multe țesuturi - ceasul Horvath sau Pan-Tissue - a utilizat 353 CpGs și a avut o eroare medie de 3,6 ani, fără precedent la acea vreme. Ceasul a fost dezvoltat folosind 8 000 de probe din 82 de studii, inclusiv mai mult de 50 de țesuturi sănătoase. Dimensiunea impresionantă a datelor de antrenament a reprezentat un nou punct de referință în proiectarea ceasurilor. Ceasul Horvath a câștigat rapid un număr mare de adepți în comunitatea științifică datorită capacității sale de a prezice vârsta în mai multe țesuturi folosind un număr minim de CpG-uri.
Evoluția designului
Ceasul Horvath a fost utilizat și pentru a stabili că țesuturile pot îmbătrâni în ritmuri diferite. De exemplu, se pare că țesutul cerebral îmbătrânește mai lent în raport cu alte țesuturi din organism. Cu toate acestea, ceasul nu a funcționat în mod constant pe celulele cultivate, în special pe fibroblaste. Ca urmare, Horvath a stabilit să dezvolte un ceas epigenetic care să prezică vârsta fibroblastelor umane, a celulelor bucale, a celulelor endoteliale, a keratinocitelor, a celulelor limfoblastoide, a probelor de sânge, piele și salivă. Acest nou ceas, denumit ceasul pielii și al sângelui (S&B), poate prezice cu mare precizie atât țesuturile in vivo, cât și cele in vitro.
Ulterior, alți cercetători au dezvoltat un predictor precis al vârstei pielii. Între timp, ceasul Zhang, deși a fost antrenat în principal să lucreze cu sânge, este capabil să prezică vârsta sânilor, a ficatului, a țesutului adipos și a țesutului muscular cu același grad de precizie ca ceasul Horvath. De asemenea, acest ceas depășește atât ceasurile Horvath, cât și ceasurile Hannum atunci când vine vorba de prezicerea vârstei sângelui. Acesta se distinge prin dimensiunea datelor sale de antrenament, cu peste 13 000 de eșantioane.
Limitări și inexactități
Unele inexactități ale ceasurilor epigenetice au devenit evidente la prezicerea vârstei persoanelor mai tinere (sub 20 de ani), iar ceasul Pediatric-Bucal-Epigenetic (PedBE) a fost creat pentru a aborda această problemă. Acesta a fost conceput special pentru a fi utilizat la nou-născuți până la vârsta de 20 de ani. Acesta este un bun exemplu al modului în care acuratețea ceasurilor epigenetice poate fi îmbunătățită - nu numai prin direcționarea către anumite țesuturi, ci și către anumite grupe de vârstă. Cu toate acestea, în ciuda promisiunilor lor, ceasurile epigenetice suferă încă de unele limitări în prezent.
Majoritatea ceasurilor epigenetice depind de o matrice de metilare Illumina Infinium costisitoare, ceea ce face ca aplicarea pe scară largă a tehnologiei eAge să fie nepractică în domeniul descoperirii de noi medicamente. Platforma de secvențiere Qiagen permite o abordare mai rentabilă, dar are propriile sale dezavantaje. Utilizarea ceasurilor minimizate în criminalistică este încă în evoluție, iar validarea încrucișată lipsește pentru majoritatea ceasurilor. Cercetătorii au arătat că atât ceasurile Horvath, cât și cele Hannum subestimează în mod obișnuit vârsta persoanelor în vârstă.
Promisiuni pentru viitor
Pe scurt, predicția eAge este un domeniu nou, interesant și în creștere rapidă, care a transformat deja radical lumea gerontologiei experimentale. Pe măsură ce numărul și varietatea ceasurilor epigenetice cresc, crește și înțelegerea umanității cu privire la vârsta biologică. Cu toate acestea, este încă devreme. Deși modelele liniare sunt utile pentru a prezice vârsta eAge a persoanelor cu vârste cuprinse între 20 și 70 de ani, precizia este mai slabă în afara acestor vârste.
Oamenii de știință experimentează, de asemenea, o serie de alte tehnici care nu se bazează exclusiv pe datele ADNm. Ceasurile compozite precum PhenoAge și GrimAge sunt primii pași în această direcție.
Referințe:
1. Baker, G. T., & Sprott, R. L. (1988). Biomarkeri ai îmbătrânirii. Gerontologie experimentală, 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). Hipermetilarea ADN asociată vârstei sistemice a genei ELOVL2. Dovezi in vivo și in vitro ale unui proces de replicare celulară. 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. și Horvath, S. (2021). O matrice de metilare a mamiferelor pentru profilarea nivelurilor de metilare la secvențe conservate. bioRxiv, 2021.01.07.425637.
4. Aliferi, A., Ballard, D., Gallidabino, M. D., Thurtle, H., Barron, L., & Syndercombe Court, D. (2018). Predicția vârstei pe baza metilării ADN utilizând date de secvențiere masiv paralele și mai multe modele de învățare automată. 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. și Suhre, K. (2016). Asociații epigenetice ale diabetului de tip 2 și IMC într-o populație arabă. Epigenetică clinică, 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). Cuantificarea îmbătrânirii biologice la adulții tineri. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 112(30), E4104- E4110.
7. Bergsma, T., & Rogaeva, E. (2020). Ceasurile de metilare a ADN-ului și capacitatea lor de predicție pentru fenotipurile de îmbătrânire și durata de sănătate. Neuroscience Insights, 15, 263310552094222.
8. Binder, A. M., Corvalan, C., Mericq, V., Pereira, A., Santos, J. L., Horvath, S., Shepherd, J. și Michels, K. B. (2018). Rata mai rapidă de tic-tac a ceasului epigenetic este asociată cu o dezvoltare pubertară mai rapidă la fete. Epigenetics, 13(1), 85- 94.
9. Bocklandt, S., Lin, W., Sehl, M. E., Sánchez, F. J., Sinsheimer, J. S., Horvath, S. și Vilain, E. (2011). Predictor epigenetic al vârstei. PLoS One, 6(6), e14821.
10. Breitling, L. P., Saum, K.-U., Perna, L., Schöttker, B., Holleczek, B. și Brenner, H. (2016). Fragilitatea este asociată cu ceasul epigenetic, dar nu cu lungimea telomerilor într-o cohortă germană. Clinical Epigenetics, 8(1), 1- 8.