Эпигенетика и часы старения

Josh Mitteldorf, Methylation Aging Clock: An Update
Ссылки см. в оригинале статьи.

Метилирование ДНК – наиболее хорошо изученный механизм эпигенетической регуляции (активации и инактивации генов). Профили метилирования стабильны, за исключением случаев их активного изменения. Они могут сохраняться на протяжении десятилетий и даже передаваться из поколения в поколение.

На протяжении четырех лет специалист по биостатистике Стив Хорват (Steve Horvath) из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе идентифицировал комплекс из 353 зон метилирования, наиболее хорошо коррелирующих с хронологическим возрастом человека. Локализующиеся в этих регионах гены активируются и инактивируются на определенных этапах жизни. Компьютерный анализ образцов ДНК (из крови, кожи или даже мочи) позволяет определить возраст человека с точностью примерно до 2 лет.

Есть две причины, по которым предложенные Хорватом часы имеют определенную важность. Во-первых, они являются лучшим из существующих методов определения биологического старения человека и предоставляют объективные результаты оценки эффективности антивозрастных вмешательств.

Предположим, у нас есть новый перспективный препарат, и мы хотим узнать, делает ли он человека моложе. До появления часов Хорвата его надо было дать тысячам человек и десятки лет ждать, чтобы увидеть, что их умрет меньше, чем людей, не принимавших препарат. Часы Хорвата значительно сокращают период ожидания. Препарат можно дать небольшому количеству людей и оценить их возраст по метилированию до и после вмешательства. Для получения достаточно точно представления об эффективности препарата его могут принимать только несколько десятков человека на протяжении двух лет.

Во-вторых, существуют доказательства и теоретическое обоснование идеи, согласно которой идентифицированные Хорватом участки метилирования являются не просто маркерами старения, но запускают его механизмы. Это означает, что, если мы найдем способ проникновения внутрь клеточного ядра и изменения профилей метилирования на хромосомах, мы сможет воздействовать на первопричину старения.

(До того, как мы слишком воодушевимся: «генная терапия» была изобретена примерно 20 лет назад, однако до сих пор находится на стадии разработки; нам необходима «эпигенетическая терапия», которая до сих пор не существует, но технически возможна при использовании генетически модифицированных вирусов и технологии CRISPR.)

Ниже представлена запись двух выступлений Хорвата, состоявшихся в офисах Национальных институтов здравоохранения США в 2016 году в Мэрилэнде и в прошлом месяце в Лос-Анджелесе.

В 2012-2013 гг. было опубликовано 3 статьи, в которых описывалась идея, согласно которой основополагающая причина старения человека и других высших животных является эпигенетической программой. Гены активируются и инактивируются на разных этапах жизни, что запускает процессы роста, развития и старения, формируя непрерывную последовательность.

(В четвертой статье, под авторством Благосклонного, была высказана схожая идея. Она посвящена роли единственного фактора транскрипции – регулятора экспрессии гена, кодирующего белок-мишень рапамицина млекопитающих, mTOR, и отметает прочь заключение, согласно которому, с точки зрения естественного отбора, старение является предпочтительным исходом.)

Эта мощная гипотеза одновременно предоставляет объяснения эволюционного и метаболического вопросов. Она содержит рекомендации для антиэйджинговых исследований – несмотря на то, что эпигенетика оказалась настолько сложным направлением, что практическое модифицирование последовательности изменения генной экспрессии требует проведения большой фундаментальной работы.

Без ведома специалистов, давно работающих над подобными теоретическими трактатами, Стив Хорват уже трудился на калибровкой и оценкой эффективности часов старения и опубликовал базовые результаты к концу 2013 года.

Одним важным свойством часов Хорвата является то, что они с более высокой точностью, чем хронологический возраст, позволяют прогнозировать, у кого из людей разовьются возрастные заболевания и кто умрет раньше своих сверстников.

Даже несмотря на то, что за основу работы часов взят алгоритм, как можно больше приближающий возраст на выходе к хронологическому возрасте, полученный результат гарантированно предоставляет больше информации, чем хронологический возраст. «При разработке часов хронологический возраст использовался как приблизительный показатель биологического возраста». У людей, чей «возраст по метилированию» превышает их хронологический возраст, с большой вероятностью ухудшается состояние здоровья и они умирают быстрее, чем люди, у которых этот показатель меньше хронологического возраста.

Хорват выложил свою методологию и компьютерную программу в открытом доступе. Взяв за основу часы Хорвата, одна из калифорнийский компаний в прошлом году начала предлагать коммерческий тест на определение возраста по метилированию ДНК. Для прохождения этого теста необходимо послать образец крови или мочи в компанию Zymo Research.

Кандидаты на часы старения

Хорват рассказывает, что он пришел с помощью процессы исключения, начиная с четырех кандидатов на часы старения:

1. длина теломер;
2. профиль генной экспрессии;
3. протеомные данные;
4. метилирование ДНК.

Длина теломер

Этот показатель научились оценивать быстро и дешево уже более 10 лет назад, однако его корреляция с хронологическим возрастом (и со смертностью) недостаточно сильна для того, чтобы ее можно было использовать в качестве биологических часов.

Профиль генной экспрессии

Какие гены транскрибируются в РНК человека в определенное время? Это определяется путем выделения РНК, и полученные данные являются высокоспецифичными для определенной ткани. Другими словами, они варьируют в зависимости от того, какая часть тела изучается.

Протеомные данные

После транскрибирования гены транслируются в белки. Некоторые из этих белков остаются внутри клетки, тогда как другие циркулируют по организму. Недорогая технология CHIP позволяет с достаточной точностью оценивать уровни разных белков.

Метилирование ДНК

Этот показатель измеряется проще, чем (2) и (3). Метилирование является одним из множества механизмов управления генной экспрессией, обеспечивающим наиболее стойкие эффекты. Хорват установил, что определенные наборы регионов метилирования ДНК характерны для того или иного возраста, независимо от того, из какого органа человека получен материал для анализа.

Что такое метилирование ДНК?

Ко многим генам прилегают так называемые промоторы – участки ДНК, сохраняющие временную информацию о том, активирован ген или инактивирован. Промоторные участки содержат повторяющуюся последовательность нуклеотидных оснований C-G-C-G-C-G-C. Она называется CpG-остров (где «р» означает только то, что С соединено с G на той же самой цепочке, а не на комплементарной, где С всегда спарено с G.)

«С» означает «цитозин», а молекула цитозина может быть модифицирована прикреплением дополнительной метильной группы (CH3-) с получением 5-метил-цитозина.

Клетка содержит молекулярные агенты, функция которых заключается в избирательном прикреплении метильных групп к определенным участкам ДНК и их удалением с других участков. Суть этого в том, что метилированный цитозин является меткой, означающей «не транскрибировать прилежащий ген». Удаление метильных групп является сигналом к возобновлению транскрипции.

Ферменты метилтрансферазы локализуются в определенных регионах генома и выполняют функцию активации и инактивации генов. Метилирование может быть преходящим. Имеются данные, свидетельствующие о существовании циркадианных циклов метилирования. Оно также может быть и достаточно долговременным. Профили метилирования могут сохраняться на протяжении десятилетий. Они могут копироваться при делении клетки и передаваться потомкам организма как часть их эпигенетического наследства. Однако наследуемые регионы метилирования являются исключением, так как бОльшая часть генома программируется заново вскоре после рождения. При формировании яйцеклеток и сперматозоидов формируются профили метилирования, обеспечивающие их плюрипотентность.

Как работают часы метилирования

С помощью стандартного статистического алгоритма Хорват идентифицировал 363 CpG-региона, наиболее сильно коррелировавшие с хронологическим возрастом, независимо от того, из какой части тела были выделены клетки. Тот же самый алгоритм обеспечил умножение 353 чисел на значения уровней метилирования каждого из регионов, после чего сложил все значения. Полученное число не является непосредственной мерой возраста, на последнем этапе оценки для определения соответствующего числу возраста используется таблица (эмпирически построенная кривая).

Эта кривая представляет собой грубое отображение функции до ее трансформации в показатель возраста. Следует отметить, что профиль метилирования в течение первых пяти лет жизни изменяется с большой скоростью, которая постепенно снижается в процессе фазы роста и выравнивается до стабильного снижения примерно после 18 лет.

Несмотря на то, что часы Хорвата были разработаны независимо от того, из какой ткани выделяли ДНК, возможны определенные вариации. Наиболее сильные отклонения характерны для молочной железы, стареющей быстрее, чем остальной организм, и головного мозга, которая стареет намного медленнее. Для крови и костной ткани характерно немного ускоренное старение; сперматозоиды и яйцеклетки пребывают в «нулевом возрасте» независимо от возраста человека. Плаценты женщин любого возраста также имеют нулевой возраст.

Аналогично, индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (полученные с помощью 4 факторов Яманаки) имеют нулевой возраст. В то же время, аналогичное воздействие может превратить дифференцированные клетки одного типа в клетки другого типа, например, клетки кожи в нейроны. Это не оказывает влияния на эпигенетический возраст.

Клетки печени, как правило, старше остального организма у людей с избыточной массой тела и моложе у людей с малым весом. Судя по всему, эта закономерность не распространяется на другие ткани. Например, возраст по метилированию жировых клеток людей с ожирением не превышает соответствующего показателя для всего организма. И, возможно неожиданно, снижение массы тела не нормализует возраст по метилированию клеток печени (по крайней мере, этого не произошло в течение 9-месячного периода наблюдения в одногм из исследований, посвященных этому вопросу.)

В ряде исследований были выявлены корреляции между возрастом по метилированию и риском развития различных заболеваний, а также смертности. При проведении таких работ в анализ вносятся поправки на все факторы окружающей среды, в том числе курение, ожирение, физические нагрузки, вредные производственные факторы и прочее. В комплексе эти воздействия называются «внешними факторами». Полученные результаты показали, что воздействие таких факторов увеличивает возраст по метилированию и, независимо это этого, возраст по метилированию коррелирует с внутренними (генетическими) факторами, оказывающими влияние на продолжительность жизни. По оценкам Хорвата, генотип ответственен за 40% вариабельности возраста по метилированию, что обеспечивает расхождение с хронологическим возрастом. Возраст по метилированию мужчин несколько выше данного показателя для женщин. Это очевидно уже к двухлетнему возрасту. Отсроченная менопауза соответствует более молодому возрасту по метилированию. Уровень познавательной функции имеет обратную корреляцию с возрастом по метилированию головного мозга.

Выступая перед Хорватом на той же самой конференции, Джим Уотсон (Jim Watson) заявил, что существует множество пищевых добавок и лекарственных препаратов, способных замедлять ход часов Хорвата. Он посвящает свою речь метформину, который, по словам Уотсона, влияет на эпигенетику посредством механизма, совершенно не связанного со снижением уровня сахара в крови (причина, по которой метформин назначается десяткам миллионов людей с сахарным диабетом).

Существует очень интересная подсказка: небольшое количество детей никогда не развиваются и не растут и продолжают выглядеть как младенцы до 20 и, возможно, более лет. Эти дети имеют нормальный возраст по метилированию. Что бы не блокировало их рост, это не изменения процесса метилирования их ДНК. Означает ли это, что существуют другие эпигенетические механизмы, более мощные, чем метилирование, регулирующие рост и развитие? Или дети с этим синдромом имеют нормальное эпигенетическое развитие, однако что-то, находящееся ниже экспрессии генов, блокирует их рост? Напротив, прогерия Хатчинсона-Гилфорда вызывается дефектом в гене LMNA, вызывающем преждевременное старение и смерть, наступающую раньше, чем взросление. Согласно часам Хорвата, дети с этим заболеванием имеют нормальный возраст по метилированию.

Радиация, как и курение и окисление под действием факторов окружающей среды, ускоряют старение организма. Это не зависит от возраста по метилированию, на который радиоактивное излучение не оказывает влияния. Ни курение, ни воздействие радиации не влияют на эпигенетический возраст. ВИЧ также ускоряет процесс старения и не влияет на возраст по метилированию.

Показатели возраста по метилированию и теломерного возраста коррелируют с хронологическим возрастом, однако они прогнозируют смертность и заболеваемость независимо от хронологического возраста. В то же время эти два показателя не коррелируют между собой. Другими словами, данные, предоставляемые часами метилирования и измерения длины теломер дополняют друг друга, и их совместном применение обеспечивает более высокую эффективность прогнозирования возрастного угасания, которое будет происходить в будущем, чем их использование по отдельности.

Рацион питания оказывает слабое влияние на возраст по метилированию. Диеты с очень высоким содержанием углеводов и очень низким содержанием белков заметно хуже. Помимо этого свидетельства в пользу того, что «золотой серединой» являются два подхода, а именно обедненная белками диета Орниша и тип диет, к которым относятся диета «Зона» и диета Аткинса. Эти свидетельства недостаточно сильно для того, чтобы быть однозначно убедительными, однако они указывают на возможную эффективность указанных подходов.

Также известно, что эпигенетические часы не работают в злокачественных опухолях.

Усовершенствование исходных часов

Изначально часы были оптимизированы для отслеживания хронологического возраста, однако они случайным образом предоставляют гораздо больше информации. На втором этапе работы Хорват поставил себе цель научиться точно отслеживать биологический возраст. Он использовал законсервированные с 1990-х годов образцы крови и сопоставил их с историями болезни и свидетельствами о смерти с целью выявления регионов метилирования, наиболее сильно коррелирующих с ассоциированными с возрастом клиническими исходами. В результате он изобрел фенотипические часы, получившие название DNAm phenoAge. Они используют 523 регионов метилирования для прогнозирования:

• смертности от любых причин;
• смертности от сердечно-сосудистых заболеваний;
• развития болезней легких;
• развития рака;
• развития сахарного диабета;
• угасания физической силы;
• угасание познавательной функции.

Эпигенетические часы адаптированы для эффективной работы с наиболее доступными клетками – кожи и крови. Достаточное для проведения теста DNAm количество эпителиальных клеток можно безболезненно соскрести со слизистой оболочки ротовой полости (внутренней поверхности щек).

Взаимосвязь с парабиозом и трансфузиями плазмы

Несколько исследовательских групп начали экспериментировать с трансфузиями плазмы молодых доноров в качестве возможного метода омоложения организма. Хорват описывает многообещающие наблюдения: иногда у пожилых людей развивается вариант лейкемии, требующей трансфузий крови и костного мозга (содержащего стволовые клетки, дающие начало новым клеткам крови) от донора. Согласно полученным данным, после такой терапии кровь пациента демонстрирует возраст по метилированию донора, а не самого реципиента.

Эпигенетическое старение и старение теломер взаимосвязаны по принципу «качелей»

У разных людей возраст по метилированию выше или ниже хронологического возраста в среднем на 2 года. 40% этой вариабельности обусловлено наследственностью. Некоторые распространенные варианты генов могут заставлять эпигенетические часы идти быстрее или медленнее. Наиболее значимые генетические варианты связывают теломерное старение с возрастом по метилированию. Чем быстрее идут эпигенетические часы человека, тем длиннее его теломеры. Чем медленнее эпигенетические часы, тем теломеры короче.

Об этом упоминается в генетической теории старения, известной как теория антагонистической плейотропии. В 1957 году Джордж Уильямс (George Williams) высказал предположение, что вызывающие старение гены должны одновременно иметь положительные и губительные эффекты. Это послужило бы объяснением тому, что естественный отбор позволил появиться старению, несмотря на то, что оно снижает приспособленность. По словам Уильямса, «у природы не было выбора, кроме как принять гены, вызывающие старение, так как не было иного способа получить положительное влияние этих же генов» (которое, согласно его предположению, способствует повышению фертильности).

В понимании автора теория антагонистической плейотропии не описывает ситуацию «принудительного отбора». Скорее старение является важным фактором сохранения здоровья общества и матушка-природа столкнулась с дилеммой: как сохранить старение несмотря на направленный против него естественный отбор на индивидуальном уровне. Старение настолько важно для общества, что целью эволюции было его сохранение несмотря на краткосрочное искушение для естественного отбора способствовать выживанию тех, кто живет дольше и имеет больше шансов оставить потомков. Согласно гипотезе автора, для решения этой проблемы эволюция породила плейотропию. Теломеразные/эпигенетические часы являются примером этого. Не существует физической необходимости в существовании взаимосвязи между теломерным и эпигенетическим старением, однако в ходе эволюции между ними сформировалась взаимосвязь по принципу качелей, что усложняет устранение процесса старения в результате накопления определенных мутаций.

Это также относится к последнему опровержению существования взаимосвязи между теломеразой и раком. На первый взгляд вызвало сомнение то, что увеличивающие длину теломер генетические варианты могут быть ассоциированы с повышенным риском развития некоторых типов рака. Мы имеем ключ к разгадке: генетические варианты, увеличивающие длину теломер, одновременно ускоряют программу эпигенетического старения. Особым примером рака, наиболее тесно связанным с повышенными уровнями теломеразы, является меланома – злокачественная опухоль, наименее чувствительная к возрасту, чем другие типы рака. Меланома, как правило, развивается в более раннем возрасте, чем другие опухоли кожи. Поэтому, можно предположить, что и для генетических вариантов, обеспечивающих более длинные теломеры, будут обнаружены и другие плейотропные взаимосвязи с механизмами, специфично ассоциированными с развитием меланомы.

Выводы

Имеющиеся на сегодняшний день данные свидетельствуют о том, что запрограммированное метилирование является важным, но не единственным триггером процесса старения. Курение влияет на ожидаемую продолжительность жизни, однако не изменяет возраст по метилированию. Снижение массы тела положительно сказывается на ожидаемую продолжительность жизни, но никак не влияет на возраст по метилированию. Наиболее интересен тот факт, что существуют дети, не развивающиеся или преждевременно стареющие из-за генетических дефектов, но, в то же время, имеющие нормально прогрессирующий возраст по метилированию.

Почему радиация состаривает организм, не сдвигая часы метилирования? Возможно, накопление повреждений является частью фенотипа старения, хотя хотелось бы верить в то, что организм сохранит способность восстанавливать эти повреждения даже на поздних этапах жизни, если его репрограммировать на это. Почему СПИД ускоряет ход часов старения? Возможно, иммунная система является центральным сигнальным механизмом процесса старения.

Таким образом, старение – это «метилирование плюс». Плюс что? Не просто «метилирование плюс повреждение»: несмотря на то, что мы можем укоротить свою жизнь с помощью радиации или курения, мы не может удлинить ее избеганием токсинов. «Метилирование плюс другие эпигенетические программы» – это первое, что приходит на ум. «Метилирование плюс митохондриальный статус» – это приходит на ум вторым. Метилирование происходит внутри ядра, а цитоплазма клетки, судя по всему, сохраняет информацию независимо и даже способна репрограммировать состояние ядра, о чем свидетельствуют результаты экспериментов по парабиозу. Имеются также свидетельства в пользу существования комбинации «метилирование плюс укорочение теломер».

Евгения Рябцева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru