Эпигенетические часы
Эпигенетические часы – это совокупность эпигенетических меток ДНК, позволяющая определить биологический возраст ткани, клетки или органа. Наиболее известным примером эпигенетических часов являются часы Стива Хорвата, учитыващие 353 эпигенетических маркера человеческого генома. Разработаны и другие версии эпигенетических часов: часы К. Вейднер, основанные на метилировании трёх CpG динуклеотидов, часы И. Флорат, сложные часы Г. Ханнума и часы К. Джулиани, показатель которых рассчитываются по метилированию трёх генов в образцах ДНК из дентина.
Содержание
История открытия
О значительном влиянии возраста на уровень метилирования ДНК было известно с 1960х годов. Большое количество работ описывает наборы CpG-динуклеотидов, метилирование которых коррелирует с возрастом. Несколько работ посвящено оценке биологического возраста по метилированию ДНК слюны или крови.
Предпосылки к созданию эпигенетических часов
Возраст является одной из фундаментальных характеристик организма, и потому биомаркеры старения находят себе множество применений в биологических исследованиях. Биологические часы старения могут быть использованы в следующих областях:
- проверке обоснованности различных теорий старения
- диагностировании возрастных заболеваний, определении подтипов рака
- прогнозировании возникновения заболеваний
- как характеристика терапевтических воздействий, в том числе омолаживающих техник
- в исследовании биологии развития и дифференцировки клеток
- в судебной медицине
В общем случае, биологические часы могут быть полезны в исследовании причин старения и борьбы с ним.
Связь с причинами биологического старения
До конца не ясно, что именно измеряется эпигенетическими часами. Гипотеза профессора Хорвата заключалась в том, что получаемый по результатам расчётов возраст отражает суммарный эффект от систем введения эпигенетических модификаций организма. Возраст, рассчитываемый по метилированию ДНК, предсказывает смертность от всех причин в пожилом возрасте, что позволяет предположить наличие связи между метилированием и причиной старения людей. Однако, маловероятно, что используемые в методе 353 CpG-пары непосредственно играют роль в процессе старения. Более вероятно, что эпигенетические часы детектируют системный эффект от эпигенома.
Эпигенетические часы Хорвата
Эпигенетические часы Хорвата были разработаны Стивом Хорватом, профессором генетики человека и биостатистики в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Статья на данную тему была впервые опубликована 21 октября 2013 года в журнале Genome Biology. Хорват более 4 лет собирал открытые данные по метилированию человеческой ДНК и определял подходящие статистические методы. История данного открытия была освещена в журнале Nature. При разработке часов использовались 8000 образцов из 82 наборов данных по метилированию ДНК, полученных на платформе Illumina. Главная инновационная особенность эпигенетических часов Хорвата – это их широкий спектр применимости. Они позволяют предсказывать возраст независимо от ткани, без введения каких-либо дополнительных корректировок. Данная особенность позволяет сравнивать биологический возраст разных тканей внутри одного организма, используя одни и те же часы старения.
Термин “часы” в данном случае определяется как метод оценки возраста, основанный на 353 эпигенетических маркерах ДНК. Устанавливаемый показатель имеет следующие характеристики: во-первых, он близок к нулю в эмбриональных и индуцированных стволовых клетках, во-вторых, он коррелирует с номером пересева клеток и в-третьих, метод применим к тканям шимпанзе (которые используют в качестве аналогов человеческим тканям в некоторых исследованиях).
Рост организма (и сопутствующее деление клеток) приводит к высокой скорости “хода” эпигенетических часов, которая уменьшается до константного значения (линейной зависимости) после достижения человеком 20 лет. Многие физиологические и ментальные показатели старения коррелируют с эпигенетическими часами.
Средняя ошибка в определении возраста равна 3,6 года среди широко спектра тканей и типов клеток. Метод хорошо работает как в гетерогенных тканях, так и в отдельных клеточных линиях. Предсказываемый методом Хорвата возраст имеет коэффициент корреляции Пирсона равный r=0,96 с хронологическим возрастом, что очень близко к максимальному значению – единице.
Существует онлайн калькулятор, в который можно загрузить данные по метилированию генома и получить оценку эпигенетического возраста методом Ховарта.
Эпигенетические часы Ханнума
В один год со статьёй об эпигенетических часах Ховарта было опубликовано и другое похожее исследование. Авторы, в том числе Грегори Ханнум, построили модель количественной оценки старения, используя измерения более 450 000 CpG-динуклеотидов из клеток крови людей возраста от 19 до 101 года. Из многих CpG статистическими методами была выявлена 71 позиция, по которым выстраивалась итоговая модель расчёта возраста. Согласно авторам, на скорость эпигенетического старения влияет пол человека и вариации генома.
В оригинальной работе сказано, что модель работает не только для клеток крови, но и в других тканях. Некоторые более поздние работы, однако, подчёркивают, что часы Ханнума являются специфичными для крови, а часы Ховарта можно применять на самых разных образцах. Есть и работы, ссылающиеся на эпигенетические часы Ховарта и Ханнума, как на равнозначные. В исследовании, проведённом на небольшой группе долгожителей, часы Ханнума дали более точные оценки возраста по данным метилирования ДНК лейкоцитов, чем часы Ховатра.
Другие версии биологических часов
Существуют биологические часы, основанные на а) длине теломер б) уровне экспрессии p16INK4a в) мутациях в микросателлитах. Корреляция в случае (а) r=-0,51 для женщин и r=-0,55 для мужчин. Корреляция между экспрессией p16INK4a в Т-клетках r=0,56.
Был проведён ряд работ (Ванг и коллеги, Петкович и коллеги), исследующих, имеют ли мыши сходные с людьми изменения в паттернах метилирования с возрастом. Исследователи обнаружили, что эпигенетический возраст мышей, у которых искусственно увеличивали продолжительность жизни (с помощью контроля калорийности питания или введения в пищу рапомицина), был значительно меньше, чем у контрольной группы того же возраста.
Эпигенетические часы, созданные для предсказания возраста у мышей, основаны на 329 уникальных CpG-динуклеотидах, и имеют среднюю абсолютную ошибку равную 4 неделям (5% от продолжительности жизни). Попытки использовать человеческие часы на мышах показали, что человеческие часы не полностью консервативны в мышах. Различия в часах мышей и человека позволяют предположить, что эпигенетические часы стоит калибровать отдельно для разных видов.
Перспективным направлением кажется разработка эпигенетических часов для определения возраста диких и домашних животных.