Denne gang for et år siden, Steve Horvath ledte efter pangolin-DNA. Den ældgamle skællede myresluger ville være den første for hans samling, som dengang var omkring 200 pattedyr stærke. "Jeg havde ikke noget af den ordre, og det er derfor, jeg desperat ønskede dem," huskede han.
Siden sommeren 2017 har Horvath, der indtil for nylig var en anti-aging forsker ved University of California, Los Angeles, har brugt så meget som 10 timer om dagen på at skrive e-mails til zoologiske haver, museer, akvarier og laboratorier. Han har deltaget i samtaler om flagermus og tasmanske djævle for at møde deres vogtere. Han har nået ud til de fjerne afkroge af verden og tigger om DNA'et fra flyvende ræve, vervetaber, minigrise og grønlandshvaler.
Med det store menageri af prøver har han bygget beregningsure, der kan beregne alderen på så forskellige skabninger som spidsmus, koalaer, zebraer, grise og "hver hval, du kan navngive," sagde han, blot ved at se på deres DNA. Men det var blot skridt hen imod fuldførelsen af Horvaths ambitiøse månebillede af et projekt: et universelt ur, der kunne måle ethvert pattedyrs biologiske alder.
Det ser måske ikke ud til at være sværere at måle alder end at bruge det nærmeste ur eller kalender. Men kronologisk alder er en ufuldkommen målestok, da nogle individer og væv viser virkningerne af alder hurtigere end andre. I årtier har forskere søgt efter en objektiv og alsidig måde at måle biologisk aldring, ændringerne i sund funktion over tid. "Du vil have en biomarkør, der nøjagtigt måler aldre i mange forskellige væv og celletyper," sagde Horvath, der forlod UCLA i år for at blive en hovedefterforsker ved Altos Labs, en bioteknologisk startup, der arbejder hen imod foryngelse af celler.
Horvath og hans kolleger færdiggjorde en version af det pan-pattedyrs ur tidligere i år. Nu håber han og andre forskere at identificere de molekylære processer, der er fælles for forskellige skabninger, der gør sådan et ur muligt. At forstå, hvorfor ure som dette fungerer, mener Horvath, kan hjælpe os til det, han kalder "den sande grundårsag til aldring."
Hans ure er baseret på analyser af de kemiske mærker kaldet methylgrupper, der hænger på DNA som charms på et armbånd og hjælper med at kontrollere genaktivitet. De er produkter af epigenetik (bogstaveligt talt "over genetik"), feltet, der studerer arvelig information, der ikke er skrevet i den genetiske kode. For et dusin år siden begyndte Horvath og hans kolleger at anvende deres knowhow til at bygge urene, først for at vurdere alderen af DNA fra spyt og senere for at bestemme alderen på blod, lever og andre individuelle væv.
Mange biologer var skeptiske i starten, fordi urene var forankret i statistik snarere end en forståelse af biomolekylære mekanismer. Alligevel stod urenes nøjagtighed til test og sendte krusninger gennem det biomedicinske samfund. Forskere begyndte at bruge Horvath-ure i deres forskning til at måle ældning af celler, fordi urene var bedre til at bestemme kroppens tilstand og risikoen for sygdom end kronologisk alder. "Epigenetiske ure er tættere på den faktiske aldringsprocessen end nogen andre biomarkører," sagde Vadim Gladyshev, en biokemiker ved Brigham and Women's Hospital og Harvard Medical School, der studerer kræft og aldring. Nu får urene nogle forskere til at genoverveje deres ideer om, hvad aldring er, såvel som dets forbindelse til sygdomme.
"Jeg har nu samarbejdspartnere, der arbejder meget med brystkræft og [begynder] at tænke på: 'Hvis du har fremskreden biologisk aldring, er det så også informativt for brystkræft?'" sagde Sara Hägg, en molekylær epidemiolog ved Karolinska Institutet i Stockholm, Sverige. Hvis urene med fordel kan belyse, hvordan man stopper ældningsprocessen i at udløse aldersrelaterede lidelser, tilføjede hun, "vi kunne forhindre ikke bare én sygdom, men mange."
At se et signal
Gang på gang i de sidste årtier troede biologiske forskere, at et ur til aldring var inden for rækkevidde. For eksempel lærte de i begyndelsen af 1960'erne, at celler, der vokser i kultur, ikke er udødelige, men i stedet dør efter kun 40-60 replikationsrunder, hvilket antydede, at celler rummer en slags aldrende ur. I 1982 troede forskere, at de kunne have fundet urets mekanisme, da de isolerede telomerer, DNA-proteinkomplekser i enderne af kromosomerne, der forkortes hver gang en celle deler sig; når telomerer bliver kritisk korte, dør celler.
Men telomerer kom ikke ud som et aldrende ur. Korrelationen mellem telomerlængde med alder og dødelighed er svag hos mennesker og ikke-eksisterende hos nogle andre arter. "Telomere [længde] sporer faktisk ikke alder. Det sporer bare celleproliferation,” sagde Ken Raj, en hovedefterforsker ved Altos Labs.
Som et alternativ til telomerlængde begyndte Horvath i 2009 at arbejde på et ur baseret på RNA-transkriptioner af en celles aktive gener, skabelonerne for de proteiner, der definerer en celle og tillader den at fungere. I de næste to år forsøgte han at få den tilgang til at fungere, uden held: Transskriptionsdataene var bare for støjende.
Men i 2010 besvarede Horvath en anmodning om hjælp fra en kollega ved UCLA. For at studere mulige forbindelser mellem seksuel orientering og epigenetik indsamlede forskeren spyt fra enæggede tvillinger, der adskilte sig i seksuel orientering, med den hypotese, at DNA'et i deres spytceller kunne afsløre nogle konsistente forskelle i methyleringsmønstre. Horvaths tvillingebror er homoseksuel; Horvath er heteroseksuel. De forsynede deres spyt.
Undersøgelsens analyse så på steder i DNA'et, hvor cytosinbaserne er placeret, og kontrollerede, hvilke af dem der var methylerede. (Cytosiner er de eneste baser, som methylgrupper binder sig til.) En nyligt introduceret lab-on-a chip-teknologi gjorde det nemt at teste titusindvis af cytosinsteder i hver celles DNA. Da kollegaen havde brug for en statistiker til at analysere dataene, meldte Horvath sig frivilligt.
Han fandt ikke, hvad de ledte efter. "Der var intet signal overhovedet for homoseksualitet," sagde Horvath. "Men fordi dataene var på min computer, sagde jeg, lad mig se på ældningseffekter," da tvillingernes aldre i undersøgelsen strakte sig over årtier.
Indtil da havde Horvath undgået epigenetiske data i sin egen forskning. Forholdet mellem methyleringsmønstre og genekspression er rodet og indirekte, og det havde vist sig usandsynligt at vise meget nyttig forbindelse til aldring. Men nu hvor han havde denne uventede epigenetiske data til sin rådighed, syntes der ingen skade i at kigge.
Horvath begyndte at matche methyleringsmønstrene med tvillingernes aldre. I en spytprøve - eller enhver prøve fra et hvilket som helst væv - vil ikke alle cellerne vise det samme methyleringsmønster. Men andelen af celler, der er methyleret ved en given cytosin i DNA, kan måles. I én prøve, for eksempel, kan 40% af cellerne være methyleret i en bestemt position; i en anden kan denne andel være 45 % eller 60 %.
Til sin overraskelse fandt Horvath en stærk sammenhæng mellem alder og andelen af celler med methylering, selv når han så på kun ét sted i DNA'et. At se på flere steder øgede nøjagtigheden.
"Dette ændrede alt for mig," sagde han. "Når jeg så på signalet om aldring, blæste det mig væk."
Horvath byggede en model, der forudsagde en persons alder fra methyleringsstatus for omkring 300 cytosiner på tværs af millioner af celler i en spytprøve. "Du spytter i en kop, og vi kan måle din alder," sagde han.
Snart byggede han epigenetiske urmodeller til evaluering af den biologiske alder af blod, lever, hjerne og forskellige andre væv. Først målte han andelen af celler i hver prøve, der viste methylering på specifikke steder. Ud fra disse data skabte han profiler af vævene, der beskrev proportionerne af celler methyleret på hvert sted.
For at bygge et ur fodrede han en computer med tusindvis af epigenetiske profiler sammen med alderen på hvert profileret væv. Gennem maskinlæring koblede computeren aldre til methyleringsmønstre. Det indsnævrede også antallet af websteder, der var nødvendige for at forudsige alder. Computeren vægtede derefter betydningen af hvert steds methylering i sine beregninger for at skabe den bedste prædiktive formel for alder, som Horvath testede på et separat sæt prøver af kendte aldre.
Inden for to år havde han kombineret deres separate vævsaldringsure til én formel for et "pan-væv" ur, udgivet i 2013. Pan-væv uret var "game changer," sagde Daniel Belsky, en epidemiolog ved Columbia Mailman School of Public Health. Formlen anvendes på alle menneskelige celler, der indeholder DNA. Og enhver kunne bruge det - Horvath satte softwaren på internettet. Ved at uploade deres egne methyleringsdata kunne biologer finde ud af, hvor meget tid der havde taget på celler i deres prøver.
Kvantificering af tilbagegang
Horvaths pan-væv ur var mirakuløst nøjagtig til at forudsige kronologisk alder. Det syntes også at afspejle vigtige underliggende forskelle mellem kronologisk og biologisk alder. Forskere opdagede, at når det epigenetiske ur anslog, at en persons alder var højere end deres kronologiske alder, stod personen over for en højere risiko for sygdom og død. Da uret vurderede, at nogen var yngre, faldt deres risiko. Selvom det epigenetiske ur blev afledt af kronologiske aldersdata, forudsagde dets algoritme dødelighed bedre end alder gjorde.
Så i slutningen af 2014 satte Horvath sig for at spore biologisk alder eksplicit. Han og hans kolleger, bl.a Morgan Levin (en patologiforsker ved Yale University, der for nylig sluttede sig til Altos Labs) og Luigi Ferrucci fra National Institute on Aging, trænede en algoritme på et sammensat mål, der inkluderede kronologisk alder samt resultaterne af ni blodkemiske test, der forudsiger sygdom og dødelighed. Dataene kom fra blodet fra mere end 9,900 voksne i National Health and Nutrition Examination Survey. Det resulterende ur, DNAm PhenoAge, udgivet i 2018, forudsagde blandt andet den samlede dødelighed og risikoen for hjerte-kar-sygdomme, lungesygdomme, kræft og diabetes. Et år senere udgav Horvath og et team ledet af Ake T. Lu fra UCLA en endnu mere præcis forudsigelse af tid til død, Grim Alder, som så på en persons køn, kronologiske alder, rygehistorie og blodproteindødelighedsmarkører.
Et nyt værktøj fra Belsky og hans kolleger, introduceret i 2020 og opdateret tidligere i år, fungerer som et aldrende speedometer. I at skabe deres Aldringstempo biomarkør, kvantificerede de ændringshastigheden i 19 markører for organfunktion i fire aldre, kompilerede dem i et enkelt indeks og modellerede det med methylering. "Vi kvantificerer faktisk den igangværende proces med aldersrelateret tilbagegang og systemintegritet," sagde Belsky. De, der ældes hurtigere ved denne foranstaltning, dør yngre, sagde han og tilføjede, at det forudsiger dødelighed omtrent lige så godt som GrimAge og kan forudsige slagtilfælde og demens endnu bedre.
Aldergamle spørgsmål
I 2017 henvendte repræsentanter for Paul G. Allen Family Foundation sig til Horvath efter en af hans samtaler. De kunne lide hans arbejde og foreslog, at han drømmer stort, fordi fonden støtter højrisikobestræbelser. Find et projekt, som ingen andre ville finansiere, sagde de.
Det tog ikke Horvath lang tid at foreslå et aldrende ur, der ville gælde for alle hvirveldyr. Forslaget gik igennem - det var besynderligt nok - men da Horvath indså omfanget af, hvad det ville indebære, forvandlede planen sig til et relativt tilbageholdende ur for alle pattedyr.
I januar 2021 havde Horvath methyleringsdata fra 128 pattedyrarter, og han stillede sit ur op på preprint-serveren biorxiv.org. "Den samme matematiske formel, de samme cytosiner til en mus eller en rotte eller en hund eller en gris. Vi kan måle aldring i alle disse arter," sagde Horvath. Alligevel gennemsøgte han kloden efter mere.
I sensommeren sidste år var Horvath i kontakt med Darren Pietersen, en pangolin-ekspert ved Tikki Hywood Foundation i Harare, Zimbabwe, og tilbyder ham forsyninger til indsamling af data fra pangoliner og flere andre arter. Ingen vidste engang med sikkerhed, hvor længe pangoliner lever. Nogle officielle regnskaber sagde 15 til 20 år, men Pietersen mente i det mindste nogle typer lever længere. "Det ene dyr, som vi ældede for nylig, var omkring 34 år gammelt (dog med en ret bred fejlmargin)," skrev han.
Ud fra de leverede vævsdata byggede Horvath et pangolin-ur, endnu en levetidstimer til at tilføje til sin samling. “Du vil have et griseur, jeg har et griseur. Jeg har et ur til kænguruer og til elefanter,” sagde Horvath. Hvert artsspecifikt ur var en velsignelse for videnskabsmænd på området. Elefantforskere, for eksempel, ønskede elefanturet, så de kunne konstatere aldersstrukturen af vilde populationer for at støtte bevaringsindsatsen.
Men et ur, der kombinerer dem alle, kan hjælpe med at besvare et mere grundlæggende spørgsmål: Hvad er aldring? En opfattelse er, at din krop ældes ligesom dine sko, gradvist falmer og falder fra hinanden. Men de vellykkede forudsigelser fra pan-pattedyrets ur antyder, at noget også får celler til at svigte på en bestemt tidsplan, måske på grund af udviklingsgener, der ikke slukker, når deres arbejde er færdigt. "Dette tyder på et element af determinisme i aldring," sagde Raj, en af urets mere end 100 bygherrer.
Data fra methyleringsure tyder på, at aldring starter meget tidligt, længe før kroppen bryder sammen. I en 2021 papir, Gladyshev og hans kolleger beskriver et methyleringsur, der daterer stadier af pattedyrs udvikling. De fandt ud af, at under tidlig embryogenese hos mus, en slags foryngelse sætter embryonets alder tilbage til nul. Biologisk aldring skrider derefter fremad, selvom menneskelige børn formentlig bliver stærkere, ikke svagere, i løbet af denne tid, og dødeligheden hos mennesker falder indtil omkring 9-års alderen. "Det er for mig meget dybt, fordi det nagler dette spørgsmål om aldring til en proces, der er uadskillelig fra udviklingsprocessen," sagde Raj.
To nyere undersøgelser af den nøgne muldvarprotte, en gnaver med en usandsynlig lang levetid på 37 år, viser, at dyret ældes epigenetisk, selvom dets chancer for at dø ikke stiger med den kronologiske alder. "Jeg tror, at dødeligheden ikke er det bedste mål for aldring," sagde Gladyshev, der ledede en af undersøgelserne. "Aldring er en uundgåelig konsekvens af at være i live."
Aldring afspejler naturligvis stadig virkningerne af erfaring, adfærd og miljø. Rygning og soleksponering kan for eksempel fremskynde det, målt ved methylering og andre markører, og motion eller en diæt med lavt kalorieindhold kan stoppe det. I et værk offentliggjort i marts sidste år, et epigenetisk ur skræddersyet til murmeldyr viste, at dvale sænker aldring, og et papir offentliggjort i sidste uge viste, at det samme gælder for flagermus. Et ur lavet til rhesus makakaber antyder, at orkanen Maria i 2017 fremskyndede aldring i en koloni af aber på en ø ud for Puerto Ricos kyst.
Original Sin
Ingen ved helt, hvorfor urene virker. Nogle, men ikke alle de involverede gener og molekylære veje er blevet identificeret, og forskere er stadig ved at lære, hvordan methyleringsmønstre påvirker adfærd og sundhed af celler, væv og organer. "Det kommer tilbage til det, jeg kalder 'konstruktionens arvesynd'," sagde Horvath. "Den er baseret på en [statistisk] regressionsmodel, der på et eller andet niveau er agnostisk over for biologi."
For at sone for denne synd er Raj og Horvath begyndt at søge biologiske korrelater for epigenetisk aldring. Forstyrrelser af de biokemiske veje, som kroppen bruger til at fornemme sit behov for næringsstoffer langsom aldring, opdagede de for nylig i overensstemmelse med virkningerne af kaloriebegrænsede diæter på aldring. Afsporing af mitokondriers funktion fremskynder det. Uret sporer også modningen af stamceller. Hvis disse processer er forbundet på et dybere niveau, kan epigenetiske ure afsløre samlende mekanismer for aldring, skrev forfatterne i en 2022 papir ind Natur aldring.
Hvad disse samlende mekanismer kan være, eller hvorfor methyleringsstatus sporer aldring så godt, er dog endnu ikke helt bestemt. "Vi ved ikke rigtig, om epigenetiske ure er kausalt forbundet med aldring," sagde Hägg.
Selv hvis de er det, måler epigenetiske ure næsten helt sikkert kun en del af det, der sker under aldring, sagde Matt Kaeberlein, en forsker ved University of Washington School of Medicine i Seattle, der studerer aldringsbiologi. "Om de faktisk måler mere end en enkelt dimension af biologisk alder er ikke klart," sagde han. "Dette er en del af problemet her - sammenblandingen af epigenetisk alder med biologisk alder. De er ikke tilsvarende efter min mening."
Raj spekulerer i, at methyleringsændringerne afspejler et tab af cellulær identitet med alderen. Alle celler i kroppen har det samme DNA, så det, der gør en levercelle til en levercelle og en hjertecelle til en hjertecelle, er det genekspressionsmønster, som epigenetik styrer. Da ændringer i methylering akkumuleres med alderen, kan nogle af disse kontroller gå tabt, erstattet af genopståede udviklingsprogrammer, som bør slukkes, foreslår Raj.
Selvom methyleringsure kan være de mest nøjagtige monitorer af biologisk alder for nu, nogle undersøgelser antyder der er plads til forbedringer. En mere præcis forudsigelse kan kombinere kvantificerbare cellulære egenskaber - f.eks. protein-, metabolit- eller genekspressionsniveauer - med fysiologiske signaler og et indeks for skrøbelighed. "Vi kan måle så mange ting i et menneske nu," sagde Hägg. "Jo flere af disse ting du kvantificerer, jo mere nøjagtigt vil du fange din aldring."
Methyleringsure har også begrænset klinisk anvendelse, advarede Hägg. Folk kan købe en aflæsning af deres biologiske alder fra forskellige kommercielle kilder, men resultaterne er ikke kun ofte inkonsistente, de mangler klinisk relevans, fordi urene var beregnet til analyse på gruppeniveau i forskning. "De er ikke bygget til at være forudsigelige på individuelt niveau," sagde hun.
Og selvom nogen ændrer deres livsstil på en måde, der sænker deres biologiske alder målt ved disse ure, vil de så have et længere liv eller en lavere risiko for sygdom? "Vi ved det ikke endnu," sagde Kaeberlein.
Horvath er nu ved at forberede et papir om sit pan-pattedyrs ur til indsendelse til et tidsskrift. Selvom han tilsyneladende har nået sit mål, nager huller i hans samling stadig på ham. I maj korresponderede han med seniorkuratorer på et museum i Australien om at erhverve væv fra pungdyr modermærker, et lille, stort set blindt væsen, der tilbringer det meste af sin tid under jorden. "Vi har allerede genereret data fra 348 pattedyrarter, men vi vil gerne tilføje flere," sagde han.
Da Horvath foreslog dette projekt, satte han sig for at analysere 30 arter, men 30 blev snart 50, derefter 100, så mere end tre gange så meget. "Jeg er nødt til at gå i tempo," sagde han, "fordi jeg har denne impuls til at samle mere."
