Diesmal vor einem Jahr, Steve Horvath suchte nach Pangolin-DNA. Der uralte Schuppenameisenbär war eine Premiere für seine Sammlung, die damals etwa 200 Säugetiere umfasste. „Ich hatte nichts von dieser Bestellung, weshalb ich sie unbedingt haben wollte“, erinnert er sich.
Seit Sommer 2017 ist Horvath, der bis vor kurzem noch einer war Anti-Aging-Forscher an der University of California, Los Angeles, verbrachte bis zu 10 Stunden am Tag damit, E-Mails an Zoos, Museen, Aquarien und Labore zu schreiben. Er hat an Vorträgen über Fledermäuse und Tasmanische Teufel teilgenommen, um ihre Wächter zu treffen. Er hat die entlegensten Ecken der Welt erreicht und um die DNA von Flughunden, Meerkatzen, Minischweinen und Grönlandwalen gebettelt.
Mit dieser riesigen Menagerie von Proben hat er Computeruhren gebaut, die das Alter von so unterschiedlichen Kreaturen wie Spitzmäusen, Koalas, Zebras, Schweinen und „jedem Wal, den Sie nennen können“, berechnen können, indem er einfach ihre DNA betrachtet. Aber das waren nur Schritte zur Fertigstellung von Horvaths ehrgeizigem Mondschuss eines Projekts: eine universelle Uhr, die das biologische Alter jedes Säugetiers messen könnte.
Das Alter zu messen scheint nicht schwieriger zu sein, als die nächste Uhr oder den nächsten Kalender zu verwenden. Das chronologische Alter ist jedoch eine unvollkommene Metrik, da einige Personen und Gewebe die Auswirkungen des Alters schneller zeigen als andere. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach einer objektiven und vielseitigen Methode zur Messung der biologischen Alterung, der Veränderungen der gesunden Funktion im Laufe der Zeit. „Sie möchten einen Biomarker haben, der das Alter in vielen verschiedenen Geweben und Zelltypen genau misst“, sagte Horvath, der die UCLA in diesem Jahr verließ, um Hauptforscher bei Altos Labs zu werden, einem Biotechnologie-Startup, das an der Verjüngung von Zellen arbeitet.
Horvath und seine Kollegen stellten Anfang dieses Jahres eine Version der Pan-Säugetier-Uhr fertig. Jetzt hoffen er und andere Forscher, die molekularen Prozesse zu identifizieren, die verschiedenen Lebewesen gemeinsam sind, die eine solche Uhr möglich machen. Zu verstehen, warum Uhren wie diese funktionieren, könnte laut Horvath dazu beitragen, uns zu dem zu führen, was er „die wahre Grundursache des Alterns“ nennt.
Seine Uhren basieren auf Analysen der chemischen Markierungen namens Methylgruppen, die an der DNA wie Anhänger an einem Armband hängen und dabei helfen, die Genaktivität zu kontrollieren. Sie sind Produkte der Epigenetik (wörtlich „über der Genetik“), dem Gebiet, das vererbbare Informationen untersucht, die nicht im genetischen Code geschrieben sind. Vor einem Dutzend Jahren begannen Horvath und seine Kollegen, ihr Know-how zum Bau der Uhren einzusetzen, um zunächst das Alter der DNA aus Speichel zu bestimmen und später das Alter von Blut, Leber und anderen einzelnen Geweben zu bestimmen.
Viele Biologen waren zunächst skeptisch, weil die Uhren eher auf Statistiken als auf dem Verständnis biomolekularer Mechanismen beruhten. Doch die Genauigkeit der Uhren hielt Tests stand und schlug Wellen in der biomedizinischen Gemeinschaft. Wissenschaftler begannen, Horvath-Uhren in ihrer Forschung zu verwenden, um die Alterung von Zellen zu messen, weil die Uhren den Zustand des Körpers und das Krankheitsrisiko besser beurteilen konnten als das chronologische Alter. „Epigenetische Uhren sind dem eigentlichen Alterungsprozess näher als alle anderen Biomarker“, sagt er Wadim Gladyschew, ein Biochemiker am Brigham and Women's Hospital und an der Harvard Medical School, der Krebs und das Altern untersucht. Jetzt veranlassen die Uhren einige Wissenschaftler, ihre Vorstellungen darüber zu überdenken, was das Altern ist, sowie seinen Zusammenhang mit Krankheiten.
„Ich habe jetzt Mitarbeiter, die viel im Bereich Brustkrebs arbeiten und [beginnen] darüber nachzudenken: ‚Wenn Sie eine fortgeschrittene biologische Alterung haben, ist das auch informativ für Brustkrebs?'“, sagte er Sara Hägg, Molekularepidemiologe am Karolinska-Institut in Stockholm, Schweden. Wenn die Uhren sinnvoll aufzeigen können, wie der Alterungsprozess daran gehindert werden kann, altersbedingte Störungen auszulösen, fügte sie hinzu: „Wir könnten nicht nur eine Krankheit, sondern viele verhindern.“
Ein Signal sehen
Immer wieder hielten Bioforscher in den vergangenen Jahrzehnten eine Uhr des Alterns für greifbar. So lernten sie beispielsweise Anfang der 1960er Jahre, dass in Kultur wachsende Zellen nicht unsterblich sind, sondern nach nur 40-60 Replikationsrunden absterben, was darauf hindeutet, dass Zellen eine Art Alterungsuhr beherbergen. 1982 dachten Forscher, sie könnten den Mechanismus der Uhr gefunden haben, als sie Telomere isolierten, DNA-Protein-Komplexe an den Enden von Chromosomen, die sich bei jeder Zellteilung verkürzen; Wenn Telomere kritisch kurz werden, sterben Zellen ab.
Aber Telomere erwiesen sich nicht als alternde Uhr. Die Korrelation der Telomerlänge mit Alter und Sterblichkeit ist beim Menschen schwach und bei einigen anderen Arten nicht vorhanden. „Telomere [Länge] verfolgt das Alter nicht wirklich. Es verfolgt nur die Zellproliferation “, sagte Ken Raj, ein Hauptforscher bei Altos Labs.
Als Alternative zur Telomerlänge begann Horvath 2009 mit der Arbeit an einer Uhr, die auf den RNA-Transkripten der aktiven Gene einer Zelle basiert, den Vorlagen für die Proteine, die eine Zelle definieren und ihr Funktionieren ermöglichen. In den nächsten zwei Jahren versuchte er, diesen Ansatz zum Laufen zu bringen, ohne Erfolg: Die Transkriptionsdaten waren einfach zu verrauscht.
Aber 2010 beantwortete Horvath eine Bitte um Hilfe von einem Kollegen an der UCLA. Um mögliche Zusammenhänge zwischen sexueller Orientierung und Epigenetik zu untersuchen, sammelte der Forscher Speichel von eineiigen Zwillingen, die sich in der sexuellen Orientierung unterschieden, mit der Hypothese, dass die DNA in ihren Speichelzellen einige konsistente Unterschiede in den Methylierungsmustern aufzeigen könnte. Horvaths Zwillingsbruder ist schwul; Horvath ist heterosexuell. Sie lieferten ihre Spucke.
Die Analyse der Studie untersuchte Stellen in der DNA, an denen sich Cytosinbasen befinden, und überprüfte, welche davon methyliert waren. (Cytosine sind die einzigen Basen, an denen sich Methylgruppen anlagern.) Eine kürzlich eingeführte Lab-on-a-Chip-Technologie machte es einfach, Zehntausende von Cytosinstellen in der DNA jeder Zelle zu testen. Als der Kollege einen Statistiker brauchte, um die Daten auszuwerten, bot Horvath seine Dienste an.
Er fand nicht, wonach sie suchten. „Es gab keinerlei Signal für Homosexualität“, sagte Horvath. „Aber weil die Daten auf meinem Computer waren, sagte ich, lass mich die Alterungseffekte anschauen“, da das Alter der Zwillinge in der Studie Jahrzehnte umfasste.
Horvath hatte sich bis dahin in seiner eigenen Forschung von epigenetischen Daten ferngehalten. Die Beziehung zwischen Methylierungsmustern und Genexpression ist chaotisch und indirekt, und es schien unwahrscheinlich, dass sie eine nützliche Verbindung zum Altern aufzeigen würde. Aber jetzt, da er diesen Glücksfall epigenetischer Daten zur Verfügung hatte, schien es nicht zu schaden, nachzuschauen.
Horvath begann, die Methylierungsmuster mit dem Alter der Zwillinge abzugleichen. In einer Speichelprobe – oder einer Gewebeprobe – zeigen nicht alle Zellen das gleiche Methylierungsmuster. Aber der Anteil der Zellen, die an einem bestimmten Cytosin in der DNA methyliert sind, kann gemessen werden. In einer Probe könnten beispielsweise 40 % der Zellen an einer bestimmten Position methyliert sein; in einem anderen könnte dieser Anteil 45 % oder 60 % betragen.
Zu seiner Überraschung fand Horvath eine starke Korrelation zwischen dem Alter und dem Anteil der Zellen mit Methylierung, selbst wenn er nur eine Stelle in der DNA betrachtete. Das Betrachten weiterer Standorte erhöhte die Genauigkeit.
„Das hat alles für mich verändert“, sagte er. „Als ich mir das Signal für das Altern angesehen habe, hat es mich umgehauen.“
Horvath baute ein Modell, das das Alter einer Person vorausgesagt aus dem Methylierungsstatus von etwa 300 Cytosinen über Millionen von Zellen in einer Speichelprobe. „Du spuckst in eine Tasse, und wir können dein Alter messen“, sagte er.
Bald baute er epigenetische Uhrenmodelle zur Bewertung des biologischen Alters von Blut, Leber, Gehirn und verschiedenen anderen Geweben. Zuerst maß er die Anteile der Zellen in jeder Probe, die an bestimmten Stellen Methylierung zeigten. Aus diesen Daten erstellte er Profile der Gewebe, die die Anteile der an jeder Stelle methylierten Zellen beschrieben.
Um eine Uhr zu bauen, fütterte er einen Computer mit Tausenden von epigenetischen Profilen zusammen mit dem Alter jedes profilierten Gewebes. Durch maschinelles Lernen verknüpfte der Computer Alter mit Methylierungsmustern. Außerdem wurde die Anzahl der Websites eingegrenzt, die zur Altersvorhersage benötigt werden. Der Computer gewichtete dann die Bedeutung der Methylierung jeder Stelle in seinen Berechnungen, um die beste Vorhersageformel für das Alter zu erstellen, die Horvath an einem separaten Satz von Proben bekannten Alters testete.
Innerhalb von zwei Jahren hatte er ihre separaten Gewebealterungsuhren in einer Formel für kombiniert eine „Pan-Gewebe“-Uhr, veröffentlicht im Jahr 2013. Die Pan-Tissue-Uhr war „der Spielwechsler“, sagte Daniel Belski, ein Epidemiologe an der Columbia Mailman School of Public Health. Die Formel gilt für alle menschlichen Zellen, die DNA enthalten. Und jeder konnte es benutzen – Horvath stellte die Software ins Internet. Durch das Hochladen ihrer eigenen Methylierungsdaten konnten Biologen herausfinden, wie viel Zeit die Zellen in ihren Proben beansprucht hatten.
Rückgang quantifizieren
Horvaths Pan-Tissue-Uhr war wunderbar genau bei der Vorhersage des chronologischen Alters. Es schien auch wichtige grundlegende Unterschiede zwischen chronologischem und biologischem Alter widerzuspiegeln. Forscher entdeckten, dass, wenn die epigenetische Uhr schätzte, dass das Alter einer Person höher war als ihr chronologisches Alter, die Person einem höheren Krankheits- und Todesrisiko ausgesetzt war. Wenn die Uhr schätzte, dass jemand jünger war, sank sein Risiko. Obwohl die epigenetische Uhr aus chronologischen Altersdaten abgeleitet wurde, sagte ihr Algorithmus die Sterblichkeit besser voraus als das Alter.
Also machte sich Horvath Ende 2014 daran, das biologische Alter explizit zu verfolgen. Er und seine Kollegen, darunter Morgan Levin (ein Pathologieforscher an der Yale University, der kürzlich zu Altos Labs kam) und Luigi Ferrucci vom National Institute on Aging, trainierte einen Algorithmus auf einem zusammengesetzten Maß, das das chronologische Alter sowie die Ergebnisse von neun Blutchemietests enthielt, die Krankheiten und Sterblichkeit vorhersagen. Die Daten stammen aus dem Blut von mehr als 9,900 Erwachsenen in der National Health and Nutrition Examination Survey. Die resultierende Uhr, DNAm PhenoAge, veröffentlicht im Jahr 2018, prognostizierte unter anderem die Gesamtsterblichkeit und das Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Lungenerkrankungen, Krebs und Diabetes. Ein Jahr später veröffentlichten Horvath und ein Team unter der Leitung von Ake T. Lu von der UCLA einen noch präziseren Prädiktor für die Zeit bis zum Tod, Grimmiges Alter, die das Geschlecht, das chronologische Alter, die Rauchergeschichte und Bluteiweiß-Sterblichkeitsmarker einer Person untersuchte.
Ein neues Tool von Belsky und seinen Kollegen, das 2020 eingeführt und Anfang dieses Jahres aktualisiert wurde, fungiert als alternder Tachometer. Bei der Erstellung ihrer Tempo des Alterns Biomarker quantifizierten sie die Änderungsrate von 19 Markern der Organfunktion in vier Altersstufen, stellten sie zu einem einzigen Index zusammen und modellierten ihn mit Methylierung. „Wir quantifizieren tatsächlich den laufenden Prozess des altersbedingten Verfalls und der Systemintegrität“, sagte Belsky. Diejenigen, die durch dieses Maß schneller altern, sterben jünger, sagte er und fügte hinzu, dass es die Sterblichkeit ungefähr so gut wie GrimAge vorhersagt und Schlaganfall und Demenz noch besser vorhersagen könnte.
Uralte Frage
2017 kamen Vertreter der Paul G. Allen Family Foundation nach einem seiner Vorträge auf Horvath zu. Sie mochten seine Arbeit und schlugen ihm vor, große Träume zu haben, weil die Stiftung risikoreiche Unternehmungen unterstützt. Finden Sie ein Projekt, das niemand sonst finanzieren würde, sagten sie.
Es dauerte nicht lange, bis Horvath eine Alterungsuhr vorschlug, die für alle Wirbeltiere gelten würde. Der Vorschlag wurde angenommen – er war seltsam genug –, aber als Horvath das Ausmaß dessen erkannte, was er beinhalten würde, verwandelte sich der Plan in eine relativ zurückhaltende Uhr für alle Säugetiere.
Bis Januar 2021 verfügte Horvath über Methylierungsdaten von 128 Säugetierarten, und er postete seine Uhr auf dem Preprint-Server biorxiv.org. „Die gleiche mathematische Formel, die gleichen Cytosine für eine Maus oder eine Ratte oder einen Hund oder ein Schwein. Wir können das Altern bei all diesen Arten messen“, sagte Horvath. Trotzdem durchsuchte er den Globus nach mehr.
Im Spätsommer letzten Jahres stand Horvath in Kontakt mit Darren Pietersen, einem Pangolin-Experten bei der Tikki-Hywood-Stiftung in Harare, Simbabwe, und bot ihm Material zum Sammeln von Daten von Schuppentieren und mehreren anderen Arten an. Niemand wusste mit Sicherheit, wie lange Schuppentiere leben. Einige offizielle Berichte sagten 15 bis 20 Jahre, aber Pietersen dachte, dass zumindest einige Arten länger leben. „Das einzige Tier, das wir kürzlich gealtert haben, war ungefähr 34 Jahre alt (obwohl mit einer ziemlich großen Fehlerquote)“, schrieb er.
Aus den gelieferten Gewebedaten baute Horvath eine Pangolin-Uhr, einen weiteren Lebensspannen-Timer, den er seiner Sammlung hinzufügen konnte. „Du willst eine Schweineuhr, ich habe eine Schweineuhr. Ich habe eine Uhr für Kängurus und für Elefanten“, sagte Horvath. Jede artspezifische Uhr war ein Segen für Wissenschaftler auf diesem Gebiet. Elefantenforscher wollten zum Beispiel die Elefantenuhr, damit sie die Altersstruktur von Wildpopulationen ermitteln können, um die Schutzbemühungen zu unterstützen.
Aber eine Uhr, die alle zusammenführt, kann helfen, eine grundlegendere Frage zu beantworten: Was ist Altern? Eine Ansicht ist, dass Ihr Körper wie Ihre Schuhe altert, allmählich verblasst und durch Abnutzung auseinanderfällt. Aber die erfolgreichen Vorhersagen der Pan-Säugetier-Uhr implizieren, dass irgendetwas auch dazu führt, dass Zellen nach einem bestimmten Zeitplan versagen, vielleicht weil Entwicklungsgene nicht abschalten, wenn ihre Arbeit getan ist. „Dies deutet auf ein deterministisches Element des Alterns hin“, sagte Raj, einer der mehr als 100 Erbauer der Uhr.
Daten von Methylierungsuhren deuten darauf hin, dass das Altern sehr früh beginnt, lange bevor der Körper zusammenbricht. In einem 2021 Papierbeschreiben Gladyshev und seine Kollegen eine Methylierungsuhr, die Stadien der Säugetierentwicklung datiert. Sie fanden heraus, dass während der frühen Embryogenese bei Mäusen eine Art Verjüngung das Alter des Embryos auf Null zurücksetzt. Die biologische Alterung schreitet dann schnell voran, obwohl menschliche Kinder während dieser Zeit wohl stärker und nicht schwächer werden und die Sterblichkeit bei Menschen nimmt bis etwa zum 9. „Das ist für mich sehr tiefgreifend, weil es diese Frage des Alterns auf einen Prozess festnagelt, der untrennbar mit dem Entwicklungsprozess verbunden ist“, sagte Raj.
Zwei kürzlich durchgeführte Studien über den Nacktmull, ein Nagetier mit einer unwahrscheinlich langen Lebensdauer von 37 Jahren, zeigen, dass das Tier epigenetisch altert, obwohl seine Sterbewahrscheinlichkeit nicht mit dem chronologischen Alter steigt. „Ich denke, die Sterblichkeitsrate ist nicht das beste Maß für das Altern“, sagte Gladyshev, der führte eine der Studien. „Altern ist eine unvermeidliche Folge des Lebens.“
Das Altern spiegelt natürlich immer noch die Auswirkungen von Erfahrung, Verhalten und Umwelt wider. Rauchen und Sonneneinstrahlung zum Beispiel können es beschleunigen, gemessen an Methylierung und anderen Markern, und Bewegung oder eine kalorienarme Ernährung können es aufhalten. In einer Arbeit, die im März letzten Jahres veröffentlicht wurde, eine epigenetische Uhr auf Murmeltiere zugeschnitten zeigte, dass der Winterschlaf das Altern verlangsamt, und ein Papier letzte Woche veröffentlichte Ergebnisse zeigten, dass dasselbe für Fledermäuse gilt. Eine Uhr für Rhesusaffen gemacht deutet darauf hin, dass der Hurrikan Maria im Jahr 2017 das Altern in einer Affenkolonie auf einer Insel vor der Küste von Puerto Rico beschleunigte.
Original Sin
Niemand weiß genau, warum die Uhren funktionieren. Einige, aber nicht alle der beteiligten Gene und molekularen Signalwege wurden identifiziert, und Forscher lernen immer noch, wie Methylierungsmuster das Verhalten und die Gesundheit von Zellen, Geweben und Organen beeinflussen. „Es kommt auf das zurück, was ich ‚die Erbsünde des Bauens' nenne“, sagte Horvath. „Es basiert auf einem [statistischen] Regressionsmodell, das in gewisser Weise agnostisch gegenüber der Biologie ist.“
Um für diese Sünde zu büßen, haben Raj und Horvath begonnen, nach biologischen Korrelaten für das epigenetische Altern zu suchen. Störungen der biochemischen Bahnen, die der Körper verwendet, um seinen Bedarf an Nährstoffen zu erkennen, verlangsamen das Altern, entdeckten sie kürzlich, in Übereinstimmung mit den Auswirkungen kalorienreduzierter Diäten auf das Altern. Das Entgleisen der Arbeit der Mitochondrien beschleunigt sie. Die Uhr verfolgt auch die Reifung von Stammzellen. Wenn diese Prozesse auf einer tieferen Ebene miteinander verbunden sind, könnten epigenetische Uhren vereinheitlichende Mechanismen für das Altern enthüllen, schrieben die Autoren in a 2022 Papier in Naturalterung.
Was diese vereinheitlichenden Mechanismen sein könnten oder warum der Methylierungsstatus das Altern so gut verfolgt, muss jedoch noch vollständig geklärt werden. „Wir wissen nicht wirklich, ob epigenetische Uhren ursächlich mit dem Altern zusammenhängen“, sagte Hägg.
Selbst wenn sie es sind, messen epigenetische Uhren mit ziemlicher Sicherheit nur einen Teil dessen, was während des Alterns passiert, sagte er Matt Käberlein, ein Forscher an der University of Washington School of Medicine in Seattle, der die Biologie des Alterns studiert. „Ob sie tatsächlich mehr als eine einzige Dimension des biologischen Alters messen, ist nicht klar“, sagte er. „Das ist Teil des Problems hier – die Vermischung des epigenetischen Alters mit dem biologischen Alter. Diese sind aus meiner Sicht nicht gleichwertig.“
Raj spekuliert, dass die Methylierungsveränderungen einen Verlust der zellulären Identität mit zunehmendem Alter widerspiegeln. Alle Zellen im Körper haben die gleiche DNA, was also eine Leberzelle zu einer Leberzelle und eine Herzzelle zu einer Herzzelle macht, ist das Muster der Genexpression, das von der Epigenetik kontrolliert wird. Da sich die Methylierung mit zunehmendem Alter häuft, könnten einige dieser Kontrollen verloren gehen und durch wiederauftauchende Entwicklungsprogramme ersetzt werden, die abgeschaltet werden sollten, schlägt Raj vor.
Obwohl Methylierungsuhren derzeit die genauesten Monitore des biologischen Alters sind, Einige Studien legen nahe es gibt Raum für Verbesserungen. Ein genauerer Prädiktor könnte quantifizierbare zelluläre Eigenschaften – beispielsweise Protein-, Metaboliten- oder Genexpressionsniveaus – mit physiologischen Signalen und einem Index für Gebrechlichkeit kombinieren. „Wir können jetzt so viele Dinge in einem Menschen messen“, sagte Hägg. „Je mehr dieser Dinge Sie quantifizieren, desto genauer erfassen Sie Ihr Altern.“
Methylierungsuhren haben auch nur begrenzte klinische Anwendungen, warnte Hägg. Menschen können eine Anzeige ihres biologischen Alters von verschiedenen kommerziellen Quellen kaufen, aber die Ergebnisse sind nicht nur oft widersprüchlich, sie haben auch keine klinische Relevanz, weil die Uhren für Analysen auf Gruppenebene in der Forschung gedacht waren. „Sie sind nicht darauf ausgelegt, auf individueller Ebene Vorhersagen zu treffen“, sagte sie.
Und selbst wenn jemand seinen Lebensstil so ändert, dass sein biologisches Alter, gemessen an diesen Uhren, sinkt, hat er dann ein längeres Leben oder ein geringeres Krankheitsrisiko? „Das wissen wir noch nicht“, sagte Kaeberlein.
Horvath bereitet nun eine Arbeit über seine Pan-Säugetier-Uhr zur Vorlage bei einer Zeitschrift vor. Obwohl er sein Ziel scheinbar erreicht hat, nagen noch Lücken in seiner Sammlung an ihm. Im Mai korrespondierte er mit leitenden Kuratoren eines Museums in Australien über den Erwerb von Gewebe von Beuteltieren, einem kleinen, weitgehend blinden Lebewesen, das die meiste Zeit unter der Erde verbringt. „Wir haben bereits Daten von 348 Säugetierarten generiert, aber wir würden gerne weitere hinzufügen“, sagte er.
Als Horvath dieses Projekt vorschlug, wollte er 30 Arten analysieren, aber aus 30 wurden bald 50, dann 100, dann mehr als das Dreifache. „Ich muss mich beruhigen“, sagte er, „weil ich diesen Impuls habe, mehr zu sammeln.“
