Esta vez hace un año, steve horvath estaba buscando ADN de pangolín. El antiguo oso hormiguero escamoso sería el primero en su colección, que entonces contaba con unos 200 mamíferos. “No tenía nada de ese orden, por eso los quería desesperadamente”, recordó.
Desde el verano de 2017, Horvath, que hasta hace poco era un investigador antienvejecimiento en la Universidad de California, Los Ángeles, ha pasado hasta 10 horas al día escribiendo correos electrónicos a zoológicos, museos, acuarios y laboratorios. Ha asistido a charlas sobre murciélagos y demonios de Tasmania para conocer a sus cuidadores. Ha llegado a los rincones más lejanos del mundo, rogando por el ADN de zorros voladores, monos verdes, minipigs y ballenas de Groenlandia.
Con esa gran variedad de muestras, ha construido relojes computacionales que pueden calcular la edad de criaturas tan diversas como musarañas, koalas, cebras, cerdos y "todas las ballenas que puedas nombrar", dijo, con solo mirar su ADN. Pero esos fueron simplemente pasos hacia la finalización del ambicioso proyecto lunar de Horvath: un reloj universal que podría medir la edad biológica de cualquier mamífero.
Puede parecer que medir la edad no es más difícil que usar el reloj o el calendario más cercano. Pero la edad cronológica es una métrica imperfecta ya que algunos individuos y tejidos muestran los efectos de la edad más rápidamente que otros. Durante décadas, los científicos han buscado una forma objetiva y versátil de medir el envejecimiento biológico, los cambios en el funcionamiento saludable a lo largo del tiempo. “Uno quiere tener un biomarcador que mida con precisión las edades en muchos tejidos y tipos de células diferentes”, dijo Horvath, quien dejó la UCLA este año para convertirse en investigador principal en Altos Labs, una empresa emergente de biotecnología que trabaja para el rejuvenecimiento de las células.
Horvath y sus colegas completaron una versión del reloj panmamífero a principios de este año. Ahora él y otros investigadores esperan identificar los procesos moleculares comunes a diversas criaturas que hacen posible tal reloj. Comprender por qué funcionan los relojes como este, cree Horvath, podría ayudarnos a llegar a lo que él llama "la verdadera causa raíz del envejecimiento".
Sus relojes se basan en análisis de las etiquetas químicas llamadas grupos metilo que cuelgan del ADN como amuletos en un brazalete y ayudan a controlar la actividad de los genes. Son productos de la epigenética (literalmente, “por encima de la genética”), el campo que estudia la información hereditaria que no está escrita en el código genético. Hace una docena de años, Horvath y sus colegas comenzaron a aplicar su conocimiento para construir los relojes, primero para evaluar la edad del ADN de la saliva y luego para determinar la edad de la sangre, el hígado y otros tejidos individuales.
Muchos biólogos se mostraron escépticos al principio porque los relojes tenían sus raíces en las estadísticas más que en la comprensión de los mecanismos biomoleculares. Sin embargo, la precisión de los relojes superó las pruebas y envió ondas a través de la comunidad biomédica. Los científicos comenzaron a usar relojes Horvath en su investigación para medir el envejecimiento de las células porque los relojes eran mejores árbitros del estado del cuerpo y el riesgo de enfermedad que la edad cronológica. “Los relojes epigenéticos están más cerca del proceso real de envejecimiento que cualquier otro biomarcador”, dijo vadim gladyshev, bioquímico del Brigham and Women's Hospital y de la Escuela de Medicina de Harvard que estudia el cáncer y el envejecimiento. Ahora los relojes están llevando a algunos científicos a repensar sus ideas sobre qué es el envejecimiento, así como su conexión con las enfermedades.
"Ahora tengo colaboradores que trabajan mucho en el cáncer de mama y [están] empezando a pensar, 'Si tienes un envejecimiento biológico avanzado, ¿eso también es informativo para el cáncer de mama?'", dijo. Sara Hagg, epidemiólogo molecular del Instituto Karolinska en Estocolmo, Suecia. Si los relojes pueden iluminar de manera útil cómo evitar que el proceso de envejecimiento desencadene trastornos relacionados con la edad, agregó, "podríamos prevenir no solo una enfermedad, sino muchas".
Ver una señal
Una y otra vez en las últimas décadas, los investigadores biológicos pensaron que un reloj para el envejecimiento estaba al alcance de la mano. Por ejemplo, aprendieron a principios de la década de 1960 que las células que crecen en cultivo no son inmortales, sino que mueren después de solo 40 a 60 rondas de replicación, lo que sugiere que las células albergan una especie de reloj de envejecimiento. En 1982, los investigadores pensaron que podrían haber encontrado el mecanismo del reloj cuando aislaron los telómeros, complejos de proteína de ADN en los extremos de los cromosomas que se acortan cada vez que una célula se divide; cuando los telómeros se acortan críticamente, las células mueren.
Pero los telómeros no funcionaron como un reloj de envejecimiento. La correlación de la longitud de los telómeros con la edad y la mortalidad es débil en humanos e inexistente en algunas otras especies. “La [longitud] de los telómeros en realidad no rastrea la edad. Simplemente rastrea la proliferación celular”, dijo ken raj, investigador principal de Altos Labs.
Como alternativa a la longitud de los telómeros, en 2009 Horvath comenzó a trabajar en un reloj basado en las transcripciones de ARN de los genes activos de una célula, las plantillas para las proteínas que definen una célula y le permiten funcionar. Durante los siguientes dos años, trató de hacer que ese enfoque funcionara, sin éxito: los datos de transcripción eran demasiado ruidosos.
Pero en 2010, Horvath respondió a una solicitud de ayuda de un colega de la UCLA. Para estudiar las posibles conexiones entre la orientación sexual y la epigenética, el investigador recolectó saliva de gemelos idénticos que diferían en la orientación sexual, con la hipótesis de que el ADN en sus células de saliva podría revelar algunas diferencias consistentes en los patrones de metilación. El hermano gemelo de Horvath es gay; Horvath es heterosexual. Ellos suministraron su saliva.
El análisis del estudio analizó los sitios en el ADN donde se encuentran las bases de citosina y verificó cuáles de ellas estaban metiladas. (Las citosinas son las únicas bases a las que se unen los grupos metilo). Una tecnología de laboratorio en un chip introducida recientemente facilitó la prueba de decenas de miles de sitios de citosina en el ADN de cada célula. Cuando el colega necesitó un estadístico para analizar los datos, Horvath ofreció sus servicios.
No encontró lo que buscaban. “No hubo ninguna señal de homosexualidad”, dijo Horvath. “Pero debido a que los datos estaban en mi computadora, dije, déjenme ver los efectos del envejecimiento”, ya que las edades de los gemelos en el estudio abarcaron décadas.
Hasta entonces, Horvath se había mantenido al margen de los datos epigenéticos en su propia investigación. La relación de los patrones de metilación con la expresión génica es confusa e indirecta, y parecía poco probable que mostrara una conexión muy útil con el envejecimiento. Pero ahora que tenía esta ganancia inesperada de datos epigenéticos a su disposición, no parecía malo mirar.
Horvath comenzó a hacer coincidir los patrones de metilación con las edades de los gemelos. En cualquier muestra de saliva, o cualquier muestra de cualquier tejido, no todas las células mostrarán el mismo patrón de metilación. Pero se puede medir la proporción de células que están metiladas en una citosina dada en el ADN. En una muestra, por ejemplo, el 40 % de las células podrían estar metiladas en una determinada posición; en otro, esa proporción puede ser del 45% o del 60%.
Para su sorpresa, Horvath encontró una fuerte correlación entre la edad y la proporción de células con metilación, incluso cuando observó un solo sitio en el ADN. Mirar más ubicaciones aumentó la precisión.
“Esto cambió todo para mí”, dijo. “Una vez que miré la señal del envejecimiento, me quedé boquiabierto”.
Horvath construyó un modelo que predijo la edad de una persona del estado de metilación de unas 300 citosinas en millones de células en una muestra de saliva. “Escupes en una taza y podemos medir tu edad”, dijo.
Pronto estuvo construyendo modelos de relojes epigenéticos para evaluar las edades biológicas de la sangre, el hígado, el cerebro y varios otros tejidos. Primero, midió las proporciones de células en cada muestra que mostraban metilación en sitios específicos. A partir de esos datos, creó perfiles de los tejidos que describían las proporciones de células metiladas en cada sitio.
Para construir un reloj, alimentó una computadora con miles de perfiles epigenéticos junto con la edad de cada tejido perfilado. A través del aprendizaje automático, la computadora vinculó las edades con los patrones de metilación. También redujo el número de sitios necesarios para predecir la edad. Luego, la computadora sopesó la importancia de la metilación de cada sitio en sus cálculos para crear la mejor fórmula predictiva para la edad, que Horvath probó en un conjunto separado de muestras de edades conocidas.
En dos años, había combinado sus relojes de envejecimiento de tejidos separados en una fórmula para un reloj de "pan-tissue", publicado en 2013. El reloj pan-tissue fue "el cambio de juego", dijo Daniel Belski, epidemiólogo de la Escuela de Salud Pública Columbia Mailman. La fórmula se aplica a todas y cada una de las células humanas que contienen ADN. Y cualquiera podría usarlo: Horvath puso el software en Internet. Al cargar sus propios datos de metilación, los biólogos pudieron averiguar cuánto tiempo había afectado a las células de sus muestras.
Cuantificación de la disminución
El reloj de tejido de pan de Horvath fue milagrosamente exacto en la predicción de la edad cronológica. También parecía reflejar importantes diferencias subyacentes entre la edad cronológica y biológica. Los investigadores descubrieron que cuando el reloj epigenético estimaba que la edad de alguien era mayor que su edad cronológica, la persona enfrentaba un mayor riesgo de enfermedad y muerte. Cuando el reloj estimó que alguien era más joven, su riesgo disminuyó. Aunque el reloj epigenético se derivó de datos de edad cronológica, su algoritmo predijo la mortalidad mejor que la edad.
Entonces, a fines de 2014, Horvath se dispuso a rastrear la edad biológica explícitamente. Él y sus colegas, incluidos morgan levine (investigador de patología en la Universidad de Yale que se unió recientemente a Altos Labs) y luigi ferrucci del Instituto Nacional sobre el Envejecimiento, entrenó un algoritmo en una medida compuesta que incluía la edad cronológica, así como los resultados de nueve pruebas químicas sanguíneas que predicen enfermedades y mortalidad. Los datos provinieron de la sangre de más de 9,900 adultos en la Encuesta Nacional de Examen de Salud y Nutrición. El reloj resultante, ADNm fenoedad, publicado en 2018, predijo la mortalidad general y el riesgo de enfermedad cardiovascular, enfermedad pulmonar, cáncer y diabetes, entre otros resultados. Un año después, Horvath y un equipo dirigido por Ake T. Lu de UCLA lanzaron un predictor aún más preciso del tiempo hasta la muerte, Edad sombríaxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
Una nueva herramienta de Belsky y sus colegas, presentada en 2020 y actualizada a principios de este año, actúa como un velocímetro envejecido. Al crear su Ritmo de envejecimiento biomarcador, cuantificaron la tasa de cambio en 19 marcadores de función de órganos a cuatro edades, los compilaron en un solo índice y lo modelaron con metilación. “En realidad, estamos cuantificando el proceso continuo de deterioro relacionado con la edad y la integridad del sistema”, dijo Belsky. Los que envejecen más rápido según esta medida mueren más jóvenes, dijo, y agregó que predice la mortalidad tan bien como GrimAge y puede pronosticar accidentes cerebrovasculares y demencia incluso mejor.
Pregunta antigua
En 2017, representantes de la Fundación de la Familia Paul G. Allen se acercaron a Horvath después de una de sus charlas. Les gustó su trabajo y le sugirieron que soñara en grande, porque la fundación apoya proyectos de alto riesgo. Encuentre un proyecto que nadie más financiaría, dijeron.
Horvath no tardó mucho en sugerir un reloj de envejecimiento que se aplicaría a todos los vertebrados. La propuesta fue aprobada, ya era bastante extravagante, pero cuando Horvath se dio cuenta de la magnitud de lo que implicaría, el plan se transformó en un reloj relativamente restringido para todos los mamíferos.
Para enero de 2021, Horvath tenía datos de metilación de 128 especies de mamíferos y publicó su reloj en el servidor de preimpresión biorxiv.org. “La misma fórmula matemática, las mismas citosinas para un ratón, una rata, un perro o un cerdo. Podemos medir el envejecimiento en todas estas especies”, dijo Horvath. Aún así, recorrió el mundo en busca de más.
A finales del verano del año pasado, Horvath se puso en contacto con Darren Pietersen, un experto en pangolines de la Fundación Tikki Hywood en Harare, Zimbabue, ofreciéndole suministros para recopilar datos de pangolines y varias otras especies. Nadie sabía con certeza cuánto tiempo viven los pangolines. Algunas cuentas oficiales dijeron de 15 a 20 años, pero Pietersen pensó que al menos algunos tipos viven más. “El único animal que envejecimos recientemente tenía unos 34 años (aunque con un margen de error bastante amplio)”, escribió.
A partir de los datos de tejido proporcionados, Horvath construyó un reloj de pangolín, un cronómetro más de vida para agregar a su colección. “Quieres un reloj de cerdo, tengo un reloj de cerdo. Tengo un reloj para canguros y elefantes”, dijo Horvath. Cada reloj específico de especie fue una bendición para los científicos en el campo. Los investigadores de elefantes, por ejemplo, querían el reloj de elefantes para poder determinar la estructura de edad de las poblaciones salvajes para ayudar en los esfuerzos de conservación.
Pero un reloj que los combine a todos puede ayudar a responder una pregunta más básica: ¿Qué es el envejecimiento? Una opinión es que su cuerpo envejece como sus zapatos, desvaneciéndose y deshaciéndose gradualmente con el uso. Pero las predicciones exitosas del reloj panmamífero implican que algo también hace que las células fallen en un cierto horario, tal vez debido a genes de desarrollo que no se apagan cuando terminan su trabajo. “Esto sugiere un elemento de determinismo en el envejecimiento”, dijo Raj, uno de los más de 100 constructores del reloj.
Los datos de los relojes de metilación sugieren que el envejecimiento comienza muy temprano, mucho antes de que el cuerpo se descomponga. en un papel 2021, Gladyshev y sus colegas describen un reloj de metilación que fecha las etapas del desarrollo de los mamíferos. Descubrieron que durante la embriogénesis temprana en ratones, una especie de rejuvenecimiento hace que la edad del embrión vuelva a cero. El envejecimiento biológico entonces avanza a buen ritmo, a pesar de que los niños humanos posiblemente se están volviendo más fuertes, no más débiles, durante este tiempo, y la mortalidad en los humanos disminuye hasta alrededor de los 9 años. “Eso es muy profundo para mí porque clava esta cuestión del envejecimiento en un proceso que es inseparable del proceso de desarrollo”, dijo Raj.
Dos estudios recientes de la rata topo desnuda, un roedor con una esperanza de vida increíblemente larga de 37 años, muestran que el animal envejece epigenéticamente, aunque sus posibilidades de morir no aumentan con la edad cronológica. “Creo que la tasa de mortalidad no es la mejor medida del envejecimiento”, dijo Gladyshev, quien dirigió uno de los estudios. “Envejecer es una consecuencia inevitable de estar vivo.”
El envejecimiento todavía refleja los efectos de la experiencia, el comportamiento y el medio ambiente, por supuesto. Fumar y la exposición al sol, por ejemplo, pueden acelerarlo, según lo medido por la metilación y otros marcadores, y el ejercicio o una dieta baja en calorías pueden detenerlo. En un trabajo publicado el pasado mes de marzo, un reloj epigenético adaptado a las marmotas mostró que la hibernación retrasa el envejecimiento, y un papel publicado la semana pasada mostró que lo mismo es cierto para los murciélagos. Un reloj hecho para macacos rhesus sugiere que en 2017 el huracán María aceleró el envejecimiento en una colonia de monos en una isla frente a la costa de Puerto Rico.
Pecado original
Nadie sabe del todo por qué funcionan los relojes. Se han identificado algunos, pero no todos, los genes y las vías moleculares involucradas, y los investigadores todavía están aprendiendo cómo los patrones de metilación afectan el comportamiento y la salud de las células, tejidos y órganos. “Se trata de lo que yo llamo 'el pecado original de la construcción'”, dijo Horvath. “Se basa en un modelo de regresión [estadístico] que, en algún nivel, es independiente de la biología”.
Para expiar este pecado, Raj y Horvath han comenzado a buscar correlatos biológicos para el envejecimiento epigenético. Las perturbaciones de las vías bioquímicas que utiliza el cuerpo para detectar su necesidad de nutrientes retardan el envejecimiento, descubrieron recientemente, de acuerdo con los efectos de las dietas restringidas en calorías sobre el envejecimiento. Descarrilar el funcionamiento de las mitocondrias lo acelera. El reloj también rastrea la maduración de las células madre. Si estos procesos están conectados a un nivel más profundo, los relojes epigenéticos pueden revelar mecanismos unificadores para el envejecimiento, escribieron los autores en un artículo de 2022. papel en Envejecimiento de la naturaleza.
Sin embargo, aún no se ha determinado por completo cuáles podrían ser esos mecanismos unificadores o por qué el estado de metilación rastrea tan bien el envejecimiento. “Realmente no sabemos si los relojes epigenéticos tienen una relación causal con el envejecimiento”, dijo Hägg.
Incluso si lo son, es casi seguro que los relojes epigenéticos miden solo una parte de lo que ocurre durante el envejecimiento, dijo matt kaeberlein, investigador de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington en Seattle que estudia la biología del envejecimiento. "No está claro si realmente están midiendo más de una sola dimensión de la edad biológica", dijo. “Esto es parte del problema aquí: la combinación de la edad epigenética con la edad biológica. Esos no son equivalentes en mi opinión”.
Raj especula que los cambios de metilación reflejan una pérdida de identidad celular con la edad. Todas las células del cuerpo tienen el mismo ADN, por lo que lo que hace que una célula hepática sea una célula hepática y una célula cardíaca una célula cardíaca es el patrón de expresión génica, que controla la epigenética. A medida que los cambios en la metilación se acumulan con la edad, algunos de esos controles podrían perderse y ser reemplazados por programas de desarrollo reemergentes que deberían desactivarse, sugiere Raj.
Aunque los relojes de metilación pueden ser los monitores más precisos de la edad biológica por ahora, algunos estudios sugieren Hay posibilidad de mejora. Un predictor más preciso podría combinar propiedades celulares cuantificables, por ejemplo, niveles de expresión de proteínas, metabolitos o genes, con señales fisiológicas y un índice de fragilidad. “Podemos medir tantas cosas en un ser humano ahora”, dijo Hägg. “Mientras más de estas cosas cuantifique, con mayor precisión capturará su envejecimiento”.
Los relojes de metilación también tienen usos clínicos limitados, advirtió Hägg. Las personas pueden comprar una lectura de su edad biológica de varias fuentes comerciales, pero los resultados no solo son a menudo inconsistentes, sino que carecen de relevancia clínica porque los relojes estaban destinados a análisis a nivel de grupo en la investigación. “No están diseñados para ser predictivos a nivel individual”, dijo.
E incluso si alguien cambia su estilo de vida de una manera que reduzca su edad biológica según lo medido por estos relojes, ¿tendrá una vida más larga o un menor riesgo de enfermedad? “No sabemos eso todavía”, dijo Kaeberlein.
Horvath ahora está preparando un artículo sobre su reloj panmamífero para enviarlo a una revista. Aunque aparentemente ha alcanzado su objetivo, las lagunas en su colección todavía lo molestan. En mayo, mantuvo correspondencia con curadores senior de un museo en Australia sobre la adquisición de tejido de topos marsupiales, una criatura pequeña, en gran parte ciega, que pasa la mayor parte del tiempo bajo tierra. “Ya generamos datos de 348 especies de mamíferos, pero nos gustaría agregar más”, dijo.
Cuando Horvath propuso este proyecto, se dispuso a analizar 30 especies, pero 30 pronto se convirtieron en 50, luego en 100 y luego en más del triple. “Necesito controlar mi ritmo”, dijo, “porque tengo este impulso de recolectar más”.
