Seekord aasta tagasi, Steve Horváth otsis pangoliini DNA-d. Iidne ketendav sipelgakann oleks tema kollektsioonis esimene, kus oli siis umbes 200 imetajat. "Mul ei olnud midagi sellist, mistõttu ma tahtsin neid meeleheitlikult," meenutas ta.
Alates 2017. aasta suvest on Horvath, kes kuni viimase ajani oli an vananemisvastane teadlane California ülikoolis Los Angeleses on kulutanud kuni 10 tundi päevas loomaaedadele, muuseumidele, akvaariumitele ja laboritele e-kirjade saatmisele. Ta on osalenud nahkhiirte ja Tasmaania kuraditega peetud kõnelustel, et kohtuda nende hoidjatega. Ta on sirutanud käe maailma kaugematesse nurkadesse, kerjades lendrebaste, lehtpärdude, minisigade ja vöörvaalade DNA-d.
Selle tohutu proovide haldaja abil on ta ehitanud arvutuslikke kellasid, mis suudavad arvutada nii erinevate olendite vanuse nagu vitsad, koaalad, sebrad, sead ja "kõik vaalad, mida saate nimetada", ütles ta lihtsalt nende DNA-d vaadates. Kuid need olid vaid sammud Horvathi ambitsioonika projekti lõpuleviimise poole: universaalne kell, mis suudab mõõta iga imetaja bioloogilist vanust.
Vanuse mõõtmine ei pruugi tunduda raskem kui lähima kella või kalendri kasutamine. Kuid kronoloogiline vanus on ebatäiuslik mõõdik, kuna mõned isikud ja kuded näitavad vanuse mõju kiiremini kui teised. Teadlased on aastakümneid otsinud objektiivset ja mitmekülgset viisi bioloogilise vananemise, tervislike funktsioonide aja jooksul toimuvate muutuste mõõtmiseks. "Te soovite omada biomarkerit, mis mõõdab täpselt paljude erinevate kudede ja rakutüüpide vanust," ütles Horvath, kes lahkus sel aastal UCLA-st, et saada rakkude noorendamise nimel tegutseva biotehnoloogia idufirma Altos Labsi juhtivteadlaseks.
Horvath ja tema kolleegid valmisid selle aasta alguses imetajate kella versiooni. Nüüd loodavad ta ja teised teadlased tuvastada erinevatele olenditele ühised molekulaarsed protsessid, mis muudavad sellise kella võimalikuks. Arusaamine, miks sellised kellad nagu see töötab, usub Horvath, et see võib aidata meid viia selleni, mida ta nimetab "vananemise tõeliseks algpõhjuseks".
Tema kellad põhinevad keemiliste märgiste analüüsil, mida nimetatakse metüülrühmadeks, mis ripuvad DNA küljes nagu amuletid käevõru küljes ja aitavad kontrollida geenide aktiivsust. Need on epigeneetika (sõna otseses mõttes "geneetika kohal") tooted, valdkond, mis uurib pärilikku teavet, mis pole geneetilises koodis kirjas. Tosin aastat tagasi hakkasid Horvath ja ta kolleegid rakendama oma oskusteavet kellade ehitamisel, et kõigepealt hinnata süljest pärineva DNA vanust ning hiljem määrata vere, maksa ja teiste üksikute kudede vanust.
Paljud bioloogid olid alguses skeptilised, sest kellad põhinesid pigem statistikal kui biomolekulaarsete mehhanismide mõistmisel. Ometi pidas kellade täpsus katsetele vastu ja saatis biomeditsiini kogukonnas lainetust. Teadlased hakkasid oma uurimistöös kasutama rakkude vananemise mõõtmiseks Horvathi kellasid, kuna kellad olid kronoloogilisest vanusest paremad keha seisundi ja haigestumise riski määrajad. "Epigeneetilised kellad on tegelikule vananemisprotsessile lähemal kui ükski teine biomarker," ütles Vadim Gladõšev, Brighami ja naistehaigla ning Harvardi meditsiinikooli biokeemik, kes uurib vähki ja vananemist. Nüüd sunnivad kellad mõningaid teadlasi ümber mõtlema oma ideed vananemise ja selle seose kohta haigustega.
"Mul on nüüd kaastöötajad, kes tegelevad palju rinnavähiga ja [hakkavad] mõtlema:" Kui teil on kaugelearenenud bioloogiline vananemine, kas see on ka rinnavähi puhul informatiivne? Sara Hägg, molekulaarne epidemioloog Karolinska Instituudis Stockholmis, Rootsis. Kui kellad võivad kasulikult valgustada, kuidas peatada vananemisprotsess, mis käivitaks vanusega seotud häired, lisas ta: "Me ei saa ära hoida ainult ühte haigust, vaid paljusid."
Signaali nägemine
Bioloogiateadlased arvasid viimastel aastakümnetel ikka ja jälle, et vananemise kell on käeulatuses. Näiteks said nad 1960. aastate alguses teada, et kultuuris kasvavad rakud ei ole surematud, vaid surevad pärast 40–60 replikatsiooniringi, mis viitas sellele, et rakkudes on omamoodi vananemiskell. 1982. aastal arvasid teadlased, et nad võisid leida kella mehhanismi, kui eraldasid kromosoomide otstest telomeerid ehk DNA-valgu kompleksid, mis lühenevad iga kord, kui rakk jaguneb; kui telomeerid muutuvad kriitiliselt lühikeseks, rakud surevad.
Kuid telomeerid ei tundunud vananeva kellana. Telomeeride pikkuse korrelatsioon vanuse ja suremusega on inimestel nõrk ja mõnel teisel liigil puudub. "Telomeeri [pikkus] ei jälgi tegelikult vanust. See lihtsalt jälgib rakkude proliferatsiooni, ”ütles Ken Raj, Altos Labsi juhtivteadur.
Alternatiivina telomeeri pikkusele hakkas Horvath 2009. aastal töötama kella kallal, mis põhines raku aktiivsete geenide RNA transkriptidel, mis on rakku määratlevate ja tal funktsioneerimist võimaldavate valkude mallid. Järgmise kahe aasta jooksul püüdis ta seda lähenemist tööle panna, kuid tulutult: transkriptsiooniandmed olid lihtsalt liiga mürarikkad.
Kuid 2010. aastal vastas Horvath UCLA kolleegi abipalvele. Seksuaalse sättumuse ja epigeneetika vaheliste võimalike seoste uurimiseks kogus teadlane sülge identsetelt kaksikutelt, kes erinesid seksuaalse sättumuse poolest, hüpoteesiga, et nende süljerakkude DNA võib paljastada mõningaid järjepidevaid erinevusi metülatsioonimustrites. Horváthi kaksikvend on gei; Horváth on heteroseksuaalne. Nad varustasid oma sülitamist.
Uuringu analüüsis vaadeldi DNA kohti, kus asuvad tsütosiini alused, ja kontrolliti, millised neist olid metüülitud. (Tsütosiinid on ainsad alused, mille külge metüülrühmad kinnituvad.) Hiljuti kasutusele võetud labor-on-achi tehnoloogia tegi lihtsaks kümnete tuhandete tsütosiini saitide testimise iga raku DNA-s. Kui kolleeg vajas andmete analüüsimiseks statistikut, pakkus Horvath oma teenuseid vabatahtlikult.
Ta ei leidnud seda, mida nad otsisid. "Pole olnud mingit signaali homoseksuaalsuse kohta," ütles Horvath. "Aga kuna andmed olid mu arvutis, ütlesin, et las ma vaatan vananemismõjusid," kuna uuringus osalenud kaksikute vanused ulatusid aastakümnetesse.
Kuni selle ajani oli Horvath oma uurimistöös hoidunud epigeneetilistest andmetest. Metülatsioonimustrite seos geeniekspressiooniga on räpane ja kaudne ning näis ebatõenäoline, et sellel oleks palju kasulikku seost vananemisega. Kuid nüüd, kui tema käsutuses oli epigeneetiliste andmete hulk, ei paistnud otsimisest kahju.
Horvath hakkas metülatsioonimustreid sobitama kaksikute vanusega. Ühes süljeproovis - või mis tahes koest võetud proovis - ei näita kõik rakud sama metüülimismustrit. Kuid antud tsütosiini juures metüülitud rakkude osakaalu DNA-s saab mõõta. Näiteks ühes proovis võib 40% rakkudest olla teatud positsioonis metüülitud; teises kohas võib see osakaal olla 45% või 60%.
Oma üllatuseks leidis Horvath tugeva korrelatsiooni vanuse ja metüülitud rakkude osakaalu vahel, isegi kui ta vaatas ainult ühte DNA kohta. Rohkemate asukohtade vaatamine suurendas täpsust.
"See muutis minu jaoks kõike," ütles ta. "Kui vaatasin vananemissignaali, pani see mind minema."
Horváth ehitas mudeli, mis ennustas inimese vanust umbes 300 tsütosiini metüülimise staatusest miljonite rakkude vahel süljeproovis. "Sülitate tassi ja me saame teie vanust mõõta," ütles ta.
Peagi ehitas ta epigeneetilisi kellamudeleid vere, maksa, aju ja mitmesuguste muude kudede bioloogilise vanuse hindamiseks. Esiteks mõõtis ta rakkude proportsioonid igas proovis, mis näitasid metüülimist konkreetsetes kohtades. Nende andmete põhjal lõi ta kudede profiilid, mis kirjeldasid igas kohas metüleeritud rakkude proportsioone.
Kella ehitamiseks andis ta arvutile tuhandeid epigeneetilisi profiile koos iga profileeritud koe vanusega. Masinõppe kaudu sidus arvuti vanused metüülimismustritega. Samuti vähendas see vanuse ennustamiseks vajalike saitide arvu. Seejärel kaalus arvuti oma arvutustes iga saidi metüülimise olulisust, et luua parim vanuse ennustav valem, mida Horvath testis teadaoleva vanusega proovide eraldi komplektiga.
Kahe aasta jooksul oli ta ühendanud nende eraldiseisvad kudede vananemise kellad üheks valemiks "pannkoe" kell, avaldati 2013. aastal. Pan-koekell oli "mängu muutja", ütles Daniel Belsky, Columbia Mailmani rahvatervise kooli epidemioloog. Valem, mida kohaldatakse kõigi DNA-d sisaldavate inimrakkude suhtes. Ja igaüks võis seda kasutada – Horváth pani tarkvara internetti. Oma metülatsiooniandmeid üles laadides said bioloogid teada, kui palju aega kulus nende proovide rakkudele.
Kvantifitseeriv langus
Horvathi pannkoekell oli kronoloogilise vanuse ennustamisel imeliselt täpne. Samuti näis see peegeldavat olulisi erinevusi kronoloogilise ja bioloogilise vanuse vahel. Teadlased avastasid, et kui epigeneetiline kell hindas, et kellegi vanus oli suurem kui tema kronoloogiline vanus, oli inimesel suurem risk haigestuda ja surra. Kui kell hindas, et keegi on noorem, langes nende risk. Kuigi epigeneetiline kell tuletati kronoloogilistest vanuseandmetest, ennustas selle algoritm suremust paremini kui vanus.
Nii otsustas Horvath 2014. aasta lõpus selgelt bioloogilist vanust jälgida. Tema ja ta kolleegid, sealhulgas Morgan Levine (Yale'i ülikooli patoloogiateadlane, kes hiljuti liitus Altos Labsiga) ja Luigi Ferrucci Riiklikus Vananemisinstituudis töötati välja algoritmi liitmõõtmiseks, mis hõlmas kronoloogilist vanust ja üheksa verekeemia testi tulemusi, mis ennustavad haigusi ja suremust. Andmed pärinesid riikliku tervise- ja toitumisuuringu uuringus osalenud enam kui 9,900 täiskasvanu verest. Saadud kell, DNAm PhenoAge2018. aastal avaldatud uuringus prognoositi muu hulgas üldist suremust ja südame-veresoonkonna haiguste, kopsuhaiguste, vähi ja diabeedi riski. Aasta hiljem avaldasid Horvath ja UCLA-st Ake T. Lu juhitud meeskond veelgi täpsema surmani kuluva aja ennustaja. Sünge ajastu, milles vaadeldi inimese sugu, kronoloogilist vanust, suitsetamislugu ja verevalkude suremuse markereid.
Belsky ja tema kolleegide uus tööriist, mida tutvustati 2020. aastal ja mida uuendati selle aasta alguses, toimib vananeva spidomeetrina. Nende loomisel Vananemise tempo biomarker, kvantifitseerisid nad 19 elundifunktsiooni markeri muutuse kiiruse neljas vanuses, koostasid need üheks indeksiks ja modelleerisid selle metüleerimisega. "Me tegelikult kvantifitseerime käimasoleva vanusega seotud languse ja süsteemi terviklikkuse protsessi, " ütles Belsky. Need, kes selle näitaja järgi vananevad kiiremini, surevad nooremalt, ütles ta ja lisas, et see ennustab suremust sama hästi kui GrimAge'i ja võib ennustada veelgi paremini insulti ja dementsust.
Vanaaegne küsimus
2017. aastal pöördusid Paul G. Alleni perekonnafondi esindajad pärast üht tema kõnet Horvathi poole. Neile meeldis tema töö ja nad soovitasid tal suurelt unistada, sest sihtasutus toetab kõrge riskiga ettevõtmisi. Leidke projekt, mida keegi teine ei rahastaks, ütlesid nad.
Horvathil ei kulunud kaua aega, et soovitada vananevat kella, mis kehtiks kõikide selgroogsete kohta. Ettepanek läks läbi – see oli piisavalt veider –, kuid kui Horvath mõistis, kui palju see endaga kaasa toob, muutus plaan suhteliselt vaoshoitud kellaks kõikide imetajate jaoks.
2021. aasta jaanuariks olid Horvathil metüülimise andmed 128 imetajaliigi kohta ja ta postitas oma kella eeltrükiserveris biorxiv.org. “Sama matemaatikavalem, samad tsütosiinid hiirele või rotile või koerale või seale. Me saame mõõta vananemist kõigis nendes liikides, ”ütles Horvath. Sellegipoolest uuris ta maakera rohkem.
Eelmise aasta hilissuvel oli Horvath ühenduses Pangoliini eksperdi Darren Pieterseniga Tikki Hywoodi sihtasutus Zimbabwes Harares, pakkudes talle varustust pangoliinide ja mitmete teiste liikide kohta andmete kogumiseks. Keegi ei teadnud isegi kindlalt, kui kaua pangoliinid elavad. Mõned ametlikud andmed ütlesid 15–20 aastat, kuid Pietersen arvas, et vähemalt mõned tüübid elavad kauem. "Üks loom, keda me hiljuti vanandasime, oli umbes 34-aastane (kuigi üsna suure veamarginaaliga), " kirjutas ta.
Esitatud koeandmete põhjal ehitas Horvath pangoliinikella, veel ühe eluea taimeri, mille oma kollektsiooni lisada. “Sina tahad seakella, mul on seakell. Mul on kell kängurude ja elevantide jaoks," rääkis Horvath. Iga liigispetsiifiline kell oli selle valdkonna teadlastele õnnistuseks. Näiteks elevandiuurijad soovisid elevandikella, et nad saaksid kindlaks teha looduslike populatsioonide vanuselise struktuuri, et aidata kaasa kaitsealastele jõupingutustele.
Kuid neid kõiki ühendav kell võib aidata vastata põhilisemale küsimusele: mis on vananemine? Üks seisukoht on, et teie keha vananeb nagu teie kingad, tuhmudes järk-järgult ja lagunedes kulumisest. Kuid imetajate kella edukad ennustused viitavad sellele, et miski põhjustab ka rakkude ebaõnnestumist teatud ajakava järgi, võib-olla arengugeenide tõttu, mis ei lülitu välja, kui nende töö on tehtud. "See viitab determinismile vananemises," ütles Raj, üks kella enam kui 100 ehitajast.
Metülatsioonikellade andmed näitavad, et vananemine algab väga varakult, ammu enne keha lagunemist. Sees 2021 paberGladyshev ja tema kolleegid kirjeldavad metüülimiskella, mis dateerib imetajate arenguetappe. Nad leidsid, et hiirte varase embrüogeneesi ajal viib teatud tüüpi noorendamine embrüo vanuse nullini. Bioloogiline vananemine edeneb siis kiiresti, kuigi inimlapsed muutuvad sel ajal väidetavalt tugevamaks, mitte nõrgemaks, ja inimeste suremus langeb umbes 9. eluaastani. "See on minu jaoks väga sügav, sest see naelutab selle vananemise küsimuse protsessiga, mis on arenguprotsessist lahutamatu," ütles Raj.
Kaks hiljutist uuringut alasti mutirottiga, ebatõenäoliselt pika, 37-aastase elueaga närilisega, näitavad, et loom vananeb epigeneetiliselt, kuigi tema suremisvõimalused kronoloogilise vanusega ei suurene. "Ma arvan, et suremus ei ole parim vananemise näitaja," ütles Gladõšev üks uuringutest. "Vananemine on elusolemise vältimatu tagajärg."
Vananemine peegeldab muidugi ikkagi kogemuse, käitumise ja keskkonna mõjusid. Näiteks suitsetamine ja päikese käes viibimine võivad seda kiirendada, mõõdetuna metülatsiooni ja muude markerite järgi, ning treening või madala kalorsusega dieet võivad selle peatada. Eelmise aasta märtsis avaldatud töös epigeneetiline kell kohandatud marmottidele näitas, et talveunne aeglustab vananemist ja paber eelmisel nädalal avaldatud näitas, et sama kehtib ka nahkhiirte kohta. Kell valmistatud reesusmakaakide jaoks viitab sellele, et 2017. aastal kiirendas orkaan Maria vananemist Puerto Rico ranniku lähedal asuval saarel asuvas ahvide koloonias.
Original Sin
Keegi ei tea täielikult, miks kellad töötavad. Mõned, kuid mitte kõik kaasatud geenid ja molekulaarsed rajad on tuvastatud ning teadlased õpivad endiselt, kuidas metüülimismustrid mõjutavad rakkude, kudede ja elundite käitumist ja tervist. "See tuleb tagasi selle juurde, mida ma nimetan "ehituse algpatuks"," ütles Horvath. "See põhineb [statistilisel] regressioonimudelil, mis on mingil tasemel bioloogia suhtes agnostiline."
Selle patu lunastamiseks on Raj ja Horvath hakanud otsima bioloogilisi korrelatsioone epigeneetilise vananemise kohta. Hiljuti avastasid nad, et biokeemiliste radade häired, mida keha kasutab toitainete vajaduse tajumiseks, aeglustavad vananemist, avastasid nad hiljuti kooskõlas kaloripiiranguga dieedi mõjuga vananemisele. Mitokondrite töö rööbastelt mahajätmine kiirendab seda. Kell jälgib ka tüvirakkude küpsemist. Kui need protsessid on ühendatud sügavamal tasemel, võivad epigeneetilised kellad paljastada vananemist ühendavad mehhanismid, kirjutasid autorid 2022. paber sisse Looduse vananemine.
Mis need ühendavad mehhanismid võiksid olla või miks metüülimise olek vananemist nii hästi jälgib, pole veel täielikult kindlaks määratud. "Me ei tea tegelikult, kas epigeneetilised kellad on põhjuslikult seotud vananemisega," ütles Hägg.
Isegi kui nad on, mõõdavad epigeneetilised kellad peaaegu kindlasti ainult osa sellest, mis toimub vananemise ajal. Matt Kaeberlein, Seattle'i Washingtoni ülikooli meditsiinikooli teadlane, kes uurib vananemise bioloogiat. "Kas nad tegelikult mõõdavad rohkem kui ühte bioloogilise vanuse dimensiooni, pole selge," ütles ta. "See on osa probleemist - epigeneetilise vanuse ja bioloogilise vanuse segamine. Need ei ole minu arvates samaväärsed."
Raj oletab, et metüülimise muutused peegeldavad rakulise identiteedi kadumist vanusega. Kõigil keharakkudel on sama DNA, nii et see, mis teeb maksarakust maksaraku ja südamerakust südameraku, on geeniekspressiooni muster, mida epigeneetika kontrollib. Kuna metüülimise muutused vanusega kuhjuvad, võivad mõned neist kontrollidest kaduda ja asendada uuesti esilekerkivate arendusprogrammidega, mis tuleks välja lülitada, soovitab Raj.
Kuigi metüülimiskellad võivad praegu olla kõige täpsemad bioloogilise vanuse jälgijad, mõned uuringud viitavad arenguruumi on. Täpsem ennustaja võib kombineerida kvantifitseeritavaid rakulisi omadusi - näiteks valkude, metaboliitide või geeniekspressiooni tasemeid - füsioloogiliste signaalide ja nõrkuse indeksiga. "Me saame praegu inimeses mõõta nii palju asju," ütles Hägg. "Mida rohkem neid asju kvantifitseerite, seda täpsemalt jäädvustate oma vananemist."
Metüülimiskelladel on ka piiratud kliiniline kasutus, hoiatas Hägg. Inimesed saavad osta oma bioloogilise vanuse näitu erinevatest kaubanduslikest allikatest, kuid tulemused ei ole mitte ainult sageli vastuolulised, vaid neil puudub kliiniline tähtsus, kuna kellad olid mõeldud uuringute rühma tasemel analüüsimiseks. "Need ei ole loodud üksikisiku tasandil ennustama," ütles ta.
Ja isegi kui keegi muudab oma elustiili viisil, mis alandab nende kellade järgi tema bioloogilist vanust, kas neil on pikem eluiga või väiksem risk haigestuda? "Me ei tea seda veel," ütles Kaeberlein.
Horvath valmistab nüüd ette artiklit oma imetajate kella kohta, et see ajakirjale saata. Kuigi näiliselt on ta oma eesmärgi saavutanud, närivad lüngad tema kollektsioonis teda endiselt. Mais pidas ta Austraalia muuseumi vanemkuraatoritega kirjavahetust, et omandada kudesid marsupial muttidelt, väikeselt, suuresti pimedalt olendilt, kes veedab suurema osa ajast maa all. "Oleme juba loonud andmeid 348 imetajaliigi kohta, kuid tahaksime lisada veel," ütles ta.
Kui Horvath selle projekti välja pakkus, otsustas ta analüüsida 30 liiki, kuid peagi sai 30 liigist 50, seejärel 100 ja siis enam kui kolm korda suurem. "Ma pean tempot tegema," ütles ta, "sest mul on impulss rohkem koguda."
