Tällä kertaa vuosi sitten, Steve Horváth etsi pangoliinin DNA:ta. Muinainen hilseilevä muurahaissirkka olisi ensimmäinen hänen kokoelmaansa, joka oli tuolloin noin 200 nisäkkäästä vahva. "Minulla ei ollut tällaista järjestystä, minkä vuoksi halusin niitä kipeästi", hän muistelee.
Kesästä 2017 lähtien Horvath, joka viime aikoihin asti oli ikääntymisen vastainen tutkija Kalifornian yliopistossa Los Angelesissa on viettänyt jopa 10 tuntia päivässä sähköpostien lähettämiseen eläintarhoihin, museoihin, akvaarioihin ja laboratorioihin. Hän on osallistunut lepakoista ja tasmanialaisista paholaisista käytyihin keskusteluihin tavatakseen niiden pitäjiä. Hän on ojentanut kätensä maailman syrjäisiin kolkoihin kerjääen lentävien kettujen, vervet-apinoiden, minisikojen ja keulavalaiden DNA:ta.
Tuon laajan näytteiden joukon avulla hän on rakentanut laskennallisia kelloja, jotka voivat laskea niinkin erilaisten olentojen iän kuin räkät, koalat, seeprat, siat ja "jokainen valas, jonka voitte nimetä", hän sanoi katsomalla heidän DNA:taan. Mutta ne olivat vain askeleita kohti Horvathin kunnianhimoisen hankkeen loppuun saattamista: universaali kello, joka voisi mitata minkä tahansa nisäkkään biologisen iän.
Iän mittaaminen ei ehkä ole vaikeampaa kuin lähimmän kellon tai kalenterin käyttäminen. Mutta kronologinen ikä on epätäydellinen mittari, koska jotkut yksilöt ja kudokset osoittavat iän vaikutukset nopeammin kuin toiset. Tiedemiehet ovat vuosikymmenten ajan etsineet objektiivista ja monipuolista tapaa mitata biologista ikääntymistä, terveen toiminnan muutoksia ajan myötä. "Haluat saada biomarkkerin, joka mittaa tarkasti iän monissa eri kudoksissa ja solutyypeissä", sanoi Horvath, joka jätti UCLA:n tänä vuonna tullakseen päätutkijaksi Altos Labsiin, bioteknologian startup-yritykseen, joka työskentelee solujen nuorentamiseksi.
Horvath ja hänen kollegansa saivat valmiiksi version pannisäkäskellosta aiemmin tänä vuonna. Nyt hän ja muut tutkijat toivovat voivansa tunnistaa erilaisille olennoille yhteiset molekyyliprosessit, jotka mahdollistavat tällaisen kellon. Horvathin mielestä tämän kaltaisten kellojen toimivuuden ymmärtäminen voisi auttaa meitä johtamaan siihen, mitä hän kutsuu "ikääntymisen todelliseksi syyksi".
Hänen kellonsa perustuvat analyyseihin kemiallisista tunnisteista, joita kutsutaan metyyliryhmiksi, jotka roikkuvat DNA:ssa kuin rannekorussa olevat hurmaa ja auttavat hallitsemaan geenien toimintaa. Ne ovat epigenetiikan (kirjaimellisesti "genetiikan yläpuolella") tuotteita, alan, joka tutkii perinnöllistä tietoa, jota ei ole kirjoitettu geneettiseen koodiin. Kymmenen vuotta sitten Horvath ja hänen kollegansa alkoivat soveltaa taitotietoaan kellojen rakentamiseen, ensin arvioidakseen syljen DNA:n ikää ja myöhemmin määrittääkseen veren, maksan ja muiden yksittäisten kudosten iän.
Monet biologit olivat aluksi skeptisiä, koska kellot perustuivat pikemminkin tilastoihin kuin biomolekyylimekanismien ymmärtämiseen. Silti kellojen tarkkuus kesti testejä ja lähetti värähtelyjä biolääketieteen yhteisössä. Tutkijat alkoivat käyttää Horvath-kelloja tutkimuksessaan solujen ikääntymisen mittaamiseen, koska kellot olivat kronologista ikää paremmin arvioivat kehon tilaa ja sairastumisriskiä. "Epigeneettiset kellot ovat lähempänä todellista ikääntymisprosessia kuin mikään muu biomarkkeri", sanoi Vadim Gladyshev, biokemisti Brigham and Women's Hospitalissa ja Harvard Medical Schoolissa, joka tutkii syöpää ja ikääntymistä. Nyt kellot saavat jotkut tutkijat pohtimaan uudelleen ajatuksiaan siitä, mitä ikääntyminen on, sekä sen yhteyttä sairauksiin.
"Minulla on nyt yhteistyökumppaneita, jotka työskentelevät paljon rintasyövän parissa ja [ovat] alkaneet pohtia: "Jos sinulla on pitkälle edennyt biologinen ikääntyminen, onko se myös informatiivista rintasyövän kannalta?" Sara Hägg, molekyyliepidemiologi Karolinska-instituutissa Tukholmassa, Ruotsissa. Jos kellot voivat hyödyllisesti valaista, kuinka ikääntymisprosessia voidaan estää laukaisemasta ikään liittyviä häiriöitä, hän lisäsi: "Voimme estää vain yhden sairauden vaan monia."
Signaalin näkeminen
Kerta toisensa jälkeen viime vuosikymmeninä biologiset tutkijat ajattelivat, että ikääntymisen kello oli ulottuvilla. He esimerkiksi oppivat 1960-luvun alussa, että viljelmässä kasvavat solut eivät ole kuolemattomia, vaan kuolevat vain 40-60 replikaatiokierroksen jälkeen, mikä viittaa siihen, että soluissa on eräänlainen ikääntymiskello. Vuonna 1982 tutkijat luulivat löytäneensä kellon mekanismin, kun he eristivät telomeerejä, DNA-proteiinikomplekseja kromosomien päistä, jotka lyhenevät joka kerta, kun solu jakautuu; kun telomeerit lyhenevät kriittisesti, solut kuolevat.
Mutta telomeerit eivät näyttäneet ikääntyvänä kellona. Telomeerien pituuden korrelaatio iän ja kuolleisuuden kanssa on heikko ihmisillä ja olematon joissakin muissa lajeissa. "Telomeeri [pituus] ei itse asiassa seuraa ikää. Se vain seuraa solujen lisääntymistä", sanoi Ken Raj, Altos Labsin päätutkija.
Vaihtoehtona telomeerien pituudelle Horvath aloitti vuonna 2009 työskentelyn kellon parissa, joka perustuu solun aktiivisten geenien RNA-transkripteihin, mallien proteiineille, jotka määrittävät solun ja antavat sen toimia. Seuraavien kahden vuoden ajan hän yritti saada tämän lähestymistavan toimimaan, mutta turhaan: transkriptiotiedot olivat aivan liian meluisia.
Mutta vuonna 2010 Horvath vastasi UCLA:n kollegansa avunpyyntöön. Tutkiakseen mahdollisia yhteyksiä seksuaalisen suuntautumisen ja epigenetiikan välillä tutkija keräsi sylkeä identtisiltä kaksosilta, jotka erosivat seksuaalisesta suuntautumisestaan hypoteesilla, että heidän sylkisolujensa DNA saattaa paljastaa joitain johdonmukaisia eroja metylaatiomalleissa. Horváthin kaksoisveli on homo; Horváth on hetero. He toimittivat sylkensä.
Tutkimuksen analyysissä tarkasteltiin DNA:n kohtia, joissa sytosiiniemäkset sijaitsevat, ja tarkistettiin, mitkä niistä olivat metyloituneita. (Sytosiinit ovat ainoat emäkset, joihin metyyliryhmät kiinnittyvät.) Äskettäin käyttöön otettu lab-on-a chip -tekniikka helpotti kymmenien tuhansien sytosiinikohtien testaamista jokaisen solun DNA:ssa. Kun kollega tarvitsi tilastotieteilijää analysoimaan tietoja, Horvath tarjoutui palvelukseensa.
Hän ei löytänyt sitä, mitä he etsivät. "Ei ollut minkäänlaista signaalia homoseksuaalisuudesta", Horvath sanoi. "Mutta koska tiedot olivat tietokoneellani, sanoin, että anna minun tarkastella ikääntymisen vaikutuksia", koska tutkimuksessa olevien kaksosten iät ulottuivat vuosikymmeniä.
Siihen asti Horvath oli vältellyt epigeneettisiä tietoja omassa tutkimuksessaan. Metylaatiomallien suhde geenien ilmentymiseen on sotkuinen ja epäsuora, ja se oli epätodennäköistä, että se osoittaisi paljon hyödyllistä yhteyttä ikääntymiseen. Mutta nyt, kun hänellä oli käytössään tämä satunnainen epigeneettinen data, ei näyttänyt olevan haittaa katsoa.
Horvath alkoi sovittaa metylaatiomallit kaksosten ikään. Missä tahansa sylkinäytteessä - tai missä tahansa näytteessä mistä tahansa kudoksesta - kaikki solut eivät näytä samaa metylaatiomallia. Mutta niiden solujen osuus, jotka metyloituvat tietyssä sytosiinissa DNA:ssa, voidaan mitata. Yhdessä näytteessä esimerkiksi 40 % soluista saattaa olla metyloituneita tietyssä kohdassa; toisessa tapauksessa tämä osuus voi olla 45 % tai 60 %.
Yllätyksekseen Horvath havaitsi vahvan korrelaation iän ja metyloituneiden solujen osuuden välillä, vaikka hän katsoi vain yhtä kohtaa DNA:ssa. Useampien paikkojen katsominen paransi tarkkuutta.
"Tämä muutti kaiken minulle", hän sanoi. "Kun katsoin ikääntymisen merkkiä, se tyrmäsi minut."
Horváth rakensi mallin ennustanut henkilön iän noin 300 sytosiinin metylaatiosta miljoonissa soluissa sylkinäytteessä. "Syljet kuppiin, niin voimme mitata ikäsi", hän sanoi.
Pian hän rakensi epigeneettisiä kellomalleja veren, maksan, aivojen ja useiden muiden kudosten biologisen iän arvioimiseksi. Ensin hän mittasi kussakin näytteessä olevien solujen suhteet, jotka osoittivat metylaatiota tietyissä kohdissa. Näistä tiedoista hän loi kudosprofiilit, jotka kuvasivat kussakin paikassa metyloituneiden solujen osuuksia.
Kellon rakentamiseksi hän syötti tietokoneelle tuhansia epigeneettisiä profiileja sekä kunkin profiloidun kudoksen ikää. Koneoppimisen avulla tietokone yhdisti iän metylaatiomalleihin. Se myös kavensi iän ennustamiseen tarvittavien sivustojen määrää. Tämän jälkeen tietokone painotti kunkin paikan metylaation merkitystä laskelmissaan parhaan iän ennustavan kaavan luomiseksi, jonka Horvath testasi erillisillä näytteillä tunnetuista iästä.
Kahden vuoden sisällä hän oli yhdistänyt heidän erilliset kudosten ikääntymiskellonsa yhdeksi kaavaksi "pan-kudos" kello, julkaistiin vuonna 2013. Pan-kudoskello oli "pelin vaihtaja", sanoi Daniel Belsky, epidemiologi Columbia Mailman School of Public Healthissa. Kaava soveltuu kaikkiin ihmissoluihin, jotka sisältävät DNA:ta. Ja kuka tahansa voisi käyttää sitä – Horváth laittoi ohjelmiston Internetiin. Lataamalla omat metylaatiotietonsa biologit saattoivat selvittää, kuinka paljon aikaa oli kulunut näytteissään oleviin soluihin.
Määrällinen lasku
Horvathin pan-kudoskello oli ihmeellisen tarkka kronologisen iän ennustamisessa. Se näytti myös heijastavan tärkeitä taustalla olevia eroja kronologisen ja biologisen iän välillä. Tutkijat havaitsivat, että kun epigeneettinen kello arvioi jonkun iän olevan suurempi kuin kronologinen ikä, henkilöllä oli suurempi riski sairastua ja kuolla. Kun kello arvioi jonkun olevan nuorempi, heidän riskinsä pieneni. Vaikka epigeneettinen kello johdettiin kronologisista ikätiedoista, sen algoritmi ennusti kuolleisuutta paremmin kuin ikä.
Joten vuoden 2014 lopulla Horvath päätti seurata biologista ikää nimenomaisesti. Hän ja hänen kollegansa, mukaan lukien Morgan Levin (patologian tutkija Yalen yliopistosta, joka liittyi äskettäin Altos Labsiin) ja Luigi Ferrucci National Institute on Aging, koulutti algoritmin yhdistelmämitalle, joka sisälsi kronologisen iän sekä yhdeksän verikemiallisen testin tulokset, jotka ennustavat sairauksia ja kuolleisuutta. Tiedot saatiin yli 9,900 XNUMX aikuisen verestä National Health and Nutrition Examination Surveyssa. Tuloksena oleva kello, DNAm PhenoAgeVuonna 2018 julkaistu tutkimus ennusti kokonaiskuolleisuutta ja riskiä sairastua sydän- ja verisuonitauteihin, keuhkosairauksiin, syöpään ja diabetekseen muun muassa. Vuotta myöhemmin Horvath ja UCLA:n Ake T. Lu:n johtama tiimi julkaisivat entistä tarkemman kuolemanajan ennustajan, Synkkä ikä, jossa tarkasteltiin henkilön sukupuolta, kronologista ikää, tupakointihistoriaa ja veren proteiinikuolleisuuden merkkiaineita.
Belskyn ja hänen kollegoidensa uusi työkalu, joka esiteltiin vuonna 2020 ja päivitettiin aiemmin tänä vuonna, toimii ikääntyvänä nopeusmittarina. Niiden luomisessa Ikääntymisen tahti biomarkkeri, he kvantifioivat muutosnopeuden 19 elimen toiminnan markkerissa neljässä iässä, kokosivat ne yhdeksi indeksiksi ja mallinsivat sen metylaatiolla. "Me itse asiassa mittaamme jatkuvaa ikääntymiseen liittyvää laskua ja järjestelmän eheyttä", Belsky sanoi. Ne, jotka ikääntyvät nopeammin tällä mittarilla, kuolevat nuorempana, hän sanoi ja lisäsi, että se ennustaa kuolleisuutta yhtä hyvin kuin GrimAge ja saattaa ennustaa aivohalvausta ja dementiaa vielä paremmin.
Ikäkysymys
Vuonna 2017 Paul G. Allenin perhesäätiön edustajat lähestyivät Horvathia yhden hänen keskustelunsa jälkeen. He pitivät hänen työstään ja ehdottivat häntä unelmoimaan isosti, koska säätiö tukee riskialttiita yrityksiä. Etsi projekti, jota kukaan muu ei rahoittaisi, he sanoivat.
Ei kestänyt kauan Horvathin ehdottaa ikääntyvää kelloa, joka soveltuisi kaikkiin selkärankaisiin. Ehdotus meni läpi – se oli tarpeeksi outo – mutta kun Horvath ymmärsi, mitä se sisältäisi, suunnitelma muuttui suhteellisen hillityksi kelloksi kaikille nisäkkäille.
Tammikuuhun 2021 mennessä Horvathilla oli metylaatiotietoja 128 nisäkäslajista, ja hän julkaisi kellonsa preprint-palvelimella biorxiv.org. "Sama matemaattinen kaava, samat sytosiinit hiirelle tai rotalle tai koiralle tai sikalle. Voimme mitata ikääntymistä kaikissa näissä lajeissa", Horvath sanoi. Silti hän tutki maapalloa saadakseen lisää.
Viime vuoden loppukesään mennessä Horvath oli yhteydessä Darren Pieterseniin, Pangolin-asiantuntijaan Tikki Hywoodin säätiö Hararessa, Zimbabwessa, tarjoten hänelle tarvikkeita tietojen keräämiseen pangoliinista ja useista muista lajeista. Kukaan ei edes tiennyt varmasti, kuinka kauan pangoliinit elävät. Jotkut viralliset tilit sanoivat 15-20 vuotta, mutta Pietersen ajatteli, että ainakin jotkut tyypit elävät pidempään. "Yksi eläin, jota vanhenimme äskettäin, oli noin 34-vuotias (tosin melko laajalla virhemarginaalilla), hän kirjoitti.
Toimitetuista kudostiedoista Horvath rakensi pangoliinikellon, yhden elinkaaren ajastimen lisättäväksi kokoelmaansa. "Sinä haluat sikakellon, minulla on sikakello. Minulla on kello kenguruille ja norsuille", Horvath sanoi. Jokainen lajikohtainen kello oli siunaus alan tutkijoille. Esimerkiksi norsututkijat halusivat elefanttikelloa, jotta he voisivat selvittää luonnonvaraisten populaatioiden ikärakenteen auttamaan suojelutoimia.
Mutta kello, joka yhdistää ne kaikki, voi auttaa vastaamaan peruskysymykseen: Mitä on ikääntyminen? Yksi näkemys on, että kehosi vanhenee kuin kengät, haalistuvat vähitellen ja hajoavat kulumisesta. Mutta pan-nisäkäskellon onnistuneet ennusteet viittaavat siihen, että jokin aiheuttaa myös solujen epäonnistumisen tietyllä aikataululla, ehkä kehitysgeenien vuoksi, jotka eivät sammu, kun heidän työnsä on tehty. "Tämä viittaa determinismiin ikääntymiseen", sanoi Raj, yksi kellon yli sadasta rakentajasta.
Metylaatiokelloista saadut tiedot viittaavat siihen, että ikääntyminen alkaa hyvin aikaisin, kauan ennen kuin keho hajoaa. Jonkin sisällä 2021 paperi, Gladyshev ja hänen kollegansa kuvaavat metylaatiokelloa, joka ajoittaa nisäkkäiden kehitysvaiheita. He havaitsivat, että hiirten varhaisen alkion synnyn aikana eräänlainen nuorentaminen palauttaa alkion iän nollaan. Biologinen ikääntyminen etenee sitten vauhdilla, vaikka ihmislapset kasvavatkin tänä aikana vahvemmiksi, eivät heikkenemään, ja ihmisten kuolleisuus laskee noin 9-vuotiaaksi asti. "Se on minusta hyvin syvällistä, koska se naulaa tämän ikääntymisen prosessiin, joka on erottamaton kehitysprosessista", Raj sanoi.
Kaksi tuoretta tutkimusta alastomasta myyrärottasta, jyrsijästä, jonka elinikä on epätodennäköisen pitkä, 37 vuotta, osoittavat, että eläin ikääntyy epigeneettisesti, vaikka sen kuolemismahdollisuudet eivät nouse kronologisen iän myötä. "Mielestäni kuolleisuus ei ole paras ikääntymisen mitta", sanoi johtaja Gladyshev yksi tutkimuksista. "Ikääntyminen on väistämätön seuraus elossa olemisesta."
Ikääntyminen heijastaa tietysti edelleen kokemuksen, käyttäytymisen ja ympäristön vaikutuksia. Esimerkiksi tupakointi ja auringolle altistuminen voivat kiihdyttää sitä metylaatiolla ja muilla merkkiaineilla mitattuna, ja liikunta tai vähäkalorinen ruokavalio voi pysäyttää sen. Viime maaliskuussa julkaistussa teoksessa epigeneettinen kello räätälöity murmeleille osoitti, että lepotila hidastaa ikääntymistä, ja paperi julkaistu viime viikolla osoitti, että sama pätee lepakoihin. Kello tehty rhesusmakakeille ehdottaa, että vuonna 2017 hurrikaani Maria kiihdytti ikääntymistä apinayhdyskunnassa Puerto Ricon rannikon edustalla sijaitsevalla saarella.
Perisynti
Kukaan ei tiedä täysin, miksi kellot toimivat. Jotkut, mutta eivät kaikki, mukana olevista geeneistä ja molekyylireiteistä on tunnistettu, ja tutkijat ovat edelleen oppimassa, kuinka metylaatiomallit vaikuttavat solujen, kudosten ja elinten käyttäytymiseen ja terveyteen. "Se palaa siihen, mitä kutsun" rakentamisen perisyntiksi", Horvath sanoi. "Se perustuu [tilastolliseen] regressiomalliin, joka on jollain tasolla agnostinen biologian suhteen."
Tämän synnin sovittamiseksi Raj ja Horvath ovat alkaneet etsiä biologisia korrelaatioita epigeneettiselle ikääntymiselle. He havaitsivat äskettäin ikääntymisen hidastamiseen käyttämien biokemiallisten reittien häiriöt, joita keho käyttää aistiessaan ravintoaineiden tarpeensa, noudattaen vähäkalorisen ruokavalion vaikutusta ikääntymiseen. Mitokondrioiden toiminnan suistuminen nopeuttaa sitä. Kello seuraa myös kantasolujen kypsymistä. Jos nämä prosessit ovat yhteydessä syvemmällä tasolla, epigeneettiset kellot voivat paljastaa ikääntymisen yhdistäviä mekanismeja, kirjoittajat kirjoittivat vuonna 2022. paperi sisään Luonnon ikääntyminen.
Mitä nuo yhdistävät mekanismit voisivat olla tai miksi metylaatiostatus seuraa ikääntymistä niin hyvin, ei kuitenkaan ole vielä täysin määritetty. "Emme todella tiedä, ovatko epigeneettiset kellot syy-yhteydessä ikääntymiseen", Hägg sanoi.
Vaikka epigeneettiset kellot ovatkin, ne mittaavat lähes varmasti vain osan siitä, mitä tapahtuu ikääntymisen aikana. Matt Kaeberlein, tutkija Washingtonin yliopiston lääketieteellisessä tiedekunnassa Seattlessa, joka tutkii ikääntymisen biologiaa. "Ei ole selvää, mittaavatko ne itse enemmän kuin yhtä biologisen iän ulottuvuutta", hän sanoi. "Tämä on osa ongelmaa - epigeneettisen iän ja biologisen iän sekoittaminen. Ne eivät mielestäni ole samanarvoisia."
Raj arvelee, että metylaatiomuutokset heijastavat soluidentiteetin menetystä iän myötä. Kaikilla kehon soluilla on sama DNA, joten se, mikä tekee maksasolusta maksasolun ja sydänsolusta sydänsolun, on geeniekspressiomalli, jota epigenetiikka säätelee. Kun metylaation muutokset kertyvät iän myötä, osa näistä ohjauksista saattaa kadota, ja tilalle tulee uudelleen esiintulevia kehitysohjelmia, jotka tulisi kytkeä pois päältä, Raj ehdottaa.
Vaikka metylaatiokellot voivat olla tällä hetkellä tarkimmat biologisen iän monitorit, Jotkut tutkimukset viittaavat parantamisen varaa on. Tarkempi ennustaja voi yhdistää kvantitatiivisesti määritettävissä olevat soluominaisuudet – esimerkiksi proteiinin, metaboliitin tai geenin ilmentymistasot – fysiologisiin signaaleihin ja heikkousindeksiin. "Voimme nyt mitata niin monia asioita ihmisessä", Hägg sanoi. "Mitä enemmän näitä asioita mittaat, sitä tarkemmin kuvaat ikääntymisesi."
Metylaatiokelloilla on myös rajoitettua kliinistä käyttöä, Hägg varoitti. Ihmiset voivat ostaa biologisen ikänsä lukemia useista kaupallisista lähteistä, mutta tulokset eivät ole vain usein epäjohdonmukaisia, vaan niillä ei ole kliinistä merkitystä, koska kellot on tarkoitettu ryhmätason analyyseihin tutkimuksessa. "Niitä ei ole rakennettu ennustamaan yksilötasolla", hän sanoi.
Ja vaikka joku muuttaisikin elämäntapaansa tavalla, joka alentaa hänen biologista ikänsä näillä kelloilla mitattuna, onko hänellä pidempi elämä tai pienempi sairausriski? "Emme tiedä sitä vielä", Kaeberlein sanoi.
Horvath valmistelee nyt paperia pannisäkäskellostaan lähetettäväksi päiväkirjaan. Vaikka hän on näennäisesti saavuttanut tavoitteensa, hänen kokoelmansa aukot kiusaavat häntä edelleen. Toukokuussa hän kävi kirjeenvaihtoa australialaisen museon vanhempien kuraattorien kanssa kudoksen hankkimisesta pussieläinmyyreiltä, pieneltä, suurelta osin sokealta olennolta, joka viettää suurimman osan ajastaan maan alla. "Olemme jo luoneet tietoja 348 nisäkäslajista, mutta haluaisimme lisätä lisää", hän sanoi.
Kun Horvath ehdotti tätä hanketta, hän päätti analysoida 30 lajia, mutta 30 lajista tuli pian 50, sitten 100 ja sitten yli kolme kertaa enemmän. "Minun täytyy vauhdittaa itseäni", hän sanoi, "koska minulla on impulssi kerätä lisää."
