Ezúttal egy éve, Steve Horváth pangolin DNS-t keresett. Az akkoriban körülbelül 200 emlősből álló gyűjteményben az ősi pikkelyes hangyász volt az első. „Nekem nem volt ilyen sorrend, ezért is vágytam rájuk” – emlékezett vissza.
2017 nyara óta Horváth, aki egészen a közelmúltig egy öregedésgátló kutató a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetemen napi 10 órát töltött azzal, hogy e-maileket küldjön állatkerteknek, múzeumoknak, akváriumoknak és laboratóriumoknak. Részt vett a denevérekről és a tasmán ördögökről szóló megbeszéléseken, hogy találkozzon tartóikkal. A világ távoli szegletébe is eljutott, repülő rókák, rókamajmok, törpemajmok, törpemajmok és bálnák DNS-éért könyörögve.
Ezzel a hatalmas mintamenazsériával olyan számítógépes órákat épített, amelyek képesek kiszámítani az olyan változatos lények életkorát, mint a cickányok, koalák, zebrák, disznók és „minden bálna, amelyet meg tud nevezni” – mondta, pusztán a DNS-ükre nézve. De ezek csupán lépések voltak afelé, hogy Horváth ambiciózus holdfényképet készítsen egy projektről: egy univerzális óra létrehozásáról, amely bármely emlős biológiai életkorát képes mérni.
Lehet, hogy az életkor mérése nem nehezebb, mint a legközelebbi óra vagy naptár használata. A kronológiai életkor azonban nem tökéletes mérőszám, mivel egyes egyének és szövetek gyorsabban mutatják az életkor hatásait, mint mások. A tudósok évtizedek óta objektív és sokoldalú módszert kerestek a biológiai öregedés, az egészséges funkciók időbeli változásainak mérésére. „Olyan biomarkert szeretne, amely pontosan méri az életkort számos különböző szövetben és sejttípusban” – mondta Horváth, aki idén otthagyta az UCLA-t, hogy az Altos Labs, a sejtek megfiatalításával foglalkozó biotechnológiai startup vezető kutatója legyen.
Horváth és munkatársai az év elején elkészítették a pánemlős óra változatát. Most ő és más kutatók abban reménykednek, hogy azonosítani tudják azokat a molekuláris folyamatokat, amelyek a különféle lényekben közösek, amelyek lehetővé teszik egy ilyen óra létrehozását. Horváth úgy véli, hogy megértve, miért működnek az ilyen órák, segíthet elvezetni minket ahhoz, amit ő „az öregedés valódi kiváltó okának” nevez.
Órái a metilcsoportoknak nevezett kémiai címkék elemzésén alapulnak, amelyek a DNS-en lógnak, mint a karkötőn lévő varázslatok, és segítik a génaktivitás szabályozását. Ezek az epigenetika (szó szerint „genetika felett”) termékei, a genetikai kódban nem szereplő, öröklődő információkat tanulmányozó terület. Egy tucat évvel ezelőtt Horváth és munkatársai elkezdték alkalmazni tudásukat az órák megépítésére, először a nyálból származó DNS korának felmérésére, majd később a vér, a máj és más egyes szövetek korának meghatározására.
Sok biológus először szkeptikus volt, mert az órák a statisztikákban gyökereztek, nem pedig a biomolekuláris mechanizmusok megértésében. Az órák pontossága azonban kiállta a teszteket, és hullámzást váltott ki az orvosbiológiai közösségen. A tudósok elkezdték használni a Horváth-órákat kutatásaik során a sejtek öregedésének mérésére, mivel az órák jobban meghatározták a test állapotát és a betegségek kockázatát, mint a kronológiai kor. "Az epigenetikus órák közelebb állnak az öregedés tényleges folyamatához, mint bármely más biomarker" - mondta Vadim Gladysev, a Brigham and Women's Hospital és a Harvard Medical School biokémikusa, aki a rákkal és az öregedéssel foglalkozik. Most az órák arra késztetik a tudósokat, hogy újragondolják elképzeléseiket az öregedésről, valamint annak a betegségekkel való kapcsolatáról.
„Most olyan munkatársaim vannak, akik sokat dolgoznak a mellrák kezelésében, és elkezdenek azon gondolkodni, hogy „ha előrehaladott biológiai öregedésben szenved, ez a mellrák esetében is hasznos?” – mondta. Sara Hägg, molekuláris epidemiológus a stockholmi Karolinska Intézetben, Svédországban. Ha az órák hasznosan megvilágítják, hogyan állíthatjuk meg, hogy az öregedési folyamat ne idézzen elő életkorral összefüggő rendellenességeket, hozzátette: „nem csak egy betegséget, hanem sok betegséget is megelőzhetünk”.
Jelet lát
Az elmúlt évtizedekben a biológiai kutatók újra és újra úgy gondolták, hogy az öregedést jelző óra elérhető. Például az 1960-as évek elején megtanulták, hogy a tenyészetben növekvő sejtek nem halhatatlanok, hanem csak 40-60 replikáció után pusztulnak el, ami arra utalt, hogy a sejtek egyfajta öregedési órát rejtenek magukban. 1982-ben a kutatók úgy gondolták, hogy megtalálhatták az óra mechanizmusát, amikor telomereket, DNS-fehérje komplexeket izoláltak a kromoszómák végein, amelyek minden egyes sejtosztódáskor lerövidülnek; amikor a telomerek kritikusan megrövidülnek, a sejtek elpusztulnak.
De a telomerek nem váltak ki öregedő óraként. A telomerhosszúság korrelációja az életkorral és a halálozással gyenge az emberekben, és nem létezik néhány más fajban. „A telomer [hossz] valójában nem követi az életkort. Csak a sejtproliferációt követi nyomon” – mondta Ken Raj, az Altos Labs vezető kutatója.
A telomerhossz alternatívájaként Horváth 2009-ben kezdett dolgozni egy olyan órán, amely a sejt aktív génjeinek RNS-átiratain alapul, a sejteket meghatározó és működését lehetővé tevő fehérjék templátjain. A következő két évben megpróbálta ezt a megközelítést működésre bírni, de sikertelenül: az átírási adatok egyszerűen túl zajosak voltak.
De 2010-ben Horváth válaszolt az UCLA egyik kollégájának segítségkérésére. A szexuális irányultság és az epigenetika közötti lehetséges összefüggések tanulmányozása érdekében a kutató egypetéjű ikrek nyálát gyűjtötte össze, akiknek szexuális irányultsága különbözött, azzal a hipotézissel, hogy a nyálsejtjeikben lévő DNS feltárhat néhány következetes különbséget a metilációs mintázatokban. Horváth ikertestvére meleg; Horváth heteroszexuális. Ők látták el a nyársukat.
A tanulmány elemzése során a DNS azon helyeit vizsgálták, ahol a citozinbázisok találhatók, és ellenőrizték, hogy melyikük metilált. (A citozinok az egyetlen bázis, amelyhez metilcsoportok kapcsolódnak.) A közelmúltban bevezetett lab-on-a chip technológia lehetővé tette, hogy minden sejt DNS-ében több tízezer citozinhelyet teszteljünk. Amikor a kollégának statisztikusra volt szüksége az adatok elemzéséhez, Horváth önként jelentkezett.
Nem találta meg, amit kerestek. „Semmiféle jel nem érkezett a homoszexualitásra” – mondta Horváth. „De mivel az adatok a számítógépemen voltak, azt mondtam, hadd nézzem meg az öregedés hatásait”, mivel a vizsgálatban részt vevő ikrek életkora több évtizedet ölelt fel.
Addig Horváth távol tartotta magát az epigenetikai adatoktól saját kutatásai során. A metilációs mintázatok és a génexpresszió közötti kapcsolat zavaros és közvetett, és valószínűtlennek tűnt, hogy sok hasznos összefüggést mutatna az öregedéssel. De most, hogy rendelkezésére állt ez a váratlan epigenetikai adat, úgy tűnt, nem árt megnézni.
Horváth a metilációs mintákat az ikrek életkorával kezdte egyeztetni. Bármely nyálmintában – vagy bármely szövetből vett mintában – nem minden sejt mutatja ugyanazt a metilációs mintát. De mérhető azon sejtek aránya, amelyek egy adott citozinnál metilálódnak a DNS-ben. Egy mintában például a sejtek 40%-a lehet metilálva egy bizonyos pozícióban; egy másikban ez az arány 45% vagy 60% lehet.
Meglepetésére Horváth erős korrelációt talált az életkor és a metilált sejtek aránya között, még akkor is, ha csak egy helyet vizsgált a DNS-ben. Több helyszín megtekintése növelte a pontosságot.
„Ez mindent megváltoztatott számomra” – mondta. „Miután megnéztem az öregedés jelét, elsodort.”
Horváth olyan modellt épített megjósolta az ember életkorát mintegy 300 citozin metilációs állapotából a nyálmintában több millió sejten keresztül. – Beköpsz egy csészébe, és meg tudjuk mérni az életkorodat – mondta.
Hamarosan epigenetikus óramodelleket épített a vér, a máj, az agy és más szövetek biológiai korának értékelésére. Először minden egyes mintában megmérte azon sejtek arányát, amelyek meghatározott helyeken metilációt mutattak. Ezekből az adatokból olyan profilokat készített a szövetekről, amelyek leírják az egyes helyeken metilált sejtek arányát.
Egy óra megépítéséhez több ezer epigenetikai profillal táplálta a számítógépet az egyes profilozott szövetek korával együtt. A gépi tanulás révén a számítógép az életkort a metilációs mintázatokhoz kapcsolta. Az életkor előrejelzéséhez szükséges oldalak számát is leszűkítette. A számítógép ezután mérlegelte az egyes helyek metilációjának jelentőségét a számításaiban, hogy megalkossák az életkor legjobb prediktív képletét, amelyet Horváth egy különálló ismert korú mintakészleten tesztelt.
Két éven belül egyesítette a különálló szöveti öregedési órákat egyetlen képletté „pan-szövet” óra2013-ban jelent meg. A pán-szövet óra „a játékváltó” volt Daniel Belsky, a Columbia Mailman School of Public Health epidemiológusa. A képlet minden DNS-t tartalmazó emberi sejtre alkalmazható. És bárki használhatja – Horváth feltette a szoftvert az internetre. Saját metilációs adataik feltöltésével a biológusok megtudhatták, mennyi időt vett igénybe a mintáik sejtjei.
Számszerűsítő visszaesés
Horváth pánszöveti órája csodálatosan pontosan megjósolta a kronológiai kort. Úgy tűnt, hogy ez a kronológiai és biológiai életkor közötti lényeges különbségeket is tükrözi. A kutatók felfedezték, hogy amikor az epigenetikus óra úgy becsülte, hogy valaki életkora magasabb, mint a kronológiai életkora, akkor nagyobb a betegség és a halál kockázata. Amikor az óra úgy becsülte, hogy valaki fiatalabb, a kockázatuk csökkent. Annak ellenére, hogy az epigenetikus óra kronológiai koradatokból származott, algoritmusa jobban megjósolta a halálozást, mint az életkor.
Így 2014 végén Horváth a biológiai életkor explicit nyomon követését tűzte ki célul. Ő és kollégái, köztük Morgan Levin (a Yale Egyetem patológiai kutatója, aki nemrég csatlakozott az Altos Labshoz) és Luigi Ferrucci Az Országos Öregedésügyi Intézet munkatársa algoritmust dolgozott ki egy összetett mérőszámra, amely magában foglalta a kronológiai életkort, valamint kilenc vérkémiai teszt eredményeit, amelyek megjósolják a betegségeket és a halálozást. Az adatok több mint 9,900 felnőtt véréből származtak az Országos Egészségügyi és Táplálkozási Vizsgálati Felmérésben. A kapott óra, DNAm PhenoAgeA 2018-ban megjelent tanulmány az általános mortalitást, valamint a szív- és érrendszeri betegségek, a tüdőbetegségek, a rák és a cukorbetegség kockázatát jósolta meg, többek között. Egy évvel később Horváth és az Ake T. Lu (UCLA) vezette csapata kiadott egy még pontosabb előrejelzést a halálig eltelt időről. Grim Age, amely egy személy nemét, kronológiai életkorát, dohányzási előzményeit és a vér-fehérje mortalitási markereket vizsgálta.
A Belsky és kollégái 2020-ban bemutatott és az év elején frissített új eszköze öregedő sebességmérőként működik. A létrehozásukban Az öregedés üteme biomarkerrel számszerűsítették a szervműködés 19 markerének változási sebességét négy életkorban, ezeket egyetlen indexbe állították össze, és metilációval modellezték. "Valójában számszerűsítjük az életkorral összefüggő hanyatlás és a rendszer integritásának folyamatban lévő folyamatát" - mondta Belsky. Azok, akik ennél a mértéknél gyorsabban öregszenek, fiatalabban halnak meg, mondta, hozzátéve, hogy a GrimAge-hoz hasonlóan előrejelzi a mortalitást, és még jobban előre jelezheti a stroke-ot és a demenciát.
Örökkori kérdés
2017-ben a Paul G. Allen Family Foundation képviselői keresték meg Horváthot az egyik megbeszélése után. Tetszett nekik a munkája, és azt javasolták, álmodjon nagyot, mert az alapítvány magas kockázatú törekvéseket támogat. Keress egy olyan projektet, amelyet senki más nem finanszírozna – mondták.
Horváthnak nem kellett sok időbe telnie, hogy egy öregedő órát javasoljon, amely minden gerincesre érvényes. A javaslat átment – elég furcsa volt –, de ahogy Horváth rájött, hogy ez milyen nagyságrendű, a terv egy viszonylag visszafogott órává változott minden emlős számára.
2021 januárjára Horváth 128 emlősfaj metilációs adataival rendelkezett, és feltette az óráját a biorxiv.org nyomtatás előtti szerveren. „Ugyanaz a matematikai képlet, ugyanazok a citozinok egérnek, patkánynak, kutyának vagy disznónak. Az összes ilyen fajnál mérni tudjuk az öregedést” – mondta Horváth. Ennek ellenére átkutatta a földgolyót továbbiakért.
Tavaly nyár végén Horváth felvette a kapcsolatot Darren Pietersennel, a pangolin szakértővel Tikki Hywood Alapítvány a zimbabwei Harare-ban, készletet kínálva neki a pangolinokról és számos más fajról való adatgyűjtéshez. Senki sem tudta biztosan, meddig élnek a pangolinok. Egyes hivatalos beszámolók szerint 15-20 év, de Pietersen úgy gondolta, hogy legalább néhány típus tovább él. „Az egyetlen állat, amelyet nemrég öregítettünk, körülbelül 34 éves volt (bár meglehetősen nagy hibahatárral)” – írta.
A szolgáltatott szövetadatokból Horváth épített egy pangolin órát, még egy élettartam-időzítőt, amellyel gyarapította gyűjteményét. – Ön disznóórát akar, nekem disznóórám van. Van egy órám a kenguruk és az elefántok számára – mondta Horváth. Mindegyik fajspecifikus óra áldás volt a területen dolgozó tudósok számára. Az elefántkutatók például az elefántórát akarták, hogy meg tudják állapítani a vadon élő populációk korstruktúráját, és ezzel segítsék a természetvédelmi erőfeszítéseket.
De egy óra, amely mindegyiket egyesíti, segíthet megválaszolni egy alapvetőbb kérdést: Mi az öregedés? Az egyik nézet szerint a tested úgy öregszik, mint a cipőd, fokozatosan elhalványul és szétesik a kopástól. A pánemlősök órájának sikeres előrejelzései azonban azt sugallják, hogy valami a sejtek tönkremenetelét is okozza egy bizonyos ütemterv szerint, talán a fejlődési gének miatt, amelyek nem kapcsolnak ki, amikor munkájuk végez. „Ez az öregedés determinizmusának elemére utal” – mondta Raj, az óra több mint 100 építőjének egyike.
A metilációs órák adatai azt sugallják, hogy az öregedés nagyon korán kezdődik, jóval azelőtt, hogy a szervezet összeomlana. Az a 2021 papírGladyshev és munkatársai egy metilációs órát írnak le, amely az emlősök fejlődésének szakaszait datálja. Azt találták, hogy az egerekben a korai embriogenezis során egyfajta megfiatalodás az embrió életkorát nullára állítja vissza. A biológiai öregedés ezután rohamosan halad, még akkor is, ha az embergyerekek vitathatatlanul erősödnek, nem gyengülnek ezalatt az idő alatt, és az emberek halandósága körülbelül 9 éves korig csökken. „Számomra ez nagyon mélyreható, mert az öregedés kérdését egy olyan folyamathoz szegezi, amely elválaszthatatlan a fejlődési folyamattól” – mondta Raj.
Két közelmúltbeli vizsgálat a meztelen vakond patkányon, egy valószínűtlenül hosszú, 37 éves élettartamú rágcsálón azt mutatja, hogy az állat epigenetikailag öregszik, annak ellenére, hogy a halálozási esélye nem növekszik a kronológiai életkorral. "Úgy gondolom, hogy a halálozási arány nem a legjobb mérőszáma az öregedésnek" - mondta Gladyshev, a vezető az egyik tanulmány. "Az öregedés az életben maradás elkerülhetetlen következménye."
Az öregedés még mindig tükrözi a tapasztalat, a viselkedés és a környezet hatásait, természetesen. A dohányzás és a napozás például felgyorsíthatja a metilációt és más jelzőket, a testmozgás vagy az alacsony kalóriatartalmú étrend pedig megállíthatja. A tavaly márciusban megjelent munkában egy epigenetikus óra mormotákra szabva kimutatta, hogy a hibernálás lassítja az öregedést, és egy papír a múlt héten közzétett eredmények azt mutatták, hogy ugyanez igaz a denevérekre is. Egy óra rhesus makákók számára készült azt sugallja, hogy 2017-ben a Maria hurrikán felgyorsította az öregedést egy majomkolóniában egy Puerto Rico partjainál fekvő szigeten.
Original Sin
Senki sem tudja teljesen, miért működnek az órák. Néhány, de nem az összes érintett gént és molekuláris útvonalat azonosították, és a kutatók még mindig tanulják, hogyan befolyásolják a metilációs minták a sejtek, szövetek és szervek viselkedését és egészségét. „Ez visszatér ahhoz, amit én „az építkezés eredendő bűnének” nevezek” – mondta Horváth. "Egy [statisztikai] regressziós modellen alapul, amely bizonyos szinten agnosztikus a biológiával szemben."
Hogy engesztelje ezt a bűnt, Raj és Horváth elkezdte keresni az epigenetikus öregedés biológiai összefüggéseit. Nemrég fedezték fel, hogy a szervezet tápanyagigényének érzékelésére használt biokémiai útvonalak zavarai lassítják az öregedést, a kalóriaszegény diéták öregedésre gyakorolt hatásaival összhangban. A mitokondriumok működésének kisiklása felgyorsítja azt. Az óra az őssejtek érését is követi. Ha ezek a folyamatok mélyebb szinten kapcsolódnak egymáshoz, az epigenetikus órák az öregedés egyesítő mechanizmusait tárhatják fel – írták a szerzők 2022-ben. papír be A természet öregedése.
Azt azonban, hogy mik lehetnek ezek az egyesítő mechanizmusok, vagy hogy a metilációs állapot miért követi olyan jól az öregedést, még nincs teljesen meghatározva. „Nem igazán tudjuk, hogy az epigenetikus órák okozati összefüggésben állnak-e az öregedéssel” – mondta Hägg.
Még ha igen is, az epigenetikus órák szinte biztosan csak egy részét mérik annak, ami az öregedés során történik. Matt Kaeberlein, a Seattle-i Washington Egyetem Orvostudományi Karának kutatója, aki az öregedés biológiáját tanulmányozza. „Nem világos, hogy valójában a biológiai életkor egyetlen dimenziójánál többet mérnek-e” – mondta. „Ez itt a probléma része – az epigenetikus kor és a biológiai életkor összemosása. Ezek szerintem nem egyenértékűek.”
Raj azt feltételezi, hogy a metilációs változások a sejtazonosság elvesztését tükrözik az életkorral. A szervezetben minden sejtnek ugyanaz a DNS-e, tehát ami a májsejtet májsejtté, a szívsejtet pedig szívsejtté teszi, az a génexpressziós mintázat, amelyet az epigenetika szabályoz. Mivel a metiláció változása az életkorral halmozódik fel, ezeknek a kontrolloknak egy része elveszhet, helyükre újra felbukkanó fejlesztési programok lépnek, amelyeket ki kell kapcsolni, javasolja Raj.
Bár jelenleg a metilációs órák lehetnek a biológiai kor legpontosabb monitorai, néhány tanulmány szerint van hova fejlődni. Egy pontosabb előrejelző kombinálhatja a számszerűsíthető sejttulajdonságokat – mondjuk a fehérje-, metabolit- vagy génexpressziós szinteket – fiziológiai jelekkel és a törékenység indexével. „Most sok mindent meg tudunk mérni egy emberben” – mondta Hägg. "Minél többet számszerűsít ezek közül a dolgokból, annál pontosabban fogja megörökíteni az öregedést."
A metilációs órák klinikai felhasználása is korlátozott, figyelmeztetett Hägg. Az emberek különféle kereskedelmi forrásokból megvásárolhatják a biológiai életkoruk kijelzését, de nemcsak hogy az eredmények gyakran ellentmondásosak, hanem klinikai relevanciájuk is hiányzik, mert az órákat csoportszintű kutatási elemzésekre szánták. „Nem úgy vannak kialakítva, hogy egyéni szinten előre jelezzenek” – mondta.
És még ha valaki úgy változtat is életmódján, hogy csökkenti a biológiai életkorát ezen órák szerint, hosszabb lesz az élete, vagy kisebb lesz a betegségek kockázata? – Ezt még nem tudjuk – mondta Kaeberlein.
Horváth most egy újságot készít elő pánemlős órájáról, hogy beadja a folyóiratba. Bár látszólag elérte célját, a gyűjteményében lévő hiányosságok még mindig nyaggatják. Májusban levelezett egy ausztrál múzeum vezető kurátoraival arról, hogy szöveteket szerzett erszényes anyajegyektől, egy kicsi, nagyrészt vak lénytől, amely ideje nagy részét a föld alatt tölti. "Már 348 emlősfajról gyűjtöttünk adatokat, de szeretnénk még többet hozzáadni" - mondta.
Amikor Horváth ezt a projektet javasolta, 30 faj elemzését tűzte ki célul, de 30-ból hamarosan 50, majd 100, majd ennek több mint háromszorosa lett. – Lépnem kell magamon – mondta –, mert megvan az a késztetés, hogy többet gyűjtsek.
