Kali ini setahun yang lalu, Steve Horvath sedang mencari DNA trenggiling. Trenggiling bersisik kuno akan menjadi yang pertama untuk koleksinya, yang saat itu berjumlah sekitar 200 mamalia. “Saya tidak memiliki pesanan itu, itulah sebabnya saya sangat menginginkannya,” kenangnya.
Sejak musim panas 2017, Horvath, yang hingga saat ini adalah seorang peneliti anti penuaan di University of California, Los Angeles, telah menghabiskan 10 jam sehari menulis email ke kebun binatang, museum, akuarium, dan laboratorium. Dia telah menghadiri pembicaraan tentang kelelawar dan setan Tasmania untuk bertemu dengan penjaga mereka. Dia telah menjangkau ke penjuru dunia, memohon DNA rubah terbang, monyet vervet, babi mini, dan paus kepala busur.
Dengan kumpulan sampel yang sangat banyak, ia telah membangun jam komputasi yang dapat menghitung usia makhluk yang beragam seperti tikus, koala, zebra, babi, dan “setiap paus yang dapat Anda sebutkan,” katanya, hanya dengan melihat DNA mereka. Tapi itu hanyalah langkah menuju penyelesaian proyek ambisius Horvath: jam universal yang dapat mengukur usia biologis mamalia mana pun.
Mengukur usia mungkin tampak tidak lebih sulit daripada menggunakan jam atau kalender terdekat. Tetapi usia kronologis adalah metrik yang tidak sempurna karena beberapa individu dan jaringan menunjukkan efek usia lebih cepat daripada yang lain. Selama beberapa dekade, para ilmuwan telah mencari cara yang objektif dan serbaguna untuk mengukur penuaan biologis, perubahan fungsi yang sehat dari waktu ke waktu. “Anda ingin memiliki biomarker yang secara akurat mengukur usia di banyak jaringan dan jenis sel yang berbeda,” kata Horvath, yang meninggalkan UCLA tahun ini untuk menjadi peneliti utama di Altos Labs, sebuah startup bioteknologi yang bekerja menuju peremajaan sel.
Horvath dan rekan-rekannya menyelesaikan versi jam pan-mamalia awal tahun ini. Sekarang dia dan peneliti lain berharap untuk mengidentifikasi proses molekuler yang umum terjadi pada beragam makhluk yang memungkinkan jam seperti itu. Memahami mengapa jam seperti ini bekerja, Horvath percaya, dapat membantu mengarahkan kita pada apa yang dia sebut "akar penyebab penuaan yang sebenarnya."
Jamnya didasarkan pada analisis tag kimia yang disebut kelompok metil yang menggantung pada DNA seperti jimat pada gelang dan membantu mengendalikan aktivitas gen. Mereka adalah produk epigenetik (secara harfiah, "di atas genetika"), bidang yang mempelajari informasi yang diwariskan yang tidak tertulis dalam kode genetik. Belasan tahun yang lalu, Horvath dan rekan-rekannya mulai menerapkan pengetahuan mereka untuk membangun jam, pertama untuk menilai usia DNA dari air liur, dan kemudian untuk menentukan usia darah, hati, dan jaringan individu lainnya.
Banyak ahli biologi skeptis pada awalnya karena jam berakar pada statistik daripada pemahaman tentang mekanisme biomolekuler. Namun keakuratan jam bertahan untuk diuji dan mengirimkan riak melalui komunitas biomedis. Para ilmuwan mulai menggunakan jam Horvath dalam penelitian mereka untuk mengukur penuaan sel karena jam adalah penengah yang lebih baik dari keadaan tubuh dan risiko penyakit daripada usia kronologis. "Jam epigenetik lebih dekat dengan proses penuaan yang sebenarnya daripada biomarker lainnya," kata Vadim Gladyshev, seorang ahli biokimia di Brigham and Women's Hospital dan Harvard Medical School yang mempelajari kanker dan penuaan. Sekarang jam mengarahkan beberapa ilmuwan untuk memikirkan kembali ide-ide mereka tentang apa itu penuaan, serta hubungannya dengan penyakit.
“Saya sekarang memiliki kolaborator yang banyak bekerja dalam kanker payudara dan mulai berpikir, 'Jika Anda memiliki penuaan biologis lanjut, apakah itu juga informatif untuk kanker payudara?'” kata Sara Hagg, seorang ahli epidemiologi molekuler di Institut Karolinska di Stockholm, Swedia. Jika jam dapat membantu menjelaskan cara menghentikan proses penuaan yang memicu gangguan terkait usia, dia menambahkan, “kita dapat mencegah tidak hanya satu penyakit tetapi banyak penyakit.”
Melihat Sinyal
Berkali-kali dalam beberapa dekade terakhir, para peneliti biologi mengira jam untuk penuaan sudah dalam jangkauan. Misalnya, mereka belajar di awal 1960-an bahwa sel-sel yang tumbuh dalam kultur tidak abadi, melainkan mati setelah hanya 40-60 putaran replikasi, yang menunjukkan bahwa sel menyimpan semacam jam penuaan. Pada tahun 1982, para peneliti mengira mereka mungkin telah menemukan mekanisme jam ketika mereka mengisolasi telomer, kompleks DNA-protein di ujung kromosom yang memendek setiap kali sel membelah; ketika telomer menjadi sangat pendek, sel mati.
Tapi telomere tidak berjalan sebagai jam yang menua. Korelasi panjang telomer dengan usia dan kematian lemah pada manusia dan tidak ada pada beberapa spesies lain. “Telomer [panjang] sebenarnya tidak melacak usia. Itu hanya melacak proliferasi sel, ”kata Ken Raj, seorang peneliti utama di Altos Labs.
Sebagai alternatif untuk panjang telomer, pada tahun 2009 Horvath mulai mengerjakan jam berdasarkan transkrip RNA dari gen aktif sel, templat untuk protein yang menentukan sel dan memungkinkannya berfungsi. Selama dua tahun berikutnya dia mencoba membuat pendekatan itu berhasil, tetapi tidak berhasil: Data transkripsi terlalu berisik.
Namun pada tahun 2010, Horvath menjawab permintaan bantuan dari seorang rekan di UCLA. Untuk mempelajari kemungkinan hubungan antara orientasi seksual dan epigenetik, peneliti mengumpulkan air liur dari kembar identik yang berbeda dalam orientasi seksual, dengan hipotesis bahwa DNA dalam sel air liur mereka mungkin mengungkapkan beberapa perbedaan yang konsisten dalam pola metilasi. Saudara kembar Horvath adalah gay; Horvath adalah heteroseksual. Mereka menyediakan ludah mereka.
Analisis penelitian melihat situs dalam DNA di mana basa sitosin berada dan memeriksa mana yang termetilasi. (Sitosin adalah satu-satunya basa yang mengikat gugus metil.) Teknologi chip lab-on-a yang baru-baru ini diperkenalkan memudahkan pengujian puluhan ribu situs sitosin dalam DNA setiap sel. Ketika koleganya membutuhkan ahli statistik untuk menganalisis data, Horvath menawarkan jasanya.
Dia tidak menemukan apa yang mereka cari. “Tidak ada sinyal apapun untuk homoseksualitas,” kata Horvath. “Tetapi karena datanya ada di komputer saya, saya berkata, biarkan saya melihat efek penuaan,” karena usia si kembar dalam penelitian ini berlangsung selama beberapa dekade.
Sampai saat itu, Horvath telah menghindari data epigenetik dalam penelitiannya sendiri. Hubungan pola metilasi dengan ekspresi gen berantakan dan tidak langsung, dan tampaknya tidak mungkin menunjukkan hubungan yang berguna dengan penuaan. Tapi sekarang dia memiliki rejeki nomplok data epigenetik yang tersedia, sepertinya tidak ada salahnya mencari.
Horvath mulai mencocokkan pola metilasi dengan usia si kembar. Dalam satu sampel air liur - atau sampel apa pun dari jaringan apa pun - tidak semua sel akan menunjukkan pola metilasi yang sama. Tetapi proporsi sel yang termetilasi pada sitosin tertentu dalam DNA dapat diukur. Dalam satu sampel, misalnya, 40% sel mungkin dimetilasi pada posisi tertentu; di tempat lain, proporsi itu mungkin 45% atau 60%.
Yang mengejutkan, Horvath menemukan korelasi kuat antara usia dan proporsi sel dengan metilasi, bahkan ketika dia melihat hanya satu situs dalam DNA. Melihat lebih banyak lokasi meningkatkan akurasi.
"Ini mengubah segalanya bagi saya," katanya. “Begitu saya melihat sinyal penuaan, itu mengejutkan saya.”
Horvath membuat model yang memprediksi usia seseorang dari status metilasi sekitar 300 sitosin di jutaan sel dalam sampel air liur. “Anda meludah ke dalam cangkir, dan kami dapat mengukur usia Anda,” katanya.
Segera dia membangun model jam epigenetik untuk mengevaluasi usia biologis darah, hati, otak, dan berbagai jaringan lainnya. Pertama, ia mengukur proporsi sel di setiap sampel yang menunjukkan metilasi di lokasi tertentu. Dari data itu, ia membuat profil jaringan yang menggambarkan proporsi sel yang termetilasi di setiap situs.
Untuk membangun sebuah jam, ia memberi makan komputer ribuan profil epigenetik bersama dengan usia setiap jaringan yang diprofilkan. Melalui pembelajaran mesin, komputer menghubungkan usia dengan pola metilasi. Ini juga mempersempit jumlah situs yang diperlukan untuk memprediksi usia. Komputer kemudian menimbang signifikansi metilasi setiap situs dalam perhitungannya untuk menciptakan formula prediksi terbaik untuk usia, yang diuji Horvath pada satu set sampel terpisah dari usia yang diketahui.
Dalam dua tahun, dia telah menggabungkan jam penuaan jaringan mereka yang terpisah menjadi satu formula untuk jam "pan-tissue", diterbitkan pada 2013. Jam pan-tissue adalah "pengubah permainan," kata Daniel Belsky, seorang ahli epidemiologi di Sekolah Kesehatan Masyarakat Columbia Mailman. Rumus yang diterapkan pada setiap dan semua sel manusia yang mengandung DNA. Dan siapa pun dapat menggunakannya — Horvath meletakkan perangkat lunaknya di internet. Dengan mengunggah data metilasi mereka sendiri, para ahli biologi dapat mengetahui berapa banyak waktu yang dihabiskan untuk sel-sel dalam sampel mereka.
Mengukur Penurunan
Jam pan-tissue Horvath secara ajaib akurat dalam memprediksi usia kronologis. Ini juga tampaknya mencerminkan perbedaan mendasar yang penting antara usia kronologis dan biologis. Para peneliti menemukan bahwa ketika jam epigenetik memperkirakan usia seseorang lebih besar dari usia kronologisnya, orang tersebut menghadapi risiko penyakit dan kematian yang lebih tinggi. Ketika jam memperkirakan bahwa seseorang lebih muda, risiko mereka turun. Meskipun jam epigenetik diturunkan dari data usia kronologis, algoritmanya memprediksi kematian lebih baik daripada usia.
Jadi pada akhir 2014, Horvath mulai melacak usia biologis secara eksplisit. Dia dan rekan-rekannya, termasuk Morgan Levin (seorang peneliti patologi di Universitas Yale yang baru saja bergabung dengan Altos Labs) dan Luigi Ferucci dari National Institute on Aging, melatih algoritme pada ukuran gabungan yang mencakup usia kronologis serta hasil sembilan tes kimia darah yang meramalkan penyakit dan kematian. Data tersebut berasal dari darah lebih dari 9,900 orang dewasa dalam Survei Pemeriksaan Kesehatan dan Gizi Nasional. Jam yang dihasilkan DNAm PhenoAge, yang diterbitkan pada tahun 2018, memperkirakan kematian secara keseluruhan dan risiko penyakit kardiovaskular, penyakit paru-paru, kanker dan diabetes, di antara hasil lainnya. Setahun kemudian, Horvath dan tim yang dipimpin oleh Ake T. Lu dari UCLA merilis prediksi waktu kematian yang lebih tepat, Zaman Suram, yang melihat jenis kelamin seseorang, usia kronologis, riwayat merokok, dan penanda kematian protein darah.
Alat baru dari Belsky dan rekan-rekannya, yang diperkenalkan pada tahun 2020 dan diperbarui awal tahun ini, berfungsi sebagai speedometer yang menua. Dalam menciptakan mereka Kecepatan Penuaan biomarker, mereka menghitung laju perubahan dalam 19 penanda fungsi organ pada empat usia, menyusunnya menjadi satu indeks, dan memodelkannya dengan metilasi. "Kami sebenarnya mengukur proses berkelanjutan penurunan terkait usia dan integritas sistem," kata Belsky. Mereka yang menua lebih cepat dengan ukuran ini meninggal lebih muda, katanya, menambahkan bahwa itu memprediksi kematian sama seperti GrimAge dan dapat memperkirakan stroke dan demensia bahkan lebih baik.
Pertanyaan Kuno
Pada tahun 2017, perwakilan dari Yayasan Keluarga Paul G. Allen mendekati Horvath setelah salah satu ceramahnya. Mereka menyukai karyanya dan menyarankan agar dia bermimpi besar, karena yayasan mendukung upaya berisiko tinggi. Temukan proyek yang tidak akan didanai orang lain, kata mereka.
Tidak butuh waktu lama bagi Horvath untuk menyarankan jam penuaan yang akan berlaku untuk semua vertebrata. Usulan itu disahkan — cukup aneh — tetapi ketika Horvath menyadari besarnya apa yang akan terjadi, rencana itu berubah menjadi jam yang relatif terkendali untuk semua mamalia.
Pada Januari 2021, Horvath memiliki data metilasi dari 128 spesies mamalia, dan dia memposting jamnya di server pracetak biorxiv.org. “Rumus matematika yang sama, sitosin yang sama untuk tikus atau tikus atau anjing atau babi. Kami dapat mengukur penuaan pada semua spesies ini,” kata Horvath. Namun, dia menjelajahi dunia lebih jauh.
Pada akhir musim panas tahun lalu, Horvath berhubungan dengan Darren Pietersen, seorang ahli trenggiling di Yayasan Tikki Hywood di Harare, Zimbabwe, menawarkan kepadanya persediaan untuk mengumpulkan data dari trenggiling dan beberapa spesies lainnya. Bahkan tidak ada yang tahu pasti berapa lama trenggiling hidup. Beberapa akun resmi mengatakan 15 hingga 20 tahun, tetapi Pietersen berpikir setidaknya beberapa jenis hidup lebih lama. “Satu-satunya hewan yang kami tuai baru-baru ini berusia sekitar 34 tahun (walaupun dengan margin kesalahan yang cukup lebar),” tulisnya.
Dari data jaringan yang disediakan, Horvath membuat jam trenggiling, satu lagi pengatur waktu hidup untuk menambah koleksinya. “Anda ingin jam babi, saya punya jam babi. Saya punya jam untuk kanguru dan gajah,” kata Horvath. Setiap jam khusus spesies adalah anugerah bagi para ilmuwan di lapangan. Peneliti gajah, misalnya, menginginkan jam gajah agar bisa memastikan struktur umur populasi liar untuk membantu upaya konservasi.
Tetapi jam yang menggabungkan semuanya dapat membantu menjawab pertanyaan yang lebih mendasar: Apa itu penuaan? Satu pandangan adalah bahwa tubuh Anda menua seperti sepatu Anda, secara bertahap memudar dan terlepas dari keausan. Tapi prediksi sukses dari jam pan-mamalia menyiratkan bahwa ada sesuatu yang juga menyebabkan sel gagal pada jadwal tertentu, mungkin karena gen perkembangan yang tidak mati ketika pekerjaan mereka selesai. "Ini menunjukkan elemen determinisme dalam penuaan," kata Raj, salah satu dari lebih dari 100 pembuat jam.
Data dari jam metilasi menunjukkan bahwa penuaan dimulai sangat dini, jauh sebelum tubuh rusak. Di sebuah kertas 2021, Gladyshev dan rekan-rekannya menggambarkan jam metilasi yang menentukan tahapan perkembangan mamalia. Mereka menemukan bahwa selama embriogenesis awal pada tikus, semacam peremajaan mengembalikan usia embrio ke nol. Penuaan biologis kemudian berlangsung dengan cepat, meskipun anak-anak manusia bisa dibilang tumbuh lebih kuat, bukan lebih lemah, selama ini, dan kematian pada manusia. menurun sampai sekitar usia 9. “Bagi saya itu sangat mendalam karena menjawab pertanyaan tentang penuaan ini ke proses yang tidak dapat dipisahkan dari proses perkembangan,” kata Raj.
Dua penelitian terbaru tentang tikus mol telanjang, hewan pengerat dengan rentang hidup 37 tahun yang sangat panjang, menunjukkan bahwa hewan itu menua secara epigenetik, meskipun peluangnya untuk mati tidak meningkat seiring dengan usia kronologis. “Saya pikir angka kematian bukanlah ukuran terbaik dari penuaan,” kata Gladyshev, yang memimpin salah satu studi. "Penuaan adalah konsekuensi yang tak terhindarkan dari hidup."
Penuaan masih mencerminkan efek dari pengalaman, perilaku dan lingkungan tentunya. Merokok dan paparan sinar matahari, misalnya, dapat mempercepatnya, seperti yang diukur dengan metilasi dan penanda lainnya, dan olahraga atau diet rendah kalori dapat menghentikannya. Dalam karya yang diterbitkan Maret lalu, jam epigenetik disesuaikan dengan marmut menunjukkan bahwa hibernasi memperlambat penuaan, dan kertas diterbitkan minggu lalu menunjukkan bahwa hal yang sama berlaku untuk kelelawar. Sebuah jam dibuat untuk kera rhesus menunjukkan bahwa pada tahun 2017 Badai Maria mempercepat penuaan di koloni monyet di sebuah pulau di lepas pantai Puerto Rico.
Original Sin
Tidak ada yang tahu sepenuhnya mengapa jam bekerja. Beberapa tetapi tidak semua gen dan jalur molekuler yang terlibat telah diidentifikasi, dan para peneliti masih mempelajari bagaimana pola metilasi memengaruhi perilaku dan kesehatan sel, jaringan, dan organ. “Itu kembali ke apa yang saya sebut 'dosa asal konstruksi,'” kata Horvath. “Ini didasarkan pada model regresi [statistik] yang pada tingkat tertentu tidak sesuai dengan biologi.”
Untuk menebus dosa ini, Raj dan Horvath mulai mencari korelasi biologis untuk penuaan epigenetik. Gangguan jalur biokimia yang digunakan tubuh untuk merasakan kebutuhan nutrisi memperlambat penuaan, baru-baru ini mereka temukan, sesuai dengan efek diet pembatasan kalori pada penuaan. Menggelincirkan cara kerja mitokondria mempercepatnya. Jam juga melacak pematangan sel induk. Jika proses-proses ini terhubung pada tingkat yang lebih dalam, jam epigenetik dapat mengungkapkan mekanisme pemersatu untuk penuaan, tulis para penulis di tahun 2022. kertas masuk Penuaan Alam.
Apa mekanisme pemersatu itu atau mengapa status metilasi melacak penuaan dengan sangat baik, bagaimanapun, belum sepenuhnya ditentukan. "Kami tidak benar-benar tahu apakah jam epigenetik terkait dengan penuaan," kata Hägg.
Meskipun demikian, jam epigenetik hampir pasti hanya mengukur sebagian dari apa yang terjadi selama penuaan, kata Matt Kaeberlein, seorang peneliti di Fakultas Kedokteran Universitas Washington di Seattle yang mempelajari biologi penuaan. "Apakah mereka benar-benar mengukur lebih dari satu dimensi usia biologis tidak jelas," katanya. “Ini adalah bagian dari masalah di sini – penggabungan usia epigenetik dengan usia biologis. Itu tidak setara dalam pandangan saya. ”
Raj berspekulasi bahwa perubahan metilasi mencerminkan hilangnya identitas seluler seiring bertambahnya usia. Semua sel dalam tubuh memiliki DNA yang sama, jadi yang membuat sel hati menjadi sel hati dan sel jantung menjadi sel jantung adalah pola ekspresi gen, yang dikontrol oleh epigenetik. Ketika perubahan dalam metilasi terakumulasi seiring bertambahnya usia, beberapa dari kontrol itu mungkin hilang, digantikan oleh program perkembangan yang muncul kembali yang harus dimatikan, saran Raj.
Meskipun jam metilasi mungkin merupakan monitor usia biologis yang paling akurat untuk saat ini, beberapa penelitian menyarankan ada ruang untuk perbaikan. Prediktor yang lebih tepat mungkin menggabungkan sifat seluler yang dapat diukur — katakanlah, tingkat ekspresi protein, metabolit, atau gen — dengan sinyal fisiologis dan indeks kelemahan. “Kita bisa mengukur begitu banyak hal dalam diri manusia sekarang,” kata Hägg. "Semakin banyak hal-hal ini yang Anda ukur, semakin akurat Anda akan menangkap penuaan Anda."
Jam metilasi juga memiliki kegunaan klinis yang terbatas, Hägg memperingatkan. Orang dapat membeli pembacaan usia biologis mereka dari berbagai sumber komersial, tetapi tidak hanya hasilnya yang sering tidak konsisten, mereka juga tidak memiliki relevansi klinis karena jam dimaksudkan untuk analisis tingkat kelompok dalam penelitian. "Mereka tidak dibangun untuk menjadi prediktif pada tingkat individu," katanya.
Dan bahkan jika seseorang mengubah gaya hidup mereka dengan cara yang menurunkan usia biologis mereka yang diukur dengan jam ini, apakah mereka akan memiliki umur yang lebih panjang atau risiko penyakit yang lebih rendah? “Kami belum tahu itu,” kata Kaeberlein.
Horvath sekarang sedang mempersiapkan makalah tentang jam pan-mamalia untuk dikirim ke jurnal. Meskipun ia tampaknya telah mencapai tujuannya, kesenjangan dalam koleksinya masih mengganggunya. Pada bulan Mei, ia berkorespondensi dengan kurator senior di sebuah museum di Australia tentang memperoleh jaringan dari tikus berkantung, makhluk kecil yang sebagian besar buta yang menghabiskan sebagian besar waktunya di bawah tanah. “Kami sudah membuat data dari 348 spesies mamalia, tetapi kami ingin menambahkan lebih banyak lagi,” katanya.
Ketika Horvath mengusulkan proyek ini, dia mulai menganalisis 30 spesies, tetapi 30 segera menjadi 50, lalu 100, kemudian lebih dari tiga kali lipat. "Saya perlu mengatur kecepatan saya sendiri," katanya, "karena saya memiliki dorongan untuk mengumpulkan lebih banyak."
