Questa volta un anno fa, Steve Horvat stava cercando il DNA del pangolino. L'antico formichiere squamoso sarebbe stato il primo per la sua collezione, che allora contava circa 200 mammiferi. "Non avevo nessuno di quell'ordine, motivo per cui li desideravo disperatamente", ha ricordato.
Dall'estate del 2017, Horvath, che fino a poco tempo fa era un ricercatore anti-età presso l'Università della California, Los Angeles, ha trascorso fino a 10 ore al giorno scrivendo e-mail a zoo, musei, acquari e laboratori. Ha partecipato a discorsi su pipistrelli e diavoli della Tasmania per incontrare i loro custodi. Ha raggiunto gli angoli più remoti del mondo, chiedendo il DNA di volpi volanti, cercopitechi, maialini e balene.
Con quel vasto serraglio di campioni, ha costruito orologi computazionali in grado di calcolare l'età di creature diverse come toporagni, koala, zebre, maiali e "ogni balena che puoi nominare", ha detto, solo guardando il loro DNA. Ma quelli erano solo passi verso il completamento dell'ambizioso progetto di Horvath: un orologio universale in grado di misurare l'età biologica di qualsiasi mammifero.
Misurare l'età potrebbe non essere più difficile che usare l'orologio o il calendario più vicini. Ma l'età cronologica è una metrica imperfetta poiché alcuni individui e tessuti mostrano gli effetti dell'età più rapidamente di altri. Per decenni, gli scienziati hanno cercato un modo oggettivo e versatile per misurare l'invecchiamento biologico, i cambiamenti nella funzione sana nel tempo. "Vuoi avere un biomarcatore che misuri accuratamente l'età in molti diversi tessuti e tipi di cellule", ha affermato Horvath, che ha lasciato l'UCLA quest'anno per diventare uno dei ricercatori principali presso Altos Labs, una startup di biotecnologie che lavora per il ringiovanimento delle cellule.
Horvath e i suoi colleghi hanno completato una versione dell'orologio pan-mammifero all'inizio di quest'anno. Ora lui e altri ricercatori sperano di identificare i processi molecolari comuni a diverse creature che rendono possibile un simile orologio. Capire perché orologi come questo funzionano, ritiene Horvath, potrebbe aiutarci a condurci a quella che chiama "la vera causa principale dell'invecchiamento".
I suoi orologi si basano sull'analisi dei tag chimici chiamati gruppi metilici che sono appesi al DNA come ciondoli su un braccialetto e aiutano a controllare l'attività genica. Sono prodotti dell'epigenetica (letteralmente, “sopra la genetica”), il campo che studia le informazioni ereditabili non scritte nel codice genetico. Una dozzina di anni fa, Horvath e i suoi colleghi hanno iniziato ad applicare il loro know-how alla costruzione degli orologi, prima per valutare l'età del DNA dalla saliva e poi per determinare l'età del sangue, del fegato e di altri singoli tessuti.
Molti biologi all'inizio erano scettici perché gli orologi erano radicati nella statistica piuttosto che nella comprensione dei meccanismi biomolecolari. Eppure la precisione degli orologi ha resistito ai test e ha inviato increspature alla comunità biomedica. Gli scienziati hanno iniziato a utilizzare gli orologi Horvath nella loro ricerca per misurare l'invecchiamento delle cellule perché gli orologi erano migliori arbitri dello stato del corpo e del rischio di malattia rispetto all'età cronologica. "Gli orologi epigenetici sono più vicini all'effettivo processo di invecchiamento rispetto a qualsiasi altro biomarcatore", ha affermato Vadim Gladyshev, biochimica del Brigham and Women's Hospital e della Harvard Medical School che studia cancro e invecchiamento. Ora gli orologi stanno portando alcuni scienziati a ripensare le loro idee su cosa sia l'invecchiamento, nonché sulla sua connessione alle malattie.
"Ora ho collaboratori che lavorano molto sul cancro al seno e [sto] iniziando a pensare: 'Se hai un invecchiamento biologico avanzato, è anche informativo per il cancro al seno?'", ha detto Sara Hagg, un epidemiologo molecolare presso il Karolinska Institute di Stoccolma, Svezia. Se gli orologi possono illuminare utilmente come impedire al processo di invecchiamento di innescare disturbi legati all'età, ha aggiunto, "potremmo prevenire non solo una malattia, ma molte".
Vedere un segnale
Più e più volte nei decenni passati, i ricercatori biologici pensavano che un orologio per l'invecchiamento fosse a portata di mano. Ad esempio, all'inizio degli anni '1960 hanno appreso che le cellule che crescono in coltura non sono immortali ma muoiono invece dopo solo 40-60 cicli di replicazione, il che suggerisce che le cellule ospitano una sorta di orologio dell'invecchiamento. Nel 1982, i ricercatori pensavano di aver scoperto il meccanismo dell'orologio isolando i telomeri, complessi DNA-proteine alle estremità dei cromosomi che si accorciano ogni volta che una cellula si divide; quando i telomeri diventano estremamente corti, le cellule muoiono.
Ma i telomeri non si sono rivelati un orologio che invecchia. La correlazione della lunghezza dei telomeri con l'età e la mortalità è debole negli esseri umani e inesistente in alcune altre specie. "Telomere [lunghezza] in realtà non tiene traccia dell'età. Tiene solo traccia della proliferazione cellulare", ha detto Ken Raj, ricercatore principale presso Altos Labs.
In alternativa alla lunghezza dei telomeri, nel 2009 Horvath ha iniziato a lavorare su un orologio basato sulle trascrizioni di RNA dei geni attivi di una cellula, i modelli per le proteine che definiscono una cellula e le consentono di funzionare. Per i due anni successivi ha cercato di far funzionare quell'approccio, inutilmente: i dati di trascrizione erano semplicemente troppo rumorosi.
Ma nel 2010 Horvath ha risposto alla richiesta di aiuto di un collega dell'UCLA. Per studiare le possibili connessioni tra orientamento sessuale ed epigenetica, il ricercatore stava raccogliendo saliva da gemelli identici che differivano nell'orientamento sessuale, con l'ipotesi che il DNA nelle loro cellule salivari potesse rivelare alcune differenze consistenti nei modelli di metilazione. Il fratello gemello di Horvath è gay; Horvath è eterosessuale. Hanno fornito il loro sputo.
L'analisi dello studio ha esaminato i siti nel DNA in cui si trovano le basi della citosina e ha verificato quali di esse erano metilate. (Le citosine sono le uniche basi a cui si attaccano i gruppi metilici.) Una tecnologia lab-on-a chip introdotta di recente ha reso facile testare decine di migliaia di siti di citosina nel DNA di ciascuna cellula. Quando il collega aveva bisogno di uno statistico per analizzare i dati, Horvath si offrì volontario.
Non ha trovato quello che stavano cercando. "Non c'era alcun segnale per l'omosessualità", ha detto Horvath. "Ma poiché i dati erano sul mio computer, ho detto, fammi guardare agli effetti dell'invecchiamento", poiché l'età dei gemelli nello studio è stata di decenni.
Fino ad allora, Horvath si era tenuto alla larga dai dati epigenetici nella sua stessa ricerca. La relazione tra i modelli di metilazione e l'espressione genica è disordinata e indiretta e sembrava improbabile che mostrasse una connessione molto utile con l'invecchiamento. Ma ora che aveva a disposizione questa manna di dati epigenetici, guardare non sembrava male.
Horvath iniziò ad abbinare i modelli di metilazione con l'età dei gemelli. In qualsiasi campione di saliva - o in qualsiasi campione di qualsiasi tessuto - non tutte le cellule mostreranno lo stesso schema di metilazione. Ma la proporzione di cellule che sono metilate a una data citosina nel DNA può essere misurata. In un campione, ad esempio, il 40% delle cellule potrebbe essere metilato in una determinata posizione; in un altro, tale proporzione potrebbe essere del 45% o del 60%.
Con sua sorpresa, Horvath ha trovato una forte correlazione tra l'età e la proporzione di cellule con metilazione, anche quando ha osservato un solo sito nel DNA. Guardare più posizioni ha aumentato la precisione.
"Questo ha cambiato tutto per me", ha detto. "Una volta che ho guardato il segnale dell'invecchiamento, mi ha lasciato senza parole".
Horvath ha costruito un modello che previsto l'età di una persona dallo stato di metilazione di circa 300 citosine in milioni di cellule in un campione di saliva. "Tu sputi in una tazza e possiamo misurare la tua età", ha detto.
Ben presto stava costruendo modelli di orologio epigenetico per valutare l'età biologica del sangue, del fegato, del cervello e di vari altri tessuti. In primo luogo, ha misurato le proporzioni di cellule in ciascun campione che mostravano metilazione in siti specifici. Da quei dati, ha creato profili dei tessuti che descrivevano le proporzioni delle cellule metilate in ciascun sito.
Per costruire un orologio, ha alimentato un computer con migliaia di profili epigenetici insieme all'età di ciascun tessuto profilato. Attraverso l'apprendimento automatico, il computer ha collegato le età ai modelli di metilazione. Ha anche ridotto il numero di siti necessari per prevedere l'età. Il computer ha quindi ponderato il significato della metilazione di ciascun sito nei suoi calcoli per creare la migliore formula predittiva per l'età, che Horvath ha testato su un insieme separato di campioni di età nota.
Nel giro di due anni, aveva combinato i loro orologi separati per l'invecchiamento dei tessuti in un'unica formula per un orologio "tessuto di pan"., pubblicato nel 2013. L'orologio pan-tissue è stato "il punto di svolta", ha affermato Daniele Belsky, un epidemiologo della Columbia Mailman School of Public Health. La formula applicata a tutte le cellule umane contenenti DNA. E chiunque potrebbe usarlo: Horvath ha messo il software su Internet. Caricando i propri dati di metilazione, i biologi hanno potuto scoprire quanto tempo era stato impiegato dalle cellule nei loro campioni.
Quantificazione del declino
L'orologio pan-tessuto di Horvath era miracolosamente accurato nel predire l'età cronologica. Sembrava anche riflettere importanti differenze sottostanti tra l'età cronologica e quella biologica. I ricercatori hanno scoperto che quando l'orologio epigenetico stimava che l'età di qualcuno fosse maggiore della sua età cronologica, la persona correva un rischio maggiore di malattia e morte. Quando l'orologio ha stimato che qualcuno era più giovane, il rischio è diminuito. Anche se l'orologio epigenetico è stato derivato da dati cronologici sull'età, il suo algoritmo prevedeva la mortalità meglio dell'età.
Quindi, alla fine del 2014, Horvath ha deciso di tracciare esplicitamente l'età biologica. Lui e i suoi colleghi, tra cui Morgan Levi (un ricercatore di patologia presso l'Università di Yale che è recentemente entrato a far parte degli Altos Labs) e Luigi Ferrucci del National Institute on Aging, ha addestrato un algoritmo su una misura composita che includeva l'età cronologica e i risultati di nove esami ematochimici che predicono malattie e mortalità. I dati provenivano dal sangue di oltre 9,900 adulti nel National Health and Nutrition Examination Survey. L'orologio risultante, DNAm FenoAge, pubblicato nel 2018, prevedeva la mortalità complessiva e il rischio di malattie cardiovascolari, malattie polmonari, cancro e diabete, tra gli altri risultati. Un anno dopo, Horvath e un team guidato da Ake T. Lu dell'UCLA hanno rilasciato un predittore ancora più preciso del tempo fino alla morte, Grim Age, che ha esaminato il sesso, l'età cronologica, la storia del fumo e i marcatori di mortalità delle proteine del sangue di una persona.
Un nuovo strumento di Belsky e dei suoi colleghi, introdotto nel 2020 e aggiornato all'inizio di quest'anno, funge da vecchio tachimetro. Nel creare il loro Ritmo di invecchiamento biomarcatore, hanno quantificato il tasso di cambiamento in 19 marcatori della funzione d'organo a quattro età, li hanno compilati in un unico indice e lo hanno modellato con la metilazione. "Stiamo effettivamente quantificando il processo in corso di declino legato all'età e integrità del sistema", ha affermato Belsky. Coloro che invecchiano più velocemente in base a questa misura muoiono più giovani, ha detto, aggiungendo che predice la mortalità tanto quanto GrimAge e può prevedere ictus e demenza anche meglio.
Domanda secolare
Nel 2017, i rappresentanti della Paul G. Allen Family Foundation si sono rivolti a Horvath dopo uno dei suoi discorsi. Gli piaceva il suo lavoro e gli suggerivano di sognare in grande, perché la fondazione supporta attività ad alto rischio. Trova un progetto che nessun altro finanzierebbe, dicevano.
Non ci volle molto a Horvath per suggerire un orologio dell'invecchiamento che si applicasse a tutti i vertebrati. La proposta è stata approvata - era abbastanza stravagante - ma quando Horvath si è reso conto dell'entità di ciò che avrebbe comportato, il piano si è trasformato in un orologio relativamente limitato per tutti i mammiferi.
Entro gennaio 2021, Horvath aveva dati sulla metilazione di 128 specie di mammiferi e lui ha pubblicato il suo orologio sul server di prestampa biorxiv.org. “La stessa formula matematica, le stesse citosine per un topo o un topo o un cane o un maiale. Possiamo misurare l'invecchiamento in tutte queste specie", ha detto Horvath. Tuttavia, ha setacciato il mondo per saperne di più.
Entro la fine dell'estate dello scorso anno, Horvath era in contatto con Darren Pietersen, un esperto di pangolini al Fondazione Tikki Hywood ad Harare, Zimbabwe, offrendogli rifornimenti per la raccolta di dati dai pangolini e da molte altre specie. Nessuno sapeva con certezza per quanto tempo vivono i pangolini. Alcuni resoconti ufficiali dicevano da 15 a 20 anni, ma Pietersen pensava che almeno alcuni tipi vivessero più a lungo. "L'unico animale che abbiamo invecchiato di recente aveva circa 34 anni (sebbene con un margine di errore abbastanza ampio)", ha scritto.
Dai dati sui tessuti forniti, Horvath ha costruito un orologio a pangolino, un altro timer per la durata della vita da aggiungere alla sua collezione. “Tu vuoi un orologio da maiale, io ho un orologio da maiale. Ho un orologio per i canguri e per gli elefanti", ha detto Horvath. Ogni orologio specie-specifico è stato un vantaggio per gli scienziati del settore. I ricercatori sugli elefanti, ad esempio, volevano l'orologio degli elefanti in modo da poter accertare la struttura per età delle popolazioni selvatiche per aiutare gli sforzi di conservazione.
Ma un orologio che li unisca tutti può aiutare a rispondere a una domanda più basilare: cos'è l'invecchiamento? Un punto di vista è che il tuo corpo invecchia come le tue scarpe, svanendo gradualmente e cadendo a pezzi per l'usura. Ma le previsioni di successo dell'orologio pan-mammifero implicano che qualcosa causa anche il malfunzionamento delle cellule in un determinato orario, forse a causa dei geni dello sviluppo che non si spengono quando il loro lavoro è terminato. "Questo suggerisce un elemento di determinismo nell'invecchiamento", ha affermato Raj, uno degli oltre 100 costruttori di orologi.
I dati degli orologi di metilazione suggeriscono che l'invecchiamento inizia molto presto, molto prima che il corpo si rompa. In un carta 2021, Gladyshev e i suoi colleghi descrivono un orologio di metilazione che data le fasi dello sviluppo dei mammiferi. Hanno scoperto che durante la prima embriogenesi nei topi, una sorta di ringiovanimento riporta l'età dell'embrione a zero. L'invecchiamento biologico procede quindi rapidamente, anche se i bambini umani stanno probabilmente diventando più forti, non più deboli, durante questo periodo, e la mortalità negli esseri umani diminuisce fino a circa 9 anni. "Questo è per me molto profondo perché inchioda questa questione dell'invecchiamento a un processo che è inestricabile dal processo di sviluppo", ha detto Raj.
Due studi recenti sulla talpa nuda, un roditore con una durata di vita improbabile di 37 anni, mostrano che l'animale invecchia epigeneticamente, anche se le sue possibilità di morire non aumentano con l'età cronologica. "Penso che il tasso di mortalità non sia la migliore misura dell'invecchiamento", ha affermato Gladyshev, che ha guidato uno degli studi. "L'invecchiamento è una conseguenza inevitabile dell'essere vivi."
L'invecchiamento riflette ancora gli effetti dell'esperienza, del comportamento e dell'ambiente, ovviamente. Il fumo e l'esposizione al sole, ad esempio, possono accelerarlo, come misurato dalla metilazione e da altri marcatori, e l'esercizio o una dieta ipocalorica possono bloccarlo. In lavoro pubblicato lo scorso marzo, un orologio epigenetico su misura per le marmotte ha mostrato che l'ibernazione rallenta l'invecchiamento e un documento pubblicato la scorsa settimana ha mostrato che lo stesso vale per i pipistrelli. Un orologio fatto per i macachi rhesus suggerisce che nel 2017 l'uragano Maria ha accelerato l'invecchiamento in una colonia di scimmie su un'isola al largo della costa di Porto Rico.
Original Sin
Nessuno sa del tutto perché gli orologi funzionano. Alcuni, ma non tutti, i geni e i percorsi molecolari coinvolti sono stati identificati e i ricercatori stanno ancora imparando come i modelli di metilazione influenzino i comportamenti e la salute di cellule, tessuti e organi. "Ritorna a quello che chiamo 'il peccato originale della costruzione'", ha detto Horvath. "Si basa su un modello di regressione [statistico] che è a un certo livello agnostico rispetto alla biologia".
Per espiare questo peccato, Raj e Horvath hanno iniziato a cercare correlati biologici per l'invecchiamento epigenetico. Le perturbazioni dei percorsi biochimici che il corpo utilizza per percepire il suo bisogno di nutrienti rallenta l'invecchiamento, hanno scoperto di recente, in accordo con gli effetti delle diete ipocaloriche sull'invecchiamento. Far deragliare il funzionamento dei mitocondri lo accelera. L'orologio tiene traccia anche della maturazione delle cellule staminali. Se questi processi sono collegati a un livello più profondo, gli orologi epigenetici potrebbero rivelare meccanismi unificanti per l'invecchiamento, hanno scritto gli autori in un 2022 carta dentro Natura invecchiamento.
Quali potrebbero essere questi meccanismi unificanti o perché lo stato di metilazione segua così bene l'invecchiamento, tuttavia, deve ancora essere completamente determinato. "Non sappiamo davvero se gli orologi epigenetici siano collegati in modo causale con l'invecchiamento", ha detto Hägg.
Anche se lo sono, gli orologi epigenetici stanno quasi certamente misurando solo una parte di ciò che accade durante l'invecchiamento, ha affermato Matt Kaeberlein, ricercatore presso la University of Washington School of Medicine di Seattle che studia la biologia dell'invecchiamento. "Non è chiaro se stiano effettivamente misurando più di una singola dimensione dell'età biologica", ha detto. “Questo è parte del problema qui: la fusione dell'età epigenetica con l'età biologica. Quelli non sono equivalenti a mio avviso”.
Raj ipotizza che i cambiamenti di metilazione riflettano una perdita di identità cellulare con l'età. Tutte le cellule del corpo hanno lo stesso DNA, quindi ciò che rende una cellula del fegato una cellula del fegato e una cellula del cuore una cellula del cuore è il modello di espressione genica, che l'epigenetica controlla. Poiché i cambiamenti nella metilazione si accumulano con l'età, alcuni di questi controlli potrebbero essere persi, sostituiti da programmi di sviluppo riemergenti che dovrebbero essere disattivati, suggerisce Raj.
Sebbene per ora gli orologi di metilazione possano essere i monitor più accurati dell'età biologica, alcuni studi suggeriscono c'è spazio per migliorare. Un predittore più preciso potrebbe combinare proprietà cellulari quantificabili, ad esempio livelli di espressione di proteine, metaboliti o geni, con segnali fisiologici e un indice di fragilità. "Possiamo misurare così tante cose in un essere umano ora", ha detto Hägg. "Più di queste cose quantifichi, più accuratamente catturerai il tuo invecchiamento".
Gli orologi di metilazione hanno anche usi clinici limitati, ha avvertito Hägg. Le persone possono acquistare una lettura della loro età biologica da varie fonti commerciali, ma non solo i risultati sono spesso incoerenti, ma mancano di rilevanza clinica perché gli orologi erano pensati per analisi a livello di gruppo nella ricerca. "Non sono costruiti per essere predittivi a livello individuale", ha detto.
E anche se qualcuno cambia il proprio stile di vita in modo da abbassare la propria età biologica misurata da questi orologi, avrà una vita più lunga o un minor rischio di malattia? "Non lo sappiamo ancora", ha detto Kaeberlein.
Horvath sta ora preparando un articolo sul suo orologio pan-mammifero da sottoporre a un diario. Sebbene apparentemente abbia raggiunto il suo obiettivo, le lacune nella sua collezione lo tormentano ancora. A maggio, ha corrisposto con curatori senior in un museo in Australia sull'acquisizione di tessuti da talpe marsupiali, una piccola creatura in gran parte cieca che trascorre la maggior parte del suo tempo sottoterra. "Abbiamo già generato dati da 348 specie di mammiferi, ma vorremmo aggiungerne altri", ha affermato.
Quando Horvath ha proposto questo progetto, ha deciso di analizzare 30 specie, ma 30 sono diventate presto 50, poi 100, quindi più del triplo. "Ho bisogno di ritmo", ha detto, "perché ho questo impulso a raccogliere di più".
