הפעם לפני שנה, סטיב הורבת חיפש דנ"א של פנגולין. דוב הנמלים הקשקשים הקדום יהיה ראשון לאוסף שלו, שהיה אז חזק בכ-200 יונקים. "לא היה לי שום דבר מהסדר הזה, וזו הסיבה שרציתי אותם מאוד", הוא נזכר.
מאז קיץ 2017, הורבאת', שעד לאחרונה הייתה א חוקר אנטי אייג'ינג באוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס, בילה עד 10 שעות ביום בכתיבה של מיילים לגני חיות, מוזיאונים, אקווריומים ומעבדות. הוא השתתף בשיחות על עטלפים ושדים טסמניים כדי לפגוש את שומריהם. הוא הושיט יד אל הפינות הרחוקות של העולם, מתחנן ל-DNA של שועלים מעופפים, קופים חריפים, מיני חזירים ולווייתני קשת.
עם המאגר העצום הזה של דגימות, הוא בנה שעונים חישוביים שיכולים לחשב את גילם של יצורים מגוונים כמו שרצים, קואלות, זברות, חזירים ו"כל לוויתן שאתה יכול לתת שם", אמר, רק על ידי התבוננות ב-DNA שלהם. אבל אלה היו רק צעדים לקראת השלמת צילום הירח השאפתני של הורוואת' של פרויקט: שעון אוניברסלי שיכול למדוד את הגיל הביולוגי של כל יונק.
מדידת גיל עשויה להיראות לא קשה יותר משימוש בשעון או בלוח השנה הקרובים ביותר. אבל גיל כרונולוגי הוא מדד לא מושלם מכיוון שכמה פרטים ורקמות מראים את השפעות הגיל מהר יותר מאחרות. במשך עשרות שנים, מדענים חיפשו דרך אובייקטיבית ורב-תכליתית למדידת הזדקנות ביולוגית, השינויים בתפקוד בריא לאורך זמן. "אתה רוצה שיהיה לך סמן ביולוגי שמודד במדויק את הגילאים ברקמות ובסוגי תאים רבים ושונים", אמר הורוואת', שעזב את UCLA השנה כדי להיות חוקר ראשי ב-Altos Labs, סטארט-אפ ביוטכנולוגיה הפועל למען התחדשות התאים.
הורבאת' ועמיתיו השלימו גרסה של השעון הפאן-יונק מוקדם יותר השנה. כעת הוא וחוקרים אחרים מקווים לזהות את התהליכים המולקולריים המשותפים ליצורים מגוונים שמאפשרים שעון כזה. ההבנה מדוע שעונים כמו זה עובדים, מאמין הורוואת', יכולה לעזור להוביל אותנו למה שהוא מכנה "הגורם האמיתי להזדקנות".
השעונים שלו מבוססים על ניתוחים של התגים הכימיים הנקראים קבוצות מתיל התלויות על DNA כמו קסמים על צמיד ועוזרות לשלוט בפעילות הגנים. הם תוצרים של אפיגנטיקה (מילולית, "מעל גנטיקה"), התחום החוקר מידע תורשתי שאינו כתוב בקוד הגנטי. לפני תריסר שנים, הורוואת' ועמיתיו החלו ליישם את הידע שלהם בבניית השעונים, תחילה כדי להעריך את גיל ה-DNA מרוק, ומאוחר יותר כדי לקבוע את גיל הדם, הכבד ורקמות בודדות אחרות.
ביולוגים רבים היו סקפטיים בהתחלה מכיוון שהשעונים היו נטועים בסטטיסטיקה ולא בהבנה של מנגנונים ביו-מולקולריים. עם זאת, הדיוק של השעונים עמד בבדיקות ושלח אדוות דרך הקהילה הביו-רפואית. מדענים החלו להשתמש בשעוני הורוואת' במחקריהם כדי למדוד את הזדקנות התאים מכיוון שהשעונים היו פוסקים טוב יותר את מצב הגוף ואת הסיכון למחלות מאשר גיל כרונולוגי. "שעונים אפיגנטיים קרובים יותר לתהליך ההזדקנות בפועל מכל סמנים ביולוגיים אחרים", אמר ואדים גלדישב, ביוכימאי בבית החולים Brigham and Women's Hospital ובבית הספר לרפואה של הרווארד שחוקר סרטן והזדקנות. כעת השעונים מובילים כמה מדענים לחשוב מחדש על הרעיונות שלהם לגבי מהי הזדקנות, כמו גם הקשר שלה למחלות.
"יש לי כעת משתפי פעולה שעובדים הרבה בסרטן השד ו[מתחילים] לחשוב על, 'אם יש לך הזדקנות ביולוגית מתקדמת, האם זה גם אינפורמטיבי לסרטן השד?'" אמר. שרה האג, אפידמיולוג מולקולרי במכון קרולינסקה בשטוקהולם, שוודיה. אם השעונים יכולים להאיר בצורה מועילה כיצד לעצור את תהליך ההזדקנות מלעורר הפרעות הקשורות לגיל, היא הוסיפה, "נוכל למנוע לא רק מחלה אחת אלא הרבה."
רואה אות
פעם אחר פעם בעשורים האחרונים, חוקרים ביולוגיים חשבו ששעון להזדקנות נמצא בהישג יד. לדוגמה, הם למדו בתחילת שנות ה-1960 שתאים הגדלים בתרבית אינם בני אלמוות אלא מתים לאחר 40-60 סבבים בלבד של שכפול, מה שהצביע על כך שתאים מכילים סוג של שעון מזדקן. ב-1982 חשבו החוקרים שאולי מצאו את מנגנון השעון כאשר בודדו טלומרים, קומפלקסים של DNA-חלבון בקצוות הכרומוזומים המתקצרים בכל פעם שתא מתחלק; כאשר הטלומרים הופכים קצרים באופן קריטי, התאים מתים.
אבל הטלומרים לא התגלגלו כשעון מזדקן. המתאם של אורך הטלומרים עם הגיל והתמותה חלש בבני אדם ואינו קיים במינים אחרים. "טלומר [אורך] לא ממש עוקב אחר גיל. זה רק עוקב אחר התפשטות תאים", אמר קן ראג', חוקר ראשי ב-Altos Labs.
כחלופה לאורך הטלומרים, ב-2009 החל הורוואת לעבוד על שעון המבוסס על תעתיקי RNA של הגנים הפעילים של התא, התבניות לחלבונים שמגדירים תא ומאפשרים לו לפעול. במשך השנתיים הבאות הוא ניסה לגרום לגישה הזו לעבוד, ללא הועיל: נתוני התמלול היו פשוט רועשים מדי.
אבל בשנת 2010, הורוואת' ענה לבקשת עזרה מעמית ב-UCLA. כדי לחקור קשרים אפשריים בין נטייה מינית לאפיגנטיקה, החוקר אסף רוק מתאומים זהים שנבדלו בנטייה המינית, מתוך השערה שה-DNA בתאי הרוק שלהם עשוי לחשוף כמה הבדלים עקביים בדפוסי המתילציה. אחיו התאום של הורוואת' הוא הומו; הורוואת' הוא הטרוסקסואלי. הם סיפקו את הרוק שלהם.
ניתוח המחקר בדק אתרים ב-DNA שבהם נמצאים בסיסי ציטוזין ובדק אילו מהם היו מתילטים. (ציטוזינים הם הבסיסים היחידים אליהם מתחברים קבוצות מתיל.) טכנולוגיית מעבדה-על-שבב שהוצגה לאחרונה הקלה על בדיקת עשרות אלפי אתרי ציטוזין ב-DNA של כל תא. כשהקולגה נזקק לסטטיסטיקאי שינתח את הנתונים, הורוואת' התנדב בשירותיו.
הוא לא מצא את מה שחיפשו. "לא היה שום אות להומוסקסואליות", אמר הורוואת'. "אבל בגלל שהנתונים היו על המחשב שלי, אמרתי, הרשו לי להסתכל על השפעות ההזדקנות", שכן גילאי התאומים במחקר נמשכו עשרות שנים.
עד אז, הורוואת' התרחק מנתונים אפיגנטיים במחקר שלו. הקשר של דפוסי מתילציה לביטוי גנים הוא מבולגן ועקיף, ונראה שלא סביר שהוא יראה קשר שימושי רב להזדקנות. אבל עכשיו, כשהייתה לרשותו את השפע הזה של נתונים אפיגנטיים, נראה שלא היה מזיק להסתכל.
הורוואת' החל להתאים את דפוסי המתילציה לגילאי התאומים. בכל דגימת רוק אחת - או בכל דגימה מרקמה כלשהי - לא כל התאים יציגו את אותה דפוס מתילציה. אבל ניתן למדוד את חלקם של תאים שעברו מתילציה בציטוזין נתון ב-DNA. בדגימה אחת, למשל, 40% מהתאים עשויים להיות מתילטים במיקום מסוים; באחר, שיעור זה עשוי להיות 45% או 60%.
להפתעתו, הורוואת' מצא מתאם חזק בין הגיל לשיעור התאים עם מתילציה, אפילו כאשר הסתכל רק על אתר אחד ב-DNA. הסתכלות על מיקומים נוספים הגבירה את הדיוק.
"זה שינה לי הכל", אמר. "ברגע שהסתכלתי על האות להזדקנות, זה העיף אותי".
הורוואת' בנה דגם ש חזה את גילו של אדם ממצב מתילציה של כ-300 ציטוזינים על פני מיליוני תאים בדגימת רוק. "אתה יורק בכוס, ואנחנו יכולים למדוד את גילך," הוא אמר.
עד מהרה הוא בנה מודלים של שעון אפיגנטי להערכת הגילאים הביולוגיים של דם, כבד, מוח ורקמות שונות אחרות. ראשית, הוא מדד את הפרופורציות של תאים בכל דגימה שהראתה מתילציה באתרים ספציפיים. מהנתונים האלה, הוא יצר פרופילים של הרקמות שתיארו את הפרופורציות של תאים מתילתיים בכל אתר.
כדי לבנות שעון, הוא האכיל את המחשב באלפי פרופילים אפיגנטיים יחד עם הגיל של כל רקמה שנרשמה בפרופיל. באמצעות למידת מכונה, המחשב קישר את הגילאים לדפוסי מתילציה. זה גם צמצם את מספר האתרים הדרושים לניבוי גיל. לאחר מכן, המחשב שקלל את המשמעות של המתילציה של כל אתר בחישוביו כדי ליצור את נוסחת הניבוי הטובה ביותר לגיל, אותה בדק הורוואת' על קבוצה נפרדת של דגימות של גילאים ידועים.
תוך שנתיים הוא שילב את שעוני הזדקנות הרקמה הנפרדים שלהם לפורמולה אחת עבור שעון "פאן-רקמה"., שפורסם בשנת 2013. שעון הפאן-רקמות היה "מחליף המשחק", אמר דניאל בלסקי, אפידמיולוגית בבית הספר לבריאות הציבור של קולומביה מיילמן. הנוסחה חלה על כל תאים אנושיים המכילים DNA. וכל אחד יכול להשתמש בזה - הורוואת' העלה את התוכנה לאינטרנט. על ידי העלאת נתוני מתילציה משלהם, הביולוגים יכלו לגלות כמה זמן לקח על התאים בדגימות שלהם.
כימות ירידה
שעון המחבת של הורוואת' היה מדויק בצורה פלאית בניבוי גיל כרונולוגי. נראה שהוא גם משקף הבדלים בסיסיים חשובים בין גיל כרונולוגי לגיל ביולוגי. חוקרים גילו שכאשר השעון האפיגנטי העריך שגילו של מישהו גדול מגילו הכרונולוגי, האדם עמד בפני סיכון גבוה יותר למחלות ולמוות. כשהשעון העריך שמישהו צעיר יותר, הסיכון שלו ירד. למרות שהשעון האפיגנטי נגזר מנתוני גיל כרונולוגיים, האלגוריתם שלו חזה תמותה טוב יותר מהגיל.
אז בסוף 2014, הורוואת' יצא לעקוב באופן מפורש אחר הגיל הביולוגי. הוא ועמיתיו, כולל מורגן לוין (חוקר פתולוגיה באוניברסיטת ייל שהצטרף לאחרונה לאלטוס לאבס) ו לואיג'י פרוצ'י מהמכון הלאומי להזדקנות, אימן אלגוריתם על מדד מורכב שכלל גיל כרונולוגי וכן תוצאות של תשע בדיקות כימיה בדם המנבאות מחלות ותמותה. הנתונים הגיעו מדמם של יותר מ-9,900 מבוגרים בסקר הלאומי לבריאות ותזונה. השעון שנוצר, DNAm PhenoAge, שפורסם ב-2018, חזה בין היתר תמותה כוללת ואת הסיכון למחלות לב וכלי דם, מחלות ריאות, סרטן וסוכרת. שנה לאחר מכן, הורוואת' וצוות בראשות Ake T. Lu מ-UCLA פרסמו מנבא מדויק עוד יותר של זמן עד מוות, עידן עגום, שבחן את המין של האדם, גילו הכרונולוגי, היסטוריית העישון וסמני תמותה מחלבונים בדם.
כלי חדש של בלסקי ועמיתיו, שהוצג בשנת 2020 ועודכן מוקדם יותר השנה, פועל כמד מהירות מזדקן. ביצירתם קצב ההזדקנות סמן ביולוגי, הם כימתו את קצב השינוי ב-19 סמנים של תפקוד איברים בארבעה גילאים, ריכזו אותם לאינדקס יחיד, ועיצבו אותו באמצעות מתילציה. "אנחנו למעשה מכמתים את התהליך המתמשך של ירידה הקשורה לגיל ושלמות המערכת", אמר בלסקי. אלה שמזדקנים מהר יותר לפי מדד זה מתים צעירים יותר, הוא אמר, והוסיף כי זה חוזה תמותה בערך כמו GrimAge ועשויים לחזות שבץ ודמנציה אפילו טוב יותר.
שאלה עתיקת יומין
בשנת 2017, נציגי קרן משפחת פול ג'י אלן פנו להורוואת' לאחר אחת השיחות שלו. הם אהבו את העבודה שלו והציעו לו לחלום בגדול, כי הקרן תומכת במאמצים בסיכון גבוה. מצאו פרויקט שאף אחד אחר לא יממן, הם אמרו.
לא לקח להורוואת' זמן רב להציע שעון מזדקן שיחול על כל בעלי החוליות. ההצעה עברה - היא הייתה מוזרה למדי - אבל כשהורוואת' הבין את גודל מה שהיא כרוכה בה, התוכנית הפכה לשעון מאופק יחסית לכל היונקים.
עד ינואר 2021, היו להורוואת' נתוני מתילציה מ-128 מיני יונקים, והוא פרסם את השעון שלו בשרת ה-preprint biorxiv.org. "אותה נוסחה מתמטית, אותם ציטוזינים לעכבר או חולדה או כלב או חזיר. אנחנו יכולים למדוד את ההזדקנות בכל המינים האלה", אמר הורוואת. ובכל זאת, הוא חיפש את העולם כדי למצוא עוד.
בסוף הקיץ של השנה שעברה, הורוואת' היה בקשר עם דארן פיטרסן, מומחה לפנגולינים ב- קרן טיקי הייווד בהאררה, זימבבואה, ומציע לו אספקה לאיסוף נתונים מפנגולינים ומכמה מינים אחרים. אף אחד אפילו לא ידע בוודאות כמה זמן חיים פנגולינים. כמה חשבונות רשמיים אמרו 15 עד 20 שנה, אבל פיטרסן חשב שלפחות חלק מהטיפוסים חיים יותר. "החיה האחת שהזדקנו לאחרונה הייתה בת 34 בערך (אם כי עם מרווח שגיאה רחב למדי)", כתב.
מנתוני הרקמה שסופקו, הורוואת' בנה שעון פנגולין, טיימר אחד נוסף לתוחלת חיים כדי להוסיף לאוסף שלו. "אתה רוצה שעון חזיר, יש לי שעון חזיר. יש לי שעון לקנגורו ולפילים", אמר הורוואת'. כל שעון ספציפי למין היה ברכה עבור מדענים בתחום. חוקרי פילים, למשל, רצו את שעון הפילים כדי שיוכלו לברר את מבנה הגיל של אוכלוסיות בר כדי לסייע למאמצי השימור.
אבל שעון שממזג את כולם יכול לעזור לענות על שאלה בסיסית יותר: מהי הזדקנות? דעה אחת היא שהגוף שלך מזדקן כמו הנעליים שלך, דוהה בהדרגה ומתפרק מהלבישה. אבל התחזיות המוצלחות מהשעון הפאן-יונקי מרמזות שמשהו גורם גם לתאים להיכשל בלוח זמנים מסוים, אולי בגלל גנים התפתחותיים שלא נכבים עם סיום עבודתם. "זה מעיד על אלמנט של דטרמיניזם בהזדקנות", אמר ראג', אחד מיותר מ-100 בוני השעון.
נתונים משעוני מתילציה מצביעים על כך שההזדקנות מתחילה מוקדם מאוד, הרבה לפני שהגוף מתפרק. ב נייר 2021, גלדישב ועמיתיו מתארים שעון מתילציה שמתארך שלבי התפתחות היונקים. הם גילו שבמהלך העובר מוקדם בעכברים, התחדשות מעין מחזירה את גיל העובר לאפס. ההזדקנות הביולוגית מתקדמת במהירות, למרות שילדים אנושיים מתחזקים, לא נחלשים, במהלך תקופה זו, ותמותה בבני אדם יורד עד גיל 9 בערך. "זה מאוד עמוק בעיני כי זה מסמר את השאלה הזו של ההזדקנות לתהליך שהוא בלתי נפרד מתהליך הפיתוח", אמר ראג'.
שני מחקרים עדכניים על חולדת השומה העירומה, מכרסם עם תוחלת חיים ארוכה באופן בלתי סביר של 37 שנים, מראים כי בעל החיים מזדקן מבחינה אפיגנטית, למרות שסיכוייו למות אינם עולים עם הגיל הכרונולוגי. "אני חושב ששיעור התמותה אינו המדד הטוב ביותר להזדקנות", אמר גלדישב, שהוביל אחד המחקרים. "הזדקנות היא תוצאה בלתי נמנעת של להיות בחיים."
ההזדקנות עדיין משקפת את השפעות החוויה, ההתנהגות והסביבה, כמובן. עישון וחשיפה לשמש, למשל, יכולים להאיץ אותו, כפי שנמדד על ידי מתילציה וסמנים אחרים, ופעילות גופנית או דיאטה דלת קלוריות יכולה לעכב זאת. בעבודה שפורסמה במרץ האחרון, שעון אפיגנטי מותאם למרמיטות הראה כי מצב תרדמה מאט את ההזדקנות, ו נייר שפורסם בשבוע שעבר הראה שזה נכון גם לגבי עטלפים. שעון עשוי עבור מקוק רזוס מציע שבשנת 2017 הוריקן מריה האיץ את ההזדקנות במושבה של קופים באי מול חופי פורטו ריקו.
חטא קדמון
אף אחד לא יודע לגמרי למה השעונים עובדים. חלק מהגנים והמסלולים המולקולריים המעורבים, אך לא כולם, זוהו, וחוקרים עדיין לומדים כיצד דפוסי מתילציה משפיעים על התנהגויות ובריאות של תאים, רקמות ואיברים. "זה חוזר למה שאני מכנה 'החטא הקדמון של הבנייה'", אמר הורוואת. "זה מבוסס על מודל רגרסיה [סטטיסטי] שהוא ברמה מסוימת אגנוסטי לביולוגיה."
כדי לכפר על החטא הזה, ראג' והורוואת' החלו לחפש קורלציות ביולוגיות להזדקנות אפיגנטית. שיבושים של המסלולים הביוכימיים שבהם הגוף משתמש כדי לחוש את הצורך שלו בחומרים מזינים איטי ההזדקנות, הם גילו לאחרונה, בהתאם להשפעות של דיאטות מוגבלות בקלוריות על ההזדקנות. הורדת פעולת המיטוכונדריה מאיצה אותה. השעון עוקב גם אחר הבשלת תאי גזע. אם תהליכים אלה קשורים ברמה עמוקה יותר, שעונים אפיגנטיים עשויים לחשוף מנגנונים מאחדים להזדקנות, כתבו המחברים ב-2022 נייר פנימה הזדקנות טבע.
מה עשויים להיות המנגנונים המאחדים או מדוע מצב המתילציה עוקב אחר הזדקנות כל כך טוב, עם זאת, טרם נקבע במלואו. "אנחנו לא באמת יודעים אם שעונים אפיגנטיים קשורים באופן סיבתי להזדקנות", אמר האג.
גם אם כן, שעונים אפיגנטיים מודדים כמעט בוודאות רק חלק ממה שמתרחש במהלך ההזדקנות, אמר מאט קברליין, חוקר בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת וושינגטון בסיאטל, החוקר את הביולוגיה של ההזדקנות. "אם הם באמת מודדים יותר מממד בודד של גיל ביולוגי לא ברור", אמר. "זה חלק מהבעיה כאן - השילוב של גיל אפיגנטי עם גיל ביולוגי. אלה לא שווים בעיניי".
ראג' משער ששינויי המתילציה משקפים אובדן זהות תאית עם הגיל. לכל התאים בגוף יש את אותו ה-DNA, אז מה שהופך תא כבד לתא כבד ותא לב לתא לב הוא דפוס ביטוי הגנים, שהאפיגנטיקה שולטת בו. ככל ששינויים במתילציה מצטברים עם הגיל, חלק מהבקרות הללו עלולות ללכת לאיבוד, והוחלפו בתוכניות התפתחותיות שצצות מחדש שיש לכבות אותן, מציע ראג'.
למרות שעוני מתילציה עשויים להיות המוניטורים המדויקים ביותר של הגיל הביולוגי לעת עתה, כמה מחקרים מראים יש מקום לשיפור. מנבא מדויק יותר עשוי לשלב תכונות תאיות הניתנות לכימות - למשל, רמות חלבון, מטבוליטים או ביטוי גנים - עם אותות פיזיולוגיים ואינדקס של שבריריות. "אנחנו יכולים למדוד כל כך הרבה דברים בבן אדם עכשיו", אמר האג. "ככל שתכמת יותר מהדברים האלה, כך תוכל ללכוד את ההזדקנות שלך בצורה מדויקת יותר."
לשעוני מתילציה יש גם שימושים קליניים מוגבלים, הזהיר Hägg. אנשים יכולים לקנות קריאה של גילם הביולוגי ממקורות מסחריים שונים, אבל לא רק שהתוצאות לרוב אינן עקביות, הן חסרות רלוונטיות קלינית מכיוון שהשעונים נועדו לניתוחים ברמת הקבוצה במחקר. "הם לא בנויים לניבוי ברמה אינדיבידואלית", אמרה.
וגם אם מישהו אכן ישנה את אורח חייו באופן שמוריד את גילו הביולוגי כפי שנמדד בשעונים הללו, האם יהיו לו חיים ארוכים יותר או סיכון נמוך יותר למחלות? "אנחנו עדיין לא יודעים את זה," אמר קברליין.
הורוואת' מכין כעת מאמר על השעון הפאן-יונק שלו להגשה לכתב עת. למרות שלכאורה הגיע ליעדו, פערים באוסף שלו עדיין מציקים לו. בחודש מאי הוא התכתב עם אוצרים בכירים במוזיאון באוסטרליה על רכישת רקמה משומות כיס, יצור קטן, עיוור במידה רבה, המבלה את רוב זמנו מתחת לאדמה. "כבר יצרנו נתונים מ-348 מיני יונקים, אבל נרצה להוסיף עוד", אמר.
כאשר הורוואת' הציע את הפרויקט הזה, הוא יצא לנתח 30 מינים, אבל 30 הפכו במהרה ל-50, אחר כך ל-100, ואז יותר מפי שלושה מזה. "אני צריך לצעוד בעצמי," הוא אמר, "כי יש לי את הדחף הזה לאסוף עוד."
