XNUMX년 전 이맘때, 스티브 호 바스 천산갑 DNA를 찾고 있었습니다. 고대 비늘 개미핥기는 그의 컬렉션의 첫 번째 컬렉션이 되었으며 당시에는 약 200마리의 포유류였습니다. "나는 그 주문을 가지고 있지 않았기 때문에 필사적으로 그들을 원했습니다."라고 그는 회상했습니다.
2017년 여름부터 최근까지 노화방지 연구원 로스앤젤레스 캘리포니아 대학에서 동물원, 박물관, 수족관 및 실험실에 이메일을 작성하는 데 하루에 10시간 이상을 보냈습니다. 그는 박쥐와 태즈메이니아 데블의 사육사를 만나기 위해 대화에 참석했습니다. 그는 세계 구석구석까지 손을 뻗어 날여우, 버빗 원숭이, 미니피그, 나비머리 고래의 DNA를 구걸했습니다.
그는 방대한 샘플 관리를 통해 말괄량이, 코알라, 얼룩말, 돼지 및 "이름을 말할 수 있는 모든 고래"와 같은 다양한 생물의 DNA만 보고 나이를 계산할 수 있는 컴퓨터 시계를 만들었다고 말했습니다. 그러나 이는 모든 포유동물의 생물학적 나이를 측정할 수 있는 보편적인 시계인 Horvath의 야심찬 문샷 프로젝트를 완료하기 위한 단계에 불과했습니다.
나이를 측정하는 것은 가장 가까운 시계나 달력을 사용하는 것보다 어렵지 않은 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 일부 개인과 조직은 다른 사람들보다 더 빠르게 나이의 영향을 나타내기 때문에 연대기적 연령은 불완전한 척도입니다. 수십 년 동안 과학자들은 생물학적 노화, 즉 건강 기능의 시간 경과에 따른 변화를 측정하는 객관적이고 다양한 방법을 모색해 왔습니다. "당신은 다양한 조직과 세포 유형에서 나이를 정확하게 측정하는 바이오마커를 갖고 싶어합니다."라고 Horvath는 올해 UCLA를 떠나 세포 회춘을 위해 일하는 생명공학 스타트업인 Altos Labs의 수석 연구원이 되기를 원했습니다.
Horvath와 그의 동료들은 올해 초 범포유류 시계 버전을 완성했습니다. 이제 그와 다른 연구자들은 그러한 시계를 가능하게 하는 다양한 생물에 공통적인 분자 과정을 확인하기를 희망하고 있습니다. Horvath는 이와 같은 시계가 작동하는 이유를 이해하면 그가 "노화의 진정한 근본 원인"이라고 부르는 것을 이해하는 데 도움이 될 수 있다고 믿습니다.
그의 시계는 팔찌의 매력처럼 DNA에 매달려 유전자 활동을 제어하는 데 도움이 되는 메틸 그룹이라는 화학 태그의 분석을 기반으로 합니다. 그들은 유전 코드에 기록되지 않은 유전 정보를 연구하는 분야인 후성 유전학(문자 그대로 "유전학 이상")의 산물입니다. XNUMX년 전 Horvath와 그의 동료들은 먼저 타액에서 DNA의 나이를 평가하고 나중에 혈액, 간 및 기타 개별 조직의 나이를 결정하기 위해 시계를 만드는 데 그들의 노하우를 적용하기 시작했습니다.
많은 생물학자들은 처음에는 시계가 생체 분자 메커니즘에 대한 이해보다는 통계에 기초했기 때문에 회의적이었습니다. 그러나 시계의 정확도는 테스트를 견뎌냈고 생물 의학 커뮤니티에 파문을 일으켰습니다. 과학자들은 세포의 노화를 측정하기 위해 연구에서 Horvath 시계를 사용하기 시작했습니다. 시계가 연대기적 연령보다 신체 상태와 질병의 위험을 더 잘 중재하기 때문입니다. “후성유전적 시계는 다른 어떤 바이오마커보다 실제 노화 과정에 더 가깝습니다.”라고 말했습니다. 바딤 글라디셰프, 암과 노화를 연구하는 Brigham and Women's Hospital과 Harvard Medical School의 생화학자. 이제 시계는 일부 과학자들로 하여금 노화가 무엇이며 질병과의 연관성에 대한 생각을 재고하도록 이끌고 있습니다.
“저는 이제 유방암 분야에서 많은 일을 하는 협력자들이 있고 '당신이 생물학적 노화가 진행되고 있다면 그것이 유방암에도 유익한가?'에 대해 생각하기 시작했습니다.”라고 말했습니다. 사라 해그, 스웨덴 스톡홀름에 있는 카롤린스카 연구소의 분자역학자. 그녀는 시계가 노화 과정이 노화 관련 장애를 유발하는 것을 막는 방법을 유용하게 설명할 수 있다면 "우리는 하나의 질병이 아니라 많은 질병을 예방할 수 있다"고 덧붙였습니다.
신호 보기
지난 수십 년 동안 생물학 연구자들은 노화를 위한 시계가 가까이에 있다고 생각했습니다. 예를 들어, 그들은 1960년대 초 배양에서 자라는 세포가 불멸이 아니라 40-60번의 복제 후에 죽는다는 것을 배웠습니다. 이는 세포가 일종의 노화 시계를 가지고 있음을 시사합니다. 1982년에 연구자들은 세포가 분열할 때마다 짧아지는 염색체 말단의 DNA-단백질 복합체인 텔로미어를 분리했을 때 시계의 메커니즘을 발견했을 수도 있다고 생각했습니다. 텔로미어가 매우 짧아지면 세포가 죽습니다.
그러나 텔로미어는 노화 시계처럼 작동하지 않았습니다. 텔로미어 길이와 연령 및 사망률의 상관 관계는 인간에서는 약하고 일부 다른 종에서는 존재하지 않습니다. “텔로미어[길이]는 실제로 나이를 추적하지 않습니다. 세포 증식을 추적할 뿐”이라고 말했다. 켄 라지, Altos Labs의 수석 연구원.
텔로미어 길이에 대한 대안으로, 2009년 Horvath는 세포의 활성 유전자의 RNA 전사체, 세포를 정의하고 기능을 허용하는 단백질의 주형을 기반으로 하는 시계에 대한 작업을 시작했습니다. 다음 XNUMX년 동안 그는 그 접근 방식을 작동시키려고 했지만 소용이 없었습니다. 전사 데이터가 너무 시끄럽습니다.
그러나 2010년 Horvath는 UCLA 동료의 도움 요청에 응했습니다. 성적 지향과 후성 유전학 사이의 가능한 연결을 연구하기 위해 연구원은 성적 지향이 다른 일란성 쌍둥이의 타액을 수집하고 있었고 타액 세포의 DNA가 메틸화 패턴의 일관된 차이를 나타낼 수 있다는 가설을 세웠다. Horvath의 쌍둥이 형제는 게이입니다. Horvath는 이성애자입니다. 그들은 침을 공급했습니다.
이 연구의 분석은 시토신 염기가 위치한 DNA의 부위를 살펴보고 그 중 어느 염기가 메틸화되었는지 확인했습니다. (사이토신은 메틸기가 부착되는 유일한 염기입니다.) 최근에 도입된 랩온어칩(lab-on-a chip) 기술로 각 세포의 DNA에 있는 수만 개의 사이토신 부위를 쉽게 테스트할 수 있습니다. 동료가 데이터를 분석하기 위해 통계 전문가가 필요했을 때 Horvath는 그의 서비스에 자원했습니다.
그는 그들이 찾고 있는 것을 찾지 못했습니다. 호바스는 “동성애에 대한 어떠한 신호도 없었다. 연구에서 쌍둥이의 나이가 수십 년에 걸쳐 있었기 때문에 "하지만 데이터가 내 컴퓨터에 있었기 때문에 노화 효과를 보도록 하겠습니다."라고 말했습니다.
그때까지 Horvath는 자신의 연구에서 후성유전학적 데이터를 피했습니다. 유전자 발현에 대한 메틸화 패턴의 관계는 지저분하고 간접적이며, 노화와 관련하여 그다지 유용한 연관성을 보여주지 않을 것 같았습니다. 그러나 이제 그는 마음대로 후성 유전 데이터의 횡재를 가졌기 때문에 살펴보는 데 아무런 문제가 없어 보였습니다.
Horvath는 메틸화 패턴을 쌍둥이의 나이와 일치시키기 시작했습니다. 하나의 타액 샘플 또는 모든 조직의 샘플에서 모든 세포가 동일한 메틸화 패턴을 나타내는 것은 아닙니다. 그러나 DNA의 주어진 시토신에서 메틸화된 세포의 비율은 측정할 수 있습니다. 예를 들어 한 샘플에서 세포의 40%가 특정 위치에서 메틸화될 수 있습니다. 다른 경우에는 그 비율이 45% 또는 60%일 수 있습니다.
놀랍게도 Horvath는 DNA에서 단 하나의 부위를 보았을 때도 나이와 메틸화 세포의 비율 사이에 강한 상관 관계를 발견했습니다. 더 많은 위치를 살펴보면 정확도가 높아졌습니다.
그는 "이것은 나를 위해 모든 것을 바꿨다. "노화의 신호를 보고 충격을 받았습니다."
Horvath는 다음과 같은 모델을 만들었습니다. 사람의 나이를 예측했다 타액 샘플에서 수백만 개의 세포에 걸쳐 약 300개의 시토신의 메틸화 상태로부터. "당신이 컵에 침을 뱉으면 우리가 당신의 나이를 측정할 수 있습니다." 그가 말했다.
곧 그는 혈액, 간, 뇌 및 기타 다양한 조직의 생물학적 나이를 평가하기 위한 후성적 시계 모델을 구축하고 있었습니다. 먼저, 그는 특정 부위에서 메틸화를 나타내는 각 샘플의 세포 비율을 측정했습니다. 그 데이터에서 그는 각 부위에서 메틸화된 세포의 비율을 설명하는 조직 프로필을 만들었습니다.
시계를 만들기 위해 그는 컴퓨터에 프로파일링된 각 조직의 나이와 함께 수천 개의 후성 유전학적 프로파일을 제공했습니다. 기계 학습을 통해 컴퓨터는 나이를 메틸화 패턴과 연결했습니다. 또한 연령을 예측하는 데 필요한 사이트 수를 좁혔습니다. 그런 다음 컴퓨터는 계산에서 각 사이트의 메틸화 중요성에 가중치를 주어 연령에 대한 최상의 예측 공식을 생성했으며 Horvath는 알려진 연령의 개별 샘플 세트에서 테스트했습니다.
XNUMX년 안에 그는 각각의 조직 노화 시계를 하나의 공식으로 결합했습니다. "팬티슈" 시계, 2013년에 출판되었습니다. 범티슈 시계는 "게임 체인저"였습니다. 다니엘 벨스키, Columbia Mailman School of Public Health의 전염병학자. DNA를 포함하는 모든 인간 세포에 적용되는 공식. 그리고 누구나 사용할 수 있습니다. Horvath는 소프트웨어를 인터넷에 올렸습니다. 자신의 메틸화 데이터를 업로드함으로써 생물학자들은 샘플의 세포에 얼마나 많은 시간이 소요되었는지 알 수 있었습니다.
감소 수량화
Horvath의 범 조직 시계는 연대순으로 나이를 예측하는 데 기적적으로 정확했습니다. 그것은 또한 연대기적 연령과 생물학적 연령 사이의 중요한 근본적인 차이를 반영하는 것 같았습니다. 연구자들은 후성유전학적 시계가 누군가의 나이가 실제 나이보다 높다고 추정했을 때, 그 사람은 질병과 사망의 위험이 더 높다는 것을 발견했습니다. 시계가 누군가가 더 어리다고 추정했을 때, 그들의 위험은 낮아졌습니다. 후성적 시계가 연대순 연령 데이터에서 파생되었지만 알고리즘은 연령보다 사망률을 더 잘 예측했습니다.
그래서 2014년 말에 Horvath는 생물학적 나이를 명시적으로 추적하기 시작했습니다. 그와 그의 동료들을 포함한 모건 레빈 (최근 알토스 연구소에 합류한 예일 대학교의 병리학 연구원) 및 루이지 페루치 국립노화연구소(National Institute on Aging)의 연구진은 질병과 사망률을 예측하는 9,900가지 혈액 화학 검사 결과뿐만 아니라 연대순 연령을 포함하는 복합 측정에 대한 알고리즘을 훈련했습니다. 이 데이터는 국민건강영양조사에서 성인 XNUMX명 이상의 혈액에서 나온 것입니다. 결과 시계, DNAm 페노에이지2018년에 발표된 이 보고서는 다른 결과 중에서 전반적인 사망률과 심혈관 질환, 폐 질환, 암 및 당뇨병의 위험을 예측했습니다. XNUMX년 후 Horvath와 UCLA의 Ake T. Lu가 이끄는 팀은 사망까지의 시간을 훨씬 더 정확하게 예측하는 도구를 발표했습니다. 그림에이지, 사람의 성별, 연령, 흡연 이력 및 혈액 단백질 사망률 지표를 조사했습니다.
2020년에 도입되고 올해 초 업데이트된 Belsky와 그의 동료의 새로운 도구는 노화 속도계 역할을 합니다. 그들의 창조에서 노화의 속도 바이오마커를 사용하여 19개 연령에서 장기 기능의 XNUMX개 마커의 변화율을 정량화하고 이를 단일 인덱스로 컴파일하고 메틸화로 모델링했습니다. "우리는 실제로 노화와 관련된 쇠퇴 및 시스템 무결성의 진행 중인 프로세스를 정량화하고 있습니다"라고 Belsky가 말했습니다. 그는 이 측정으로 더 빨리 늙는 사람들은 더 젊게 죽는다고 말하면서 이 측정이 GrimAge만큼 사망률을 예측하고 뇌졸중과 치매를 훨씬 더 잘 예측할 수 있다고 덧붙였습니다.
오래된 질문
2017년, Paul G. Allen Family Foundation의 대표자들은 Horvath의 연설 중 하나를 마친 후 Horvath에게 접근했습니다. 재단이 고위험 노력을 지원하기 때문에 그들은 그의 일을 좋아했고 그가 큰 꿈을 꾸자고 제안했습니다. 아무도 자금을 지원하지 않는 프로젝트를 찾으라고 그들은 말했습니다.
Horvath가 모든 척추동물에 적용되는 노화 시계를 제안하는 데 오랜 시간이 걸리지 않았습니다. 그 제안은 통과되었습니다. 충분히 엉뚱한 일이었습니다. 그러나 Horvath가 포함되는 것의 규모를 깨닫게 되면서 계획은 모든 포유류에 대해 상대적으로 제한된 시계로 바뀌었습니다.
2021년 128월까지 Horvath는 XNUMX종의 포유류로부터 메틸화 데이터를 얻었고 그는 그의 시계를 게시했다 preprint 서버 biorxiv.org에서. “마우스나 쥐, 개나 돼지에 대한 동일한 수학 공식, 동일한 시토신. 우리는 이 모든 종의 노화를 측정할 수 있습니다.”라고 Horvath가 말했습니다. 그럼에도 불구하고 그는 더 많은 것을 찾기 위해 지구를 샅샅이 뒤졌습니다.
작년 늦여름까지 Horvath는 천산갑 전문가인 Darren Pietersen과 연락이 닿았습니다. 티키 하이우드 재단 짐바브웨 하라레에서 천산갑과 다른 여러 종으로부터 데이터를 수집하기 위한 용품을 제공했습니다. 아무도 천산갑이 얼마나 오래 사는지 확실히 알지 못했습니다. 일부 공식 계정에는 15~20년이 있다고 했지만 Pietersen은 적어도 일부 유형은 더 오래 산다고 생각했습니다. "우리가 최근에 노화시킨 동물 한 마리는 약 34세였습니다(오차가 꽤 넓긴 하지만)." 그가 썼습니다.
제공된 조직 데이터에서 Horvath는 자신의 컬렉션에 추가할 수명 타이머인 천산갑 시계를 만들었습니다. "당신은 돼지 시계를 원하지만 나는 돼지 시계를 가지고 있습니다. 나는 캥거루와 코끼리를 위한 시계를 가지고 있습니다.”라고 Horvath가 말했습니다. 각 종별 시계는 해당 분야의 과학자들에게 큰 도움이 되었습니다. 예를 들어, 코끼리 연구원들은 코끼리 시계가 보존 노력을 돕기 위해 야생 개체군의 연령 구조를 확인할 수 있기를 원했습니다.
그러나 이 모든 것을 통합하는 시계는 더 기본적인 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 노화란 무엇입니까? 한 가지 견해는 신체가 신발처럼 늙어 점차 퇴색되고 마모된다는 것입니다. 그러나 범포유류 시계의 성공적인 예측은 어떤 것이 세포가 특정 일정에 실패하게 만드는 원인이 되기도 함을 암시합니다. 아마도 작업이 완료되었을 때 꺼지지 않는 발달 유전자 때문일 것입니다. 100명 이상의 시계 제작자 중 한 명인 Raj는 “이것은 노화의 결정론적 요소를 시사합니다.
메틸화 시계의 데이터에 따르면 신체가 분해되기 훨씬 전에 노화가 매우 일찍 시작됩니다. 안에 2021 용지, Gladyshev와 그의 동료들은 포유류 발달의 단계를 측정하는 메틸화 시계를 설명합니다. 그들은 생쥐의 초기 배아 발생 동안 일종의 회춘이 배아의 나이를 XNUMX으로 되돌리는 것을 발견했습니다. 생물학적 노화는 이 기간 동안 인간의 어린이가 약해지지 않고 더 강해지며 인간의 사망률이 증가함에도 불구하고 빠르게 진행됩니다. 약 9세까지 감소. Raj는 "노화에 대한 이 질문을 발달 과정과 불가분의 과정으로 규정하기 때문에 그것은 나에게 매우 심오합니다."라고 말했습니다.
수명이 37년으로 매우 긴 설치류인 벌거숭이두더지쥐에 대한 두 가지 최근 연구에 따르면 이 동물은 나이가 들어감에 따라 죽을 확률이 높아지지 않지만 후성적으로 노화되는 것으로 나타났습니다. "사망률이 노화를 측정하는 최선의 척도는 아니라고 생각합니다." 연구 중 하나. "노화는 생존의 피할 수 없는 결과입니다."
물론 노화는 여전히 경험, 행동 및 환경의 영향을 반영합니다. 예를 들어, 흡연과 태양 노출은 메틸화 및 기타 지표로 측정할 때 이를 가속화할 수 있으며 운동이나 저칼로리 식단은 이를 지연시킬 수 있습니다. 지난 XNUMX월에 발표된 연구에서 후성유전적 시계는 마멋에 맞춘 최대 절전 모드가 노화를 늦추는 것으로 나타났습니다. 종이 지난 주에 발표된 바에 따르면 박쥐의 경우에도 마찬가지입니다. 시계 붉은털 원숭이를 위해 만든 2017년 허리케인 마리아가 푸에르토리코 연안의 섬에 있는 원숭이 무리에서 노화를 가속화했다고 제안합니다.
원죄
시계가 작동하는 이유를 완전히 아는 사람은 아무도 없습니다. 관련된 유전자와 분자 경로의 전부는 아니지만 일부가 확인되었으며 연구자들은 여전히 메틸화 패턴이 세포, 조직 및 기관의 행동과 건강에 어떻게 영향을 미치는지 배우고 있습니다. Horvath는 “이는 내가 '건축의 원죄'라고 부르는 것으로 돌아갑니다. "그것은 어느 정도 생물학에 불가지론적인 [통계적] 회귀 모델을 기반으로 합니다."
이 죄를 속죄하기 위해 Raj와 Horvath는 후성적 노화에 대한 생물학적 상관 관계를 찾기 시작했습니다. 칼로리 제한 식단이 노화에 미치는 영향에 따라 신체가 노화를 늦추는 영양소의 필요성을 감지하기 위해 사용하는 생화학적 경로의 교란이 최근에 발견되었습니다. 미토콘드리아의 작동을 방해하면 속도가 빨라집니다. 시계는 또한 줄기 세포의 성숙을 추적합니다. 이러한 프로세스가 더 깊은 수준에서 연결되면 후성 유전적 시계가 노화에 대한 통합 메커니즘을 나타낼 수 있다고 저자는 2022년에 썼습니다. 종이 자연 노화.
그러나 이러한 통합 메커니즘이 무엇인지 또는 메틸화 상태가 노화를 잘 추적하는 이유는 아직 완전히 결정되지 않았습니다. Hägg는 "후성 유전적 시계가 노화와 인과적으로 연결되어 있는지 여부는 실제로 알지 못합니다."라고 말했습니다.
그렇더라도 후성 유전적 시계는 노화 동안 발생하는 것의 일부만을 측정하는 것이 거의 확실하다고 그는 말했습니다. 매트 캐벌라인, 노화의 생물학을 연구하는 시애틀의 워싱턴 의과 대학의 연구원. "그들이 실제로 생물학적 연령의 단일 차원 이상을 측정하고 있는지 여부는 명확하지 않습니다."라고 그는 말했습니다. "이것은 여기서 문제의 일부입니다. 후성적 연령과 생물학적 연령의 융합입니다. 그것들은 내가 보기에 동등하지 않습니다.”
Raj는 메틸화 변화가 나이에 따른 세포 정체성의 상실을 반영한다고 추측합니다. 신체의 모든 세포는 동일한 DNA를 가지고 있어 간세포를 간세포로, 심장세포를 심장세포로 만드는 것은 유전자 발현 패턴이며, 이는 후성유전학이 제어합니다. 나이가 들어감에 따라 메틸화의 변화가 축적됨에 따라 이러한 조절 기능 중 일부가 손실될 수 있으며 꺼야 하는 다시 나타나는 발달 프로그램으로 대체될 수 있다고 Raj는 제안합니다.
현재로서는 메틸화 시계가 생물학적 나이를 가장 정확하게 모니터할 수 있지만, 일부 연구는 제안 개선의 여지가 있습니다. 보다 정확한 예측 인자는 정량화 가능한 세포 특성(예: 단백질, 대사 산물 또는 유전자 발현 수준)을 생리적 신호 및 노쇠 지수와 결합할 수 있습니다. "우리는 이제 인간의 많은 것을 측정할 수 있습니다."라고 Hägg가 말했습니다. "이러한 것들을 더 많이 정량화할수록 노화를 더 정확하게 포착할 수 있습니다."
Hägg는 메틸화 시계의 임상 용도도 제한적이라고 경고했습니다. 사람들은 다양한 상업적 출처에서 생물학적 나이에 대한 판독값을 구입할 수 있지만 결과가 종종 일치하지 않을 뿐만 아니라 시계가 연구의 그룹 수준 분석을 위한 것이기 때문에 임상적 관련성이 부족합니다. "그들은 개별 수준에서 예측하도록 만들어지지 않았습니다."라고 그녀는 말했습니다.
그리고 누군가가 이 시계로 측정되는 생물학적 나이를 낮추는 방식으로 생활 방식을 바꾼다 해도 수명이 더 길어지거나 질병에 걸릴 위험이 낮아질까요? Kaeberlein은 "아직 알지 못합니다.
Horvath는 현재 저널에 제출할 범포유류 시계에 대한 논문을 준비하고 있습니다. 그는 목표를 달성한 것처럼 보이지만 컬렉션의 빈틈이 여전히 그를 괴롭히고 있습니다. 348월에 그는 호주에 있는 박물관의 선임 큐레이터들과 대부분의 시간을 지하에서 보내는 작고 눈이 많이 보이지 않는 유대류 두더지로부터 조직을 얻는 것에 대해 서신을 보냈습니다. "우리는 이미 XNUMX개의 포유류 종에서 데이터를 생성했지만 더 추가하고 싶습니다."라고 그는 말했습니다.
Horvath가 이 프로젝트를 제안했을 때 그는 30종을 분석하기 시작했지만 30종은 곧 50종, 100종, XNUMX배가 되었습니다. 그는 "더 많이 모으고 싶은 충동이 있기 때문에 속도를 조절해야 한다"고 말했다.
