Deze keer een jaar geleden, Steve Horvath was op zoek naar pangolin-DNA. De oude geschubde miereneter zou een primeur zijn voor zijn verzameling, die toen ongeveer 200 zoogdieren sterk was. "Ik had niets van die volgorde, daarom wilde ik ze zo graag hebben", herinnert hij zich.
Sinds de zomer van 2017 is Horvath, die tot voor kort een anti-aging onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, besteedt maar liefst 10 uur per dag aan het schrijven van e-mails naar dierentuinen, musea, aquaria en laboratoria. Hij heeft lezingen bijgewoond over vleermuizen en Tasmaanse duivels om hun verzorgers te ontmoeten. Hij reikte tot in de verste uithoeken van de wereld en smeekte om het DNA van vliegende vossen, vervet-apen, minivarkens en Groenlandse walvissen.
Met die enorme menagerie van monsters heeft hij computerklokken gebouwd die de leeftijd kunnen berekenen van wezens die zo divers zijn als spitsmuizen, koala's, zebra's, varkens en "elke walvis die je kunt noemen", zei hij, gewoon door naar hun DNA te kijken. Maar dat waren slechts stappen in de richting van de voltooiing van Horvaths ambitieuze moonshot van een project: een universele klok die de biologische leeftijd van elk zoogdier zou kunnen meten.
Leeftijd meten lijkt misschien niet moeilijker dan het gebruik van de dichtstbijzijnde klok of kalender. Maar chronologische leeftijd is een onvolmaakte maatstaf, aangezien sommige individuen en weefsels de effecten van leeftijd sneller laten zien dan andere. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar een objectieve en veelzijdige manier om biologische veroudering, de veranderingen in gezond functioneren in de loop van de tijd, te meten. "Je wilt een biomarker hebben die nauwkeurig de leeftijd meet in veel verschillende weefsels en celtypen", zegt Horvath, die dit jaar de UCLA verliet om hoofdonderzoeker te worden bij Altos Labs, een biotechnologische startup die werkt aan de verjonging van cellen.
Horvath en zijn collega's voltooiden eerder dit jaar een versie van de pan-zoogdierklok. Nu hopen hij en andere onderzoekers de moleculaire processen te identificeren die verschillende wezens gemeen hebben en die zo'n klok mogelijk maken. Als we begrijpen waarom klokken zoals deze werken, zou volgens Horvath ons kunnen leiden naar wat hij 'de ware oorzaak van veroudering' noemt.
Zijn klokken zijn gebaseerd op analyses van de chemische tags die methylgroepen worden genoemd en die als bedels aan een armband aan DNA hangen en de genactiviteit helpen controleren. Het zijn producten van epigenetica (letterlijk, "boven genetica"), het veld dat erfelijke informatie bestudeert die niet in de genetische code is geschreven. Tien jaar geleden begonnen Horvath en zijn collega's hun knowhow toe te passen bij het bouwen van klokken, eerst om de ouderdom van DNA uit speeksel te bepalen en later om de leeftijd van bloed, lever en andere individuele weefsels te bepalen.
Veel biologen waren in het begin sceptisch omdat de klokken waren geworteld in statistieken in plaats van een goed begrip van biomoleculaire mechanismen. Maar de nauwkeurigheid van de klokken doorstond de tests en zorgde voor rimpelingen in de biomedische gemeenschap. Wetenschappers begonnen Horvath-klokken te gebruiken in hun onderzoek om de veroudering van cellen te meten, omdat de klokken betere arbiters waren van de toestand van het lichaam en het risico op ziekte dan de chronologische leeftijd. "Epigenetische klokken zijn dichter bij het werkelijke verouderingsproces dan welke andere biomarkers dan ook," zei Vadim Gladyshev, een biochemicus in het Brigham and Women's Hospital en de Harvard Medical School die kanker en veroudering bestudeert. Nu brengen de klokken sommige wetenschappers ertoe hun ideeën over wat veroudering is, evenals het verband met ziekten te heroverwegen.
"Ik heb nu medewerkers die veel met borstkanker werken en [beginnen] na te denken over: 'Als je vergevorderde biologische veroudering hebt, is dat dan ook informatief voor borstkanker?'" zei Sara Hagg, een moleculair epidemioloog aan het Karolinska Instituut in Stockholm, Zweden. Als de klokken nuttig kunnen verlichten hoe te voorkomen dat het verouderingsproces leeftijdsgerelateerde aandoeningen veroorzaakt, voegde ze eraan toe: "We zouden niet slechts één ziekte kunnen voorkomen, maar vele."
Een signaal zien
In de afgelopen decennia dachten biologische onderzoekers keer op keer dat een klok voor veroudering binnen handbereik was. Ze leerden bijvoorbeeld in het begin van de jaren zestig dat cellen die in kweek groeien niet onsterfelijk zijn, maar in plaats daarvan afsterven na slechts 1960-40 replicatierondes, wat suggereerde dat cellen een soort verouderingsklok herbergen. In 60 dachten onderzoekers dat ze het mechanisme van de klok hadden gevonden toen ze telomeren, DNA-eiwitcomplexen aan de uiteinden van chromosomen, isoleerden die elke keer dat een cel zich deelt korter worden; wanneer telomeren kritisch kort worden, sterven cellen.
Maar telomeren kwamen niet uit als een ouder wordende klok. De correlatie van telomeerlengte met leeftijd en sterfte is zwak bij mensen en niet aanwezig bij sommige andere soorten. "Telomere [lengte] houdt niet echt de leeftijd bij. Het volgt gewoon de celproliferatie, "zei Ken Raj, een hoofdonderzoeker bij Altos Labs.
Als alternatief voor de telomeerlengte begon Horvath in 2009 aan een klok die is gebaseerd op de RNA-transcripten van de actieve genen van een cel, de sjablonen voor de eiwitten die een cel definiëren en laten functioneren. De volgende twee jaar probeerde hij die aanpak te laten werken, tevergeefs: de transcriptiegegevens waren gewoon te lawaaierig.
Maar in 2010 beantwoordde Horvath een verzoek om hulp van een collega van UCLA. Om mogelijke verbanden tussen seksuele geaardheid en epigenetica te bestuderen, verzamelde de onderzoeker speeksel van identieke tweelingen die verschilden in seksuele geaardheid, met de hypothese dat het DNA in hun speekselcellen enkele consistente verschillen in methylatiepatronen zou kunnen onthullen. Tweelingbroer Horvath is homo; Horvath is heteroseksueel. Ze leverden hun spit.
De analyse van de studie keek naar plaatsen in het DNA waar cytosinebasen zich bevinden en controleerde welke ervan gemethyleerd waren. (Cytosines zijn de enige basen waaraan methylgroepen hechten.) Een recent geïntroduceerde lab-on-a-chiptechnologie maakte het gemakkelijk om tienduizenden cytosineplaatsen in het DNA van elke cel te testen. Toen de collega een statisticus nodig had om de gegevens te analyseren, bood Horvath zijn diensten aan.
Hij vond niet wat ze zochten. "Er was geen enkel signaal voor homoseksualiteit", zei Horvath. "Maar omdat de gegevens op mijn computer stonden, zei ik, laat me eens kijken naar de effecten van veroudering", aangezien de leeftijd van de tweeling in het onderzoek tientallen jaren besloeg.
Tot dan toe had Horvath zich in zijn eigen onderzoek verre gehouden van epigenetische gegevens. De relatie tussen methyleringspatronen en genexpressie is rommelig en indirect, en het leek onwaarschijnlijk dat er veel bruikbaar verband met veroudering zou zijn. Maar nu hij deze meevaller aan epigenetische gegevens tot zijn beschikking had, leek het geen kwaad om te zoeken.
Horvath begon de methylatiepatronen te matchen met de leeftijd van de tweeling. In elk speekselmonster - of elk monster van welk weefsel dan ook - zullen niet alle cellen hetzelfde methyleringspatroon vertonen. Maar het aandeel cellen dat wordt gemethyleerd op een bepaald cytosine in DNA kan worden gemeten. In één monster kan bijvoorbeeld 40% van de cellen op een bepaalde positie worden gemethyleerd; in een andere kan dat aandeel 45% of 60% zijn.
Tot zijn verbazing vond Horvath een sterke correlatie tussen leeftijd en het aandeel cellen met methylering, zelfs als hij naar slechts één plaats in het DNA keek. Kijken naar meer locaties verhoogde de nauwkeurigheid.
"Dit heeft alles voor mij veranderd", zei hij. "Toen ik eenmaal naar het signaal voor veroudering keek, blies het me weg."
Horvath bouwde een model dat iemands leeftijd voorspeld van de methyleringsstatus van ongeveer 300 cytosines over miljoenen cellen in een speekselmonster. "Je spuugt in een kopje en we kunnen je leeftijd meten", zei hij.
Al snel bouwde hij epigenetische klokmodellen voor het evalueren van de biologische leeftijden van bloed, lever, hersenen en verschillende andere weefsels. Eerst mat hij de proporties van cellen in elk monster die methylering vertoonden op specifieke plaatsen. Op basis van die gegevens maakte hij profielen van de weefsels die de proporties van gemethyleerde cellen op elke plaats beschreef.
Om een klok te bouwen, voedde hij een computer duizenden epigenetische profielen samen met de leeftijd van elk geprofileerd weefsel. Door machine learning koppelde de computer leeftijden aan methyleringspatronen. Het beperkt ook het aantal sites dat nodig is om de leeftijd te voorspellen. De computer woog vervolgens de significantie van de methylering van elke site in zijn berekeningen om de beste voorspellende formule voor leeftijd te creëren, die Horvath testte op een afzonderlijke reeks monsters van bekende leeftijden.
Binnen twee jaar had hij hun afzonderlijke weefselverouderingsklokken gecombineerd tot één formule voor: een "pan-tissue" klok, gepubliceerd in 2013. De pan-weefselklok was "the game changer", zei Daniël Belsky, een epidemioloog aan de Columbia Mailman School of Public Health. De formule toegepast op alle menselijke cellen die DNA bevatten. En iedereen zou het kunnen gebruiken - Horvath zette de software op internet. Door hun eigen methyleringsgegevens te uploaden, konden biologen erachter komen hoeveel toltijd de cellen in hun monsters hadden geëist.
Achteruitgang kwantificeren
De pan-weefselklok van Horvath was wonderbaarlijk nauwkeurig in het voorspellen van de chronologische leeftijd. Het leek ook belangrijke onderliggende verschillen tussen chronologische en biologische leeftijd te weerspiegelen. Onderzoekers ontdekten dat wanneer de epigenetische klok schatte dat iemands leeftijd hoger was dan zijn chronologische leeftijd, de persoon een hoger risico op ziekte en overlijden liep. Toen de klok schatte dat iemand jonger was, daalde hun risico. Hoewel de epigenetische klok was afgeleid van chronologische leeftijdsgegevens, voorspelde het algoritme de sterfte beter dan de leeftijd.
Dus eind 2014 wilde Horvath de biologische leeftijd expliciet volgen. Hij en zijn collega's, waaronder Morgan Levin (een pathologie-onderzoeker aan de Yale University die onlangs bij Altos Labs kwam) en Luigi Ferrucci van het National Institute on Aging, een algoritme getraind op een samengestelde maatstaf die de chronologische leeftijd omvatte, evenals de resultaten van negen bloedchemietests die ziekte en sterfte voorspellen. De gegevens kwamen uit het bloed van meer dan 9,900 volwassenen in de National Health and Nutrition Examination Survey. De resulterende klok, DNAm FenoLeeftijd, gepubliceerd in 2018, voorspelde onder andere de algehele mortaliteit en het risico op hart- en vaatziekten, longaandoeningen, kanker en diabetes. Een jaar later brachten Horvath en een team onder leiding van Ake T. Lu van UCLA een nog nauwkeurigere voorspeller uit van de tijd tot overlijden, Grimmige leeftijd, waarin gekeken werd naar het geslacht, de chronologische leeftijd, de rookgeschiedenis en de markers van de sterfte aan bloedeiwitten.
Een nieuwe tool van Belsky en zijn collega's, geïntroduceerd in 2020 en eerder dit jaar bijgewerkt, fungeert als een verouderde snelheidsmeter. bij het maken van hun Tempo van veroudering biomarker, kwantificeerden ze de snelheid van verandering in 19 markers van orgaanfunctie op vier leeftijden, verzamelden ze in een enkele index en modelleerden ze met methylering. "We kwantificeren eigenlijk het voortdurende proces van leeftijdsgerelateerde achteruitgang en systeemintegriteit," zei Belsky. Degenen die sneller ouder worden door deze maatstaf, sterven jonger, zei hij, eraan toevoegend dat het de mortaliteit ongeveer net zo goed voorspelt als GrimAge en beroerte en dementie nog beter kan voorspellen.
Eeuwenoude vraag
In 2017 benaderden vertegenwoordigers van de Paul G. Allen Family Foundation Horvath na een van zijn gesprekken. Ze hielden van zijn werk en stelden voor dat hij groots droomt, omdat de stichting risicovolle inspanningen ondersteunt. Zoek een project dat niemand anders zou financieren, zeiden ze.
Het duurde niet lang voordat Horvath een ouder wordende klok suggereerde die voor alle gewervelde dieren zou gelden. Het voorstel werd aangenomen - het was al bizar genoeg - maar toen Horvath zich realiseerde hoe groots het zou zijn, veranderde het plan in een relatief ingetogen klok voor alle zoogdieren.
Tegen januari 2021 had Horvath methyleringsgegevens van 128 zoogdiersoorten, en hij plaatste zijn klok op de preprint-server biorxiv.org. “Dezelfde wiskundige formule, dezelfde cytosines voor een muis of een rat of een hond of een varken. We kunnen veroudering bij al deze soorten meten, "zei Horvath. Toch speurde hij de wereld af op zoek naar meer.
Tegen het einde van de zomer van vorig jaar had Horvath contact met Darren Pietersen, een schubdierexpert bij de... Stichting Tikki Hywood in Harare, Zimbabwe, en bood hem benodigdheden aan voor het verzamelen van gegevens van schubdieren en verschillende andere soorten. Niemand wist zelfs zeker hoe lang schubdieren leven. Sommige officiële accounts zeiden 15 tot 20 jaar, maar Pietersen dacht dat in ieder geval sommige soorten langer leven. "Het enige dier dat we onlangs hebben verouderd, was ongeveer 34 jaar oud (hoewel met een vrij grote foutmarge)", schreef hij.
Op basis van de aangeleverde weefselgegevens bouwde Horvath een schubdierklok, nog een levensduurtimer om aan zijn verzameling toe te voegen. “U wilt een varkensklok, ik heb een varkensklok. Ik heb een klok voor kangoeroes en voor olifanten,' zei Horvath. Elke soortspecifieke klok was een zegen voor wetenschappers in het veld. Olifantenonderzoekers wilden bijvoorbeeld de olifantenklok zodat ze de leeftijdsstructuur van wilde populaties konden vaststellen om de inspanningen voor natuurbehoud te ondersteunen.
Maar een klok die ze allemaal samenvoegt, kan helpen bij het beantwoorden van een meer fundamentele vraag: wat is veroudering? Eén visie is dat je lichaam veroudert zoals je schoenen, geleidelijk vervagen en uit elkaar vallen door slijtage. Maar de succesvolle voorspellingen van de pan-zoogdierklok impliceren dat iets er ook voor zorgt dat cellen op een bepaald tijdschema falen, misschien vanwege ontwikkelingsgenen die niet uitschakelen wanneer hun werk gedaan is. "Dit suggereert een element van determinisme bij veroudering", zegt Raj, een van de meer dan 100 klokkenmakers.
Gegevens van methyleringsklokken suggereren dat veroudering heel vroeg begint, lang voordat het lichaam kapot gaat. In een 2021 papier, Gladyshev en zijn collega's beschrijven een methyleringsklok die stadia van de ontwikkeling van zoogdieren dateert. Ze ontdekten dat tijdens de vroege embryogenese bij muizen, een soort verjonging de leeftijd van het embryo terugbrengt naar nul. Biologische veroudering gaat dan snel verder, ook al worden menselijke kinderen in deze tijd aantoonbaar sterker, niet zwakker, en sterfte bij mensen neemt af tot ongeveer 9 jaar. "Dat is voor mij heel diepgaand omdat het deze kwestie van veroudering terugbrengt tot een proces dat onlosmakelijk verbonden is met het ontwikkelingsproces", zei Raj.
Twee recente studies van de naakte molrat, een knaagdier met een onwaarschijnlijk lange levensduur van 37 jaar, tonen aan dat het dier epigenetisch ouder wordt, ook al neemt de kans op overlijden niet toe met de chronologische leeftijd. "Ik denk dat het sterftecijfer niet de beste maatstaf is voor veroudering", zei Gladyshev, die leidde een van de studies. "Veroudering is een onvermijdelijk gevolg van het leven."
Veroudering weerspiegelt natuurlijk nog steeds de effecten van ervaring, gedrag en het milieu. Roken en blootstelling aan de zon kunnen het bijvoorbeeld versnellen, zoals gemeten door methylatie en andere markers, en lichaamsbeweging of een caloriearm dieet kan het vertragen. In werk dat afgelopen maart werd gepubliceerd, een epigenetische klok op maat van marmotten toonde aan dat winterslaap veroudering vertraagt, en een krant vorige week gepubliceerd, bleek dat hetzelfde geldt voor vleermuizen. Een klok gemaakt voor resusapen suggereert dat orkaan Maria in 2017 de veroudering van een apenkolonie op een eiland voor de kust van Puerto Rico versnelde.
Original Sin
Niemand weet precies waarom de klokken werken. Sommige, maar niet alle betrokken genen en moleculaire routes zijn geïdentificeerd, en onderzoekers leren nog steeds hoe methylatiepatronen het gedrag en de gezondheid van cellen, weefsels en organen beïnvloeden. "Het komt terug op wat ik 'de erfzonde van de constructie' noem," zei Horvath. "Het is gebaseerd op een [statistisch] regressiemodel dat op een bepaald niveau agnostisch is voor de biologie."
Om boete te doen voor deze zonde zijn Raj en Horvath begonnen met het zoeken naar biologische correlaten voor epigenetische veroudering. Verstoringen van de biochemische routes die het lichaam gebruikt om zijn behoefte aan voedingsstoffen te voelen vertragen veroudering, ontdekten ze onlangs, in overeenstemming met de effecten van caloriebeperkte diëten op veroudering. Het ontsporen van de werking van mitochondriën versnelt het. De klok houdt ook de rijping van stamcellen bij. Als deze processen op een dieper niveau met elkaar zijn verbonden, kunnen epigenetische klokken verenigende mechanismen voor veroudering onthullen, schreven de auteurs in een 2022 papier in Natuurveroudering.
Wat die verenigende mechanismen zouden kunnen zijn of waarom de methyleringsstatus veroudering zo goed volgt, moet echter nog volledig worden bepaald. "We weten niet echt of epigenetische klokken causaal verband houden met veroudering," zei Hägg.
Zelfs als dat zo is, meten epigenetische klokken vrijwel zeker slechts een deel van wat er gebeurt tijdens het ouder worden, zei Matt Kaeberlein, een onderzoeker aan de University of Washington School of Medicine in Seattle die de biologie van veroudering bestudeert. "Of ze daadwerkelijk meer dan een enkele dimensie van de biologische leeftijd meten, is niet duidelijk," zei hij. "Dit is een deel van het probleem hier - de samensmelting van epigenetische leeftijd met biologische leeftijd. Die zijn in mijn ogen niet gelijkwaardig.”
Raj speculeert dat de methyleringsveranderingen een verlies van cellulaire identiteit weerspiegelen met de leeftijd. Alle cellen in het lichaam hebben hetzelfde DNA, dus wat een levercel tot een levercel en een hartcel tot een hartcel maakt, is het patroon van genexpressie, dat door epigenetica wordt gecontroleerd. Aangezien veranderingen in methylering zich ophopen met de leeftijd, kunnen sommige van die controles verloren gaan, vervangen door opnieuw opkomende ontwikkelingsprogramma's die moeten worden uitgeschakeld, stelt Raj voor.
Hoewel methylatieklokken op dit moment misschien wel de meest nauwkeurige monitoren van biologische leeftijd zijn, sommige studies suggereren er is ruimte voor verbetering. Een nauwkeuriger voorspeller zou kwantificeerbare cellulaire eigenschappen kunnen combineren - bijvoorbeeld eiwit-, metaboliet- of genexpressieniveaus - met fysiologische signalen en een index van kwetsbaarheid. "We kunnen nu zoveel dingen in een mens meten", zei Hägg. "Hoe meer van deze dingen je kwantificeert, hoe nauwkeuriger je je veroudering kunt vastleggen."
Methyleringsklokken hebben ook beperkte klinische toepassingen, waarschuwde Hägg. Mensen kunnen een uitlezing van hun biologische leeftijd kopen bij verschillende commerciële bronnen, maar niet alleen zijn de resultaten vaak inconsistent, ze zijn ook niet klinisch relevant omdat de klokken bedoeld waren voor analyses op groepsniveau in onderzoek. "Ze zijn niet gebouwd om op individueel niveau voorspellend te zijn", zei ze.
En zelfs als iemand zijn levensstijl verandert op een manier die zijn biologische leeftijd verlaagt, zoals gemeten door deze klokken, zullen ze dan een langere levensduur hebben of een lager risico op ziekte? 'Dat weten we nog niet,' zei Kaeberlein.
Horvath bereidt nu een paper voor over zijn pan-zoogdierklok voor inzending in een tijdschrift. Hoewel hij schijnbaar zijn doel heeft bereikt, knagen er nog steeds hiaten in zijn verzameling aan hem. In mei correspondeerde hij met senior curatoren van een museum in Australië over het verkrijgen van weefsel van buideldiermollen, een klein, grotendeels blind wezen dat het grootste deel van zijn tijd ondergronds doorbrengt. "We hebben al gegevens gegenereerd van 348 zoogdiersoorten, maar we zouden er graag meer aan toevoegen", zei hij.
Toen Horvath dit project voorstelde, wilde hij 30 soorten analyseren, maar 30 werden al snel 50, toen 100, en toen meer dan drie keer zoveel. "Ik moet mezelf tempo maken," zei hij, "omdat ik de neiging heb om meer te verzamelen."
