На этот раз год назад, Стив Хорват искал ДНК панголина. Древний чешуйчатый муравьед станет первым в его коллекции, которая тогда насчитывала около 200 млекопитающих. «У меня не было ничего такого порядка, поэтому я отчаянно хотел их», — вспоминал он.
С лета 2017 года Хорват, который до недавнего времени был антивозрастной исследователь из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе по 10 часов в день писал электронные письма в зоопарки, музеи, аквариумы и лаборатории. Он посещал беседы о летучих мышах и тасманских дьяволах, чтобы встретиться с их хранителями. Он добрался до самых дальних уголков мира, выпрашивая ДНК летучих лисиц, зеленых мартышек, мини-свиней и гренландских китов.
С помощью этого огромного зверинца образцов он построил вычислительные часы, которые могут вычислять возраст таких разнообразных существ, как землеройки, коалы, зебры, свиньи и «каждого кита, которого вы можете назвать», — сказал он, просто взглянув на их ДНК. Но это были всего лишь шаги к завершению амбициозного проекта Хорвата: универсальные часы, которые могли бы измерять биологический возраст любого млекопитающего.
Может показаться, что измерить возраст не сложнее, чем с помощью ближайших часов или календаря. Но хронологический возраст — несовершенный показатель, поскольку у одних людей и тканей эффект старения проявляется быстрее, чем у других. На протяжении десятилетий ученые искали объективный и универсальный способ измерения биологического старения, изменений здоровых функций с течением времени. «Вы хотите иметь биомаркер, который точно измеряет возраст во многих различных тканях и типах клеток», — сказал Хорват, который в этом году покинул Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, чтобы стать главным исследователем в Altos Labs, биотехнологическом стартапе, работающем над омоложением клеток.
Ранее в этом году Хорват и его коллеги завершили работу над версией часов для всех млекопитающих. Теперь он и другие исследователи надеются определить молекулярные процессы, общие для различных существ, которые делают возможными такие часы. Хорват считает, что понимание того, почему работают такие часы, может помочь нам найти то, что он называет «истинной первопричиной старения».
Его часы основаны на анализе химических меток, называемых метильными группами, которые висят на ДНК, как подвески на браслете, и помогают контролировать активность генов. Они являются продуктом эпигенетики (буквально «выше генетики»), области, изучающей наследственную информацию, не записанную в генетическом коде. Десять лет назад Хорват и его коллеги начали применять свои ноу-хау для создания часов, сначала для оценки возраста ДНК из слюны, а затем для определения возраста крови, печени и других отдельных тканей.
Многие биологи поначалу отнеслись скептически, потому что часы были основаны на статистике, а не на понимании биомолекулярных механизмов. Тем не менее, точность часов выдержала испытания и произвела фурор в биомедицинском сообществе. Ученые начали использовать часы Хорвата в своих исследованиях для измерения старения клеток, потому что часы были лучшими судьями состояния тела и риска заболеваний, чем хронологический возраст. «Эпигенетические часы ближе к реальному процессу старения, чем любые другие биомаркеры», — сказал он. Вадим Гладышев, биохимик из больницы Brigham and Women's Hospital и Гарвардской медицинской школы, изучающий рак и старение. Теперь часы заставляют некоторых ученых переосмыслить свои представления о том, что такое старение, а также о его связи с болезнями.
«Теперь у меня есть сотрудники, которые много работают с раком молочной железы, и [они] начинают думать о том, «если у вас прогрессирующее биологическое старение, является ли это также информативным для рака молочной железы?», — сказал он. Сара Хэгг, молекулярный эпидемиолог из Каролинского института в Стокгольме, Швеция. Если часы смогут с пользой показать, как остановить процесс старения, чтобы он не вызывал возрастные расстройства, добавила она, «мы могли бы предотвратить не одну болезнь, а многие».
Увидев сигнал
Снова и снова в последние десятилетия исследователи-биологи думали, что часы для старения находятся в пределах досягаемости. Например, в начале 1960-х годов они узнали, что клетки, растущие в культуре, не бессмертны, а вместо этого умирают всего после 40–60 циклов репликации, что предполагает наличие в клетках своего рода часов старения. В 1982 году исследователи думали, что они, возможно, открыли часовой механизм, когда изолировали теломеры, ДНК-белковые комплексы на концах хромосом, которые укорачиваются каждый раз, когда клетка делится; когда теломеры становятся критически короткими, клетки погибают.
Но теломеры не работали как часы старения. Корреляция длины теломер с возрастом и смертностью слаба у людей и отсутствует у некоторых других видов. «Теломера [длина] на самом деле не отслеживает возраст. Он просто отслеживает пролиферацию клеток», — сказал он. Кен Радж, главный исследователь Altos Labs.
В качестве альтернативы длине теломер в 2009 году Хорват начал работать над часами, основанными на транскриптах РНК активных генов клетки, шаблонах для белков, которые определяют клетку и позволяют ей функционировать. В течение следующих двух лет он пытался заставить этот подход работать, но безрезультатно: данные транскрипции были слишком зашумлены.
Но в 2010 году Хорват ответил на просьбу о помощи от коллеги из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Чтобы изучить возможную связь между сексуальной ориентацией и эпигенетикой, исследователь собирал слюну у однояйцевых близнецов, которые отличались сексуальной ориентацией, с гипотезой о том, что ДНК в их клетках слюны может выявить некоторые устойчивые различия в паттернах метилирования. Брат-близнец Хорвата - гей; Хорват гетеросексуален. Они предоставили свою слюну.
Анализ исследования рассмотрел участки в ДНК, где расположены основания цитозина, и проверил, какие из них были метилированы. (Цитозины — единственные основания, к которым присоединяются метильные группы.) Недавно внедренная технология «лаборатория на чипе» упростила тестирование десятков тысяч участков цитозина в ДНК каждой клетки. Когда коллеге понадобился статистик для анализа данных, Хорват предложил свои услуги.
Он не нашел того, что они искали. «Никакого сигнала о гомосексуализме не было», — сказал Хорват. «Но поскольку данные были на моем компьютере, я сказал, позвольте мне взглянуть на эффекты старения», поскольку возраст близнецов в исследовании охватывает десятилетия.
До этого Хорват избегал эпигенетических данных в своих исследованиях. Связь паттернов метилирования с экспрессией генов неоднозначна и непряма, и маловероятно, что она продемонстрирует какую-то полезную связь со старением. Но теперь, когда в его распоряжении оказалась эта непредвиденная кладезь эпигенетических данных, поиски, казалось, не причинили вреда.
Хорват начал сопоставлять образцы метилирования с возрастом близнецов. В любом образце слюны — или в любом образце любой ткани — не все клетки будут демонстрировать одинаковый образец метилирования. Но можно измерить долю клеток, метилированных по данному цитозину в ДНК. В одном образце, например, 40% клеток могут быть метилированы в определенном положении; в другом эта пропорция может составлять 45% или 60%.
К своему удивлению, Хорват обнаружил сильную корреляцию между возрастом и долей клеток с метилированием, даже когда он изучил только один участок ДНК. Просмотр большего количества мест повысил точность.
«Это все изменило для меня», — сказал он. «Как только я увидел сигнал старения, он меня поразил».
Хорват построил модель, которая предсказал возраст человека от статуса метилирования около 300 цитозинов в миллионах клеток в образце слюны. «Вы плюнете в чашку, и мы сможем измерить ваш возраст», — сказал он.
Вскоре он построил модели эпигенетических часов для оценки биологического возраста крови, печени, мозга и различных других тканей. Во-первых, он измерил пропорции клеток в каждом образце, которые показали метилирование в определенных местах. На основе этих данных он создал профили тканей, которые описывали пропорции клеток, метилированных в каждом участке.
Чтобы построить часы, он загрузил в компьютер тысячи эпигенетических профилей вместе с возрастом каждой профилированной ткани. С помощью машинного обучения компьютер связал возраст с моделями метилирования. Это также сузило количество сайтов, необходимых для предсказания возраста. Затем компьютер взвешивал значимость метилирования каждого сайта в своих расчетах, чтобы создать наилучшую предсказательную формулу для возраста, которую Хорват проверил на отдельном наборе образцов известного возраста.
В течение двух лет он объединил их отдельные часы старения тканей в одну формулу для «пантканевые» часы, опубликованный в 2013 году. Пантканевые часы «изменили правила игры», сказал Даниэль Бельски, эпидемиолог Колумбийской школы общественного здравоохранения Мейлмана. Формула применима ко всем без исключения клеткам человека, содержащим ДНК. И любой мог использовать его — Хорват разместил программное обеспечение в Интернете. Загружая свои собственные данные о метилировании, биологи могли узнать, сколько времени потребовалось клеткам в их образцах.
Количественная оценка снижения
Тканевые часы Хорвата с удивительной точностью предсказывали хронологический возраст. Это также, казалось, отражало важные основные различия между хронологическим и биологическим возрастом. Исследователи обнаружили, что когда эпигенетические часы оценивали возраст человека больше, чем его хронологический возраст, человек сталкивался с более высоким риском заболевания и смерти. Когда часы подсчитывали, что кто-то был моложе, их риск снижался. Несмотря на то, что эпигенетические часы были получены на основе хронологических данных о возрасте, их алгоритм предсказывал смертность лучше, чем возраст.
Поэтому в конце 2014 года Хорват решил явно отслеживать биологический возраст. Он и его коллеги, в том числе Морган Левин (исследователь-патолог из Йельского университета, недавно присоединившийся к Altos Labs) и Луиджи Ферруччи из Национального института старения обучили алгоритм комплексному показателю, который включал хронологический возраст, а также результаты девяти биохимических анализов крови, которые предсказывают болезни и смертность. Данные были получены из крови более чем 9,900 XNUMX взрослых в рамках Национального обследования состояния здоровья и питания. Получившиеся часы, ДНКам ФеноЭйдж, опубликованный в 2018 году, предсказал общую смертность и риск сердечно-сосудистых заболеваний, заболеваний легких, рака и диабета, среди прочих результатов. Год спустя Хорват и команда под руководством Аке Т. Лу из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе выпустили еще более точный предсказатель времени до смерти. Грим Эйдж, в котором рассматривались пол человека, хронологический возраст, история курения и маркеры смертности от белка в крови.
Новый инструмент Бельского и его коллег, представленный в 2020 году и обновленный ранее в этом году, действует как устаревший спидометр. При создании своих Скорость старения биомаркер, они количественно оценили скорость изменения 19 маркеров функции органов в четырех возрастах, скомпилировали их в единый индекс и смоделировали его с помощью метилирования. «На самом деле мы количественно оцениваем продолжающийся процесс возрастного упадка и системной целостности», — сказал Бельски. По его словам, те, кто стареет быстрее по этому показателю, умирают раньше, добавив, что он предсказывает смертность примерно так же, как GrimAge, и может даже лучше прогнозировать инсульт и деменцию.
Извечный вопрос
В 2017 году представители Семейного фонда Пола Г. Аллена обратились к Хорвату после одного из его выступлений. Им понравилась его работа, и они посоветовали ему мечтать о большем, потому что фонд поддерживает начинания с высоким риском. По их словам, найдите проект, который никто другой не профинансировал бы.
Хорвату не потребовалось много времени, чтобы предложить часы старения, применимые ко всем позвоночным. Предложение было принято — оно было достаточно диковинным — но когда Хорват начал осознавать масштабы того, что оно будет включать, план превратился в относительно сдержанные часы для всех млекопитающих.
К январю 2021 года у Хорвата были данные о метилировании 128 видов млекопитающих. отправил свои часы на сервере препринтов biorxiv.org. «Та же математическая формула, одни и те же цитозины для мыши, крысы, собаки или свиньи. Мы можем измерить старение у всех этих видов», — сказал Хорват. Тем не менее, он обыскал земной шар в поисках большего.
К концу лета прошлого года Хорват связался с Дарреном Питерсеном, экспертом по панголинам из Фонд Тикки Хайвуд в Хараре, Зимбабве, предлагая ему материалы для сбора данных о ящерах и некоторых других видах. Никто даже не знал наверняка, сколько живут панголины. В некоторых официальных отчетах говорится, что от 15 до 20 лет, но Питерсен считал, что по крайней мере некоторые виды живут дольше. «Единственному животному, которого мы недавно состарили, было около 34 лет (хотя и с довольно большой погрешностью)», — написал он.
Из предоставленных данных о тканях Хорват построил часы панголина, еще один таймер продолжительности жизни, который можно добавить в его коллекцию. «Ты хочешь свиные часы, у меня есть свиные часы. У меня есть часы для кенгуру и для слонов, — сказал Хорват. Каждые видоспецифичные часы были благом для ученых в этой области. Исследователям слонов, например, нужны были часы для слонов, чтобы они могли установить возрастную структуру диких популяций, чтобы помочь усилиям по сохранению.
Но часы, объединяющие их все, могут помочь ответить на более простой вопрос: что такое старение? Одна точка зрения состоит в том, что ваше тело стареет, как ваша обувь, постепенно увядает и разваливается от износа. Но успешные предсказания пан-млекопитающих часов подразумевают, что что-то также заставляет клетки выходить из строя по определенному графику, возможно, из-за генов развития, которые не выключаются, когда их работа выполнена. «Это предполагает наличие элемента детерминизма в старении», — сказал Радж, один из более чем 100 строителей часов.
Данные часов метилирования показывают, что старение начинается очень рано, задолго до того, как организм разрушается. В 2021 бумагаГладышев и его коллеги описывают часы метилирования, которые датируют стадии развития млекопитающих. Они обнаружили, что во время раннего эмбриогенеза у мышей своего рода омоложение отбрасывает возраст эмбриона к нулю. Затем биологическое старение идет быстрыми темпами, даже несмотря на то, что человеческие дети, возможно, становятся сильнее, а не слабее, в течение этого времени, и смертность среди людей снижается примерно до 9 лет. «Для меня это очень важно, потому что сводит вопрос старения к процессу, который неотделим от процесса развития», — сказал Радж.
Два недавних исследования голого землекопа, грызуна с невероятно длинной 37-летней продолжительностью жизни, показывают, что животное стареет эпигенетически, хотя его шансы умереть не увеличиваются с хронологическим возрастом. «Я думаю, что уровень смертности — не лучший показатель старения, — сказал Гладышев, возглавлявший одно из исследований. «Старение — неизбежное следствие жизни».
Конечно, старение по-прежнему отражает влияние опыта, поведения и окружающей среды. Курение и пребывание на солнце, например, могут ускорить его, что измеряется метилированием и другими маркерами, а физические упражнения или низкокалорийная диета могут остановить его. В работе, опубликованной в марте прошлого года, эпигенетические часы специально для сурков показали, что спячка замедляет старение, и бумага опубликованные на прошлой неделе, показали, что то же самое верно и для летучих мышей. Часы сделано для макак-резусов предполагает, что в 2017 году ураган Мария ускорил старение в колонии обезьян на острове у побережья Пуэрто-Рико.
Первородный грех
Никто не знает до конца, почему часы работают. Некоторые, но не все гены и задействованные молекулярные пути были идентифицированы, и исследователи все еще изучают, как модели метилирования влияют на поведение и здоровье клеток, тканей и органов. «Все возвращается к тому, что я называю «первородным грехом строительства», — сказал Хорват. «Он основан на [статистической] регрессионной модели, которая на каком-то уровне не зависит от биологии».
Чтобы искупить этот грех, Радж и Хорват начали искать биологические корреляты эпигенетического старения. Нарушения биохимических путей, которые тело использует, чтобы почувствовать свою потребность в питательных веществах, замедляют старение, как они недавно обнаружили, в соответствии с влиянием диет с ограничением калорий на старение. Нарушение работы митохондрий ускоряет ее. Часы также отслеживают созревание стволовых клеток. Если эти процессы связаны на более глубоком уровне, эпигенетические часы могут выявить объединяющие механизмы старения, писали авторы в 2022 году. бумага в Природа Старения.
Однако, какими могут быть эти объединяющие механизмы или почему статус метилирования так хорошо отслеживает старение, еще предстоит полностью определить. «На самом деле мы не знаем, связаны ли эпигенетические часы со старением», — сказал Хэгг.
Даже если это так, эпигенетические часы почти наверняка измеряют только часть того, что происходит во время старения. Мэтт Каберлейн, исследователь Медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле, изучающий биологию старения. «Неясно, измеряют ли они на самом деле больше, чем одно измерение биологического возраста», — сказал он. «Это часть проблемы — смешение эпигенетического возраста с биологическим возрастом. На мой взгляд, это не эквивалентно».
Радж предполагает, что изменения метилирования отражают потерю клеточной идентичности с возрастом. Все клетки в организме имеют одинаковую ДНК, поэтому клетка печени становится клеткой печени, а клетка сердца — клеткой сердца благодаря характеру экспрессии генов, который контролируется эпигенетикой. По мере того, как изменения в метилировании накапливаются с возрастом, некоторые из этих элементов управления могут быть утеряны, заменены вновь возникающими программами развития, которые следует отключить, предполагает Радж.
Хотя на данный момент часы метилирования могут быть самыми точными индикаторами биологического возраста, некоторые исследования предполагают есть возможности для улучшения. Более точный предиктор может сочетать поддающиеся количественному определению клеточные свойства — скажем, уровни экспрессии белков, метаболитов или генов — с физиологическими сигналами и индексом слабости. «Сейчас мы можем измерить так много вещей в человеке», — сказал Хэгг. «Чем больше из этих вещей вы измерите, тем точнее вы поймете свое старение».
Хэгг предупредил, что часы метилирования также имеют ограниченное клиническое применение. Люди могут купить показания своего биологического возраста в различных коммерческих источниках, но результаты не только часто противоречивы, но и не имеют клинической значимости, потому что часы предназначались для группового анализа в исследованиях. «Они не созданы для прогнозирования на индивидуальном уровне», — сказала она.
И даже если кто-то изменит свой образ жизни таким образом, что его биологический возраст, измеряемый этими часами, снизится, продлится ли его жизнь или снизится риск заболевания? «Мы пока этого не знаем», — сказал Каберляйн.
Сейчас Хорват готовит статью о своих пан-млекопитающих часах для публикации в журнале. Хотя он, казалось бы, достиг своей цели, пробелы в его коллекции все еще беспокоят его. В мае он переписывался со старшими кураторами музея в Австралии о получении тканей от сумчатых кротов, маленького, в основном слепого существа, которое проводит большую часть своего времени под землей. «Мы уже получили данные по 348 видам млекопитающих, но хотели бы добавить больше», — сказал он.
Когда Хорват предложил этот проект, он намеревался проанализировать 30 видов, но 30 вскоре превратились в 50, затем в 100, а затем в три раза больше. «Мне нужно контролировать себя, — сказал он, — потому что у меня есть импульс собрать больше».
