Как уже было написано в статье годичной давности, мы сможем эффективно тестировать антивозрастные терапевтические подходы только тогда, когда найдем объективный способ измерения скорости старения. В отсутствие такого метода нам остается стандартный эпидемиологический подход: проверка терапии на тысячах людей и ожидание смерти некоторых из них. В той же статье было высказано предположение, что часы старения на основе метилирования перевернут страницу в истории эпидемиологии.
Шесть лет назад специалист по биологической статистике из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе Стив Хорват (Steve Horvath) осознал потенциальную ценность часов старения и поставил себе задачу научиться измерять возраст человека путем анализа метилирования (наличия метильных групп) на ДНК в клетках разных органов. Он использовал статистическое программное обеспечение для распознавания образов для поиска взаимосвязи между возрастом человека и профилем метилирования его ДНК. Метильные метки являются наиболее хорошо изученными из эпигенетических маркеров, регулирующих активацию и инактивацию генов, а также обеспечивающих активное состояние разных генных комплексов на различных этапах жизни организма.
Возраст является важным прогностическим фактором, так как вероятность развития заболеваний, убивающих большинство людей, очень сильно зависит от возраста. Фактически риск развития рака, болезней сердца и болезни Альцгеймера с возрастом возрастает экспоненциально.
Один из статистических результатов, полученных с помощью часов Хорвата, имеет очень глубокий смысл, который специалисты в области старения принимали очень неохотно: часы Хорвата были созданы на основе статистических методов, учитывающих только хронологический возраст. Алгоритм был оптимизирован для получения наилучшего оценочного значения календарного возраста человека. Очевидно, что показываемый календарем возраст является хорошим прогностическим фактором риска смерти человека. Для американцев в возрасте старше 40 лет вероятность смерти удваивается каждые 8 лет.
Ожидаемо, что, если показания часов Хорвата хорошо коррелируют с возрастом, а возраст хорошо коррелирует со смертностью, то показания часов Хорвата должны коррелировать со смертностью. (Это утверждение не имеет математические гарантии, помимо силы обеих корреляций.) Интересный поворот заключается в следующем: показания часов Хорвата более сильно коррелируют со смертностью, чем с возрастом. Алгоритм часов составлен с учетом хронологического возраста, поэтому их математическая компонента учитывает только календарные годы. Однако сам алгоритм прогнозирует смертность лучше, чем календарный возраст.
На основании этого можно предположить, что дополнительная точность часов на основе метилирования обусловлена не математикой, а биологией. Другими словами, процесс метилирования взаимосвязан с биологическим процессом старения. Изменения профиля метилирования не просто происходят по ходу старения, они взаимосвязаны с какими-то факторами, обуславливающими повышение риска смерти, или, другими словами, непосредственно со старением.
Более поздние разработки в области часов старения не только подтверждают существование этой взаимосвязи, но и подчеркивают ее странность.
2017: Часы Чзана
Янь Чзан (Yan Zhang) Германского национального института онкологии в Гейдельберге, проанализировав исторические образцы крови 406 человек, умерших в течение 15-летнего периода, и 1000 демографически сопоставимых контролей, разработал еще один метод вычисления риска смертности, основанный на профиле метилирования.
Его группа идентифицировала 58 сайтов ДНК, между метилированием которых и смертностью существует сильная ассоциация. Для 49 из 58 сайтов менее выраженное метилирование ассоциировано с повышенным риском смерти, тогда как для остальных 9 сайтов характерна обратная взаимосвязь. (Более сильное метилирование соответствует сниженной экспрессии генов. В данном случае это может означать, что возрастная смертность в большей степени обусловлена активацией генов, уничтожающих организм, чем подавление активности генов, защищающих нас от смерти.)
Ни один из этих 58 сайтов не учитывался в разработке более ранних часов старения (часов Хорвата и Ханнума). Что из этого следует? Возраст взаимосвязан со смертностью более тесно, чем любой другой биологический показатель, а в действительности по мере старения риск смерти возрастает экспоненциально. В то же время, группа Чзана занималась поиском сайтов метилирования, наиболее сильно ассоциированных с риском смертности, а группа Хорвата интересовалась сайтами метилирования, наиболее тесно взаимосвязанными с хронологическим возрастом, и идентифицированные ими сайты совсем не перекрывались. Фактически менее половины из идентифицированных Чзаном сайтов (23 из 58) вообще не имели статистически значимых корреляций с возрастом.
«Недавно разработанные эпигенетические часы (DNAm age) привлекают все больше внимания, так как результаты все большего количества исследований демонстрируют целесообразность их применения для оценки биологического старения и, соответственно, состояния здоровья и риска смертности. Интересен тот факт, что идентифицированные изменения метилирования ДНК не совпадают с ранее выявленными сайтами CpGs, изменения метилирования которых используется для определения возраста». [Zhang]
Частично это можно объяснить тем, что Чзан проводил свое исследование с участием более старых людей (медиана возраста – 62 года) с более высоким риском смерти, а часы Хорвата, с которыми проводилось сравнение, были разработаны для оценки возраста «от колыбели до могилы». По словам Чзана, в среднем уровни метилирования оценивались за 8,2 года до смерти.
Вычислительный алгоритм Чзана для риска смертности определил, сколько из 10 наиболее важных сайтов метилирования находятся в «худшем» квартиле для тестируемой популяции. («Худший» квартиль – это наиболее высокие 25% для одних и наиболее низкий для других сайтов метилирования.) 5 баллов по этой шкале соответствует 7-кратному увеличению риска смертности. Это делает шкалу Чзана одним из наиболее мощных показателей риска на сегодняшний день. Для сравнения, значение индекса массы тела 35 соответствует ожирению, а коэффициент риска смерти в данном случае составляет всего 1,36. Гемоглобин А1С и липопротеин высокой плотности являются традиционными показателями состояния здоровья пожилых людей, при этом их уровни имеют лишь незначительные ассоциации со стандартизированной по возрасту смертностью. С-реактивный белок и интерлейкин-6 являются маркерами воспаления, а их коэффициенты риска составляют 1,6 и 1,9 соответственно. Согласно этим стандартам, шкала Чзана является большим шагом вперед.
Принято считать, что процесс метилирования находится под программным контролем организма. Существует две причины, по которым метилирование может иметь мощную ассоциацию со смертностью. Во-первых, некоторые изменения профиля метилирования могут указывать на острую реакцию на какой-либо угрожающий жизни стресс. Во-вторых, определенные изменения метилирования могут быть компонентом присущей организму программы смерти, ассоциированной с возрастом. Вполне может быть, что в какой-то степени работают оба этих механизма, однако, возможно, более выражен первый, так как только 23 из 58 идентифицированных сайтов имеют значимые корреляции с возрастом.
Еще один любопытный факт: ассоциированные с курением сайты метилирования являются лучшим индикатором риска смертности, чем сам факт курения. (Подробнее об этом ниже.)
2018: часы Ливайн
Морган Ливайн (Morgan Levine), работавшая с Хорватом в университете Калифорнии, в прошлом году разработала часы второго поколения, основанные не только на показателях хронологического возраста, но и на данных о смертности и заболеваемости. Часы Ливайна были оптимизированы ретроспективно с учетом возрастных болезней, развившихся намного позже, чем были получены образцы крови для анализа.
Работа Ливайн и ее группы состояла из 2 этапов. Сначала они разработали комплекс параметров, получивший название «фенотипический возраст» и, кроме хронологического возраста, включающий в себя 9 модифицирующих факторов, способствующих повышению риска смерти. Ниже приведен список этих факторов:
- Альбумин: растворенные в плазме крови белки, в том числе гормоны и другие сигнальные молекулы.
- Креатинин: выводимый почками продукт жизнедеятельности, его высокая концентрация свидетельствует о нарушениях работы почек, однако может вызываться сильными физическими нагрузками.
- Глюкоза: уровень сахара в крови повышается при сахарном диабете 2 типа и снижении чувствительности тканей к инсулину.
- С-реактивный белок: является маркером системного воспаления.
- Относительное количество (%) лимфоцитов: наиболее многочисленные типы лейкоцитов.
- Средний объем эритроцитов (RDW): средний размер эритроцитов.
- Показатель распределения эритроцитов по объему (RDW): стандартное отклонение предыдущего показателя.
- Щелочная фосфатаза: уровень этого фермента повышается при заболеваниях печени, в том числе раке и гепатите.
- Общее число лейкоцитов всех типов.
Список оказался достаточно неожиданным. В него вошли не наиболее популярные параметры, а параметры, имеющие статистическую ассоциацию со смертностью. Присутствие в списке глюкозы и С-реактивного белка не удивляет (хотя глюкозу можно было бы заменить гликированным гемоглобином, уровень которого относительно стабилен, тогда как концентрация глюкозы варьирует от часа к часу). Также ожидаемо было бы увидеть в этом списке липопротеины высокой плотности и интерлейкин-6, а особенно неожиданной оказалась большая значимость распределения эритроцитов по объему. Она измеряется как стандартное отклонение среднего объема отдельных эритроцитов. Оказывается, что присутствие в кровотоке маленьких эритроцитов является симптомом сахарного диабета, тогда как высокие значения распределения эритроцитов по объему ассоциированы с раком и заболеваниями сердца. Существует также ассоциация умеренной силы между этим показателем деменцией при болезни Альцгеймера.
Также интересен тот факт, что количество эритроцитов имеет положительную, а количество лимфоцитов (одной из субпопуляций лейкоцитов) отрицательную взаимосвязь с риском развития возрастных болезней. Что же представляют из себя лейкоциты, не являющиеся лимфоцитами? К ним относятся нейтрофилы, эозинофилы, моноциты и базофилы. Увеличение количества этих клеток является предвестником ухудшения состояния здоровья. Нейтрофилы являются наиболее многочисленными клетками из вышеперечисленных. Они являются компонентом врожденного иммунитета, обеспечивающего защиту от рака и инфекций. К лимфоцитам, с другой стороны, относятся натуральные киллеры, а также Т- и В-клетки. Натуральные киллеры также относятся к врожденному иммунитету, тогда как Т- и В-лимфоциты являются компонентами адаптивной иммунной системы, но состояние популяций всех этих клеток отражает состояние здоровья и перспективы долгой жизни.
Все перечисленные параметры были собраны Левин и ее коллегами в их «фенотипический возраст». После этого исследователи перешли ко второму этапу, который заключался в поиске сайтов метилирования, наиболее сильно коррелирующих со значениями разработанного ими показателя «фенотипического возраста». В их расчеты было включено 513 сайтов. Таким образом, «PhenoAge» («фенотипический возраст») – это показатель, вычисляемый из 9 перечисленных выше показателей анализа крови и хронологического возраста. А «DNAm PhenoAge» (DNAm – метилированная ДНК) – это часы старения на основе метилирования ДНК, разработанные на основе анализа крови «PhenoAge».
В результате показатели DNAm PhenoAge коррелируют с хронологическим возрастом только на 75% (по сравнению с 94% для оригинальных часов Хорвата). Однако DNAm PhenoAge прогнозируют смертность и заболеваемость гораздо лучше, чем хронологический возраст и оригинальные часы Хорвата. Как и следовало ожидать, часы старения на основе метилирования, полученные с помощью PhenoAge, не прогнозируют вероятность смерти также хорошо, как сам PhenoAge. Это ожидаемо, так как часы DNAm PhenoAge предназначены для оценки показателя PhenoAge и только косвенно прогнозируют смертность.
50 сайтов вместо 500
Первым этапом в разработке часов является составление списка отдельных сайтов метилирования для последующей оценки силы их взаимосвязи с возрастом. Если вы создаете часы на основе нескольких сайтов, находящихся вверху списка, вы получаете наиболее сильную корреляцию и наиболее точную оценку возраста. Однако эта точность может быть иллюзорной. При выборе нескольких параметров из списка, в котором их сотни тысяч, неизбежно будут получаться исключения, резкие отклонения и статистические отклонения. Увеличение количество включаемых сайтов обеспечит снижение избыточного влияния какого-либо из сайтов на получаемый показатель. То есть, если часть корреляций окажутся статистическим ошибками, общее среднее значение все равно будет достаточно точным. Хорват, в целом, пошел по более консервативному пути, отчасти пожертвовав точностью в пользу надежности.
Будущее за часами старения GrimAge
Анализ метилирования оказался наиболее точным методом оценки возраста и прогноза развития возрастных болезней, по точности значительно превосходящим другие подходы. Однако еще более точных результатов можно добиться путем добавления к метилированию других фактов, известных нам о человеке, не других параметров анализа крови, а факторов образа жизни. Этот подход лег в основу часов старения нового поколения – GrimAge.
Josh Mitteldorf, Progress in Methylation-based Aging Clocks
Перевод: Евгения Рябцева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
Ссылки см. в
оригинале статьи.
