老化のエピジェネティックなバイオマーカー

エピジェネティックなバイオマーカーの物語は2013年に始まりました。 次に、この方向の先駆者である遺伝学および生物統計学の専門家であるカリフォルニア大学ロサンゼルス校スティーブ・ホーバースの従業員は、「エピジェ​​ネティック時計」と呼ばれる彼の革新的な生物学的年齢の決定方法を紹介しました。 名前が示すように、この方法はエピゲノムの変化、つまりDNAメチル化に基づいていました。

DNAのメチル化は、遺伝子発現の調節のエピジェネティックなメカニズムの1つです。 メチル化中、CH3特殊酵素のメチル基はDNA塩基の1つであるシトシンに結合します。 その結果、5-メチルシトシンが形成され、遺伝子発現が不活性化されます-転写プロセスがブロックされます。 今日ご存知のように、DNAメチル化は動的なプロセスです。 それは外部要因の影響下で変化する可能性があり、多くの病状の発症に関連し、いくつかの次世代に引き継がれます。 メチル化は、外来DNAの不活性化、および発達と老化のプロセスにおいて重要な役割を果たします。 「エピジェ​​ネティックドリフト」と呼ばれるメチル化の年齢に関連した変化が説明されています。 したがって、年齢とともに低メチル化（脱メチル化）および関連する染色体不安定性が観察されます。 さらに、加齢に伴い、逆のプロセスも発生します-特定の腫瘍抑制遺伝子を含む特定のプロモーター領域の過剰メチル化は、病状の発生に関連しています[1]。 一般に、今日では、メチル化の変化が加齢に重要な役割を果たすと考えられています。

発生年齢はエピゲノムの予測可能な変化、ゲノム全体の多くの領域での低メチル化および高メチル化に関連しているという事実に基づいて、DNAメチル化に基づくエピジェネティックな老化バイオマーカーの第一世代が開発されました。 2011年、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の科学者による「年齢のエピジェネティックな予測因子」というタイトルの最初の記事は、DNAメチル化が年齢と明確な関係があることを示しました。 2013年、Steve Horvatはコンピューター支援の機械学習技術を使用して、353のメチル化部位を特定しました。これらは、最初の「エピジェ​​ネティッククロック」または「クロアチアクロック」の基礎を形成した、人の年齢と非常に相関しています[2]。

この発見の重要性を過大評価することは困難です。 S. Horvatのサクセスストーリーは、発明されていないドラマに満ちていると言わなければなりません。 Horvat自身の回顧録によれば、最初は、複数の雑誌で年齢を測定する新しいエピジェネティックな方法に関する彼の記事を受け入れたくありませんでした。 彼は絶えずレビュアーから「真実であるにはあまりにも良い」という同じフレーズを聞かなければなりませんでした。 しかし、Horvathはあきらめず、新しい方法の完成に全力を尽くしました。 Horvat家での仕事が完了する前に、不幸が起こりました-彼の最近生まれた娘は亡くなりました。 しかし、これは頑固な科学者を不安にさせませんでした。 彼の記事の最新版は、ゲノム生物学によって再び拒否されました。 そして、レビューアーから別の重要なコメントを受け取った後、Horvathは回想で3つのことをすべきではありませんでした。「レビューアーのコメントを読んだ後、私は次の10分間、決してすべきでないことをしました。 まず、冷蔵庫に行き、できるだけ早く3本のビールを飲みました。 第二に、私はコンピューターに戻り、編集者に手紙を書きました。 第三に、私はそれを送りました。」 そして今回、幸運は彼に微笑んで、彼の記事は受け入れられました。


スティーブ・ホーバース

「エピジェ​​ネティック時計」はどのように役立つのでしょうか？ 発見の著者によると、この方法は結果の待機期間を大幅に短縮できるため、アンチエイジング介入の有効性を評価する上で大きな役割を果たすことができます。 さらに、クロアチアによって特定されたメチル化部位は単なるマーカーであるだけでなく、加齢（少なくとも一部）の積極的な参加者でもあると想定されています。 老化や加齢に伴う病態との闘いにおいて、研究者に潜在的な治療標的を与えるもの。 また、この新しい方法は、組織サンプルから年齢サンプルが必要な場合の刑事訴訟にも役立ちます。 しかし、当然ながら、「エピジェ​​ネティック時計」は、病気を予測し、死亡のリスクを増加させる上で最も重要なものとなりました。

判明したように、「エピジェ​​ネティック時計」は胚性幹で「ゼロ」の値を示し、多能性細胞、精子、卵細胞、胎盤細胞を誘導しました。 そして、人生の最初の5年間-体の発達に関連する加速コース。 21歳までに「エピジェ​​ネティッククロック」は徐々に減速し、その後ほぼ一定の速度で進み、外部要因の影響下でパフォーマンスが変化しました。 さらに、異なる組織は異なる速度で老化することが判明しました。 老化のプロセスを最も起こしやすいのは、女性の乳房組織でした。 エピジェネティクスの観点から見ると、脳の老化は最も遅く、血液および骨細胞の老化はわずかに加速します[3]。

同じ2013年に、中国とアメリカの科学者によって、「エピジェ​​ネティック時計」の別のバージョンである「ハンナム時計」を発表した記事が公開されました。 カリフォルニア大学サンディエゴ校のカリフォルニア大学バイオエンジニアであるグレゴリー・ハンナムと彼の同僚は、19歳から101歳の人々の血液細胞からの450,000 CpGジヌクレオチドのDNAメチル化プロファイルを研究し、年齢と最も相関する71のメチル化部位を特定しました[4]。 「Hannum clock」と「Croatian clock」の主な違いは、その特異性です。クロアチアの方法のように、DNAサンプルは組織からではなく血液細胞から採取されます。

すぐに、「エピジェ​​ネティック時計」の主な価値が明らかになりました。 経過年齢と経過の比較は、すべての原因による死亡リスクと多くの病理の発生を評価するための非常に予後的価値があります。 「エピジェ​​ネティック時計」が急いでいる場合-病気、加速老化、寿命の短縮があります。 それらが年代順より遅い場合、長寿の可能性が十分にあります。 研究では、「エピジェ​​ネティック時計」は、すべての原因および加齢性疾患による死亡率と高い相関があることが示されています。

2015年、Horvatと同僚は、肺がんとエピジェネティックな年齢の関係を決定する研究を実施しました。 2,029人のデータを分析した結果、エピジェネティックな年齢の加速は肺がんのリスク増加と関連しており、この関係は喫煙者と70歳以上の人々でより強いことがわかりました。肺がんの発生率と有意に関連している（HR：1.50、P = 3.4×10 -3）。 さらに、高齢者（70歳以上）または現在喫煙している人の間で、この関連性がさらに強くなる可能性があることを示しました。 一般に、私たちの結果は、IEAAが生物学的加齢の観点から肺癌に対する感受性を評価するための有用なバイオマーカーになり得ることを示しています。

同じ年に、別の研究者グループが、「エピジェ​​ネティックな年齢」と60歳以上のすべての原因による死亡のリスクとの関係を確立しました。 分析のために、参加者の平均年齢がそれぞれ79.1、69.5、66.3、72.9歳である4つの研究（合計4658人）からデータを取得しました。 エピジェネティックな年齢は、「クロアチア時計」（353 CpGメチル化部位に基づく）と「ハンナム時計」（71 CpGメチル化部位に基づく）の2つの方法で決定されました。 基本セットは6つのCpGサイトでのみ一致しましたが、どちらの方法も互いに強い相関関係を示しました。 この研究の結果は、「エピジェ​​ネティックな年齢」が年齢と比較して5年早くなると、人々の死亡リスクが16％増加することを示しました。 著者らは次のように結論付けています。「DNAメチル化に由来する加速老化指標は、健康、ライフスタイル、または既知の遺伝的要因に関係なく、死亡率を予測する遺伝的要因です。 したがって、DNAメチル化の予測年齢は「エピジェ​​ネティック時計」であり、生物学的年齢を測定するものと考えられますが、常に年齢と並行するわけではなく、平均寿命を予測できます」[6]。

2016年、ドイツの腫瘍学者は、後成的加齢の加速と、癌および心血管疾患およびその他のすべての原因による死亡との関係を説明する研究を実施しました。 彼らの仕事のために、彼らはHorvathとHannumの「エピジェ​​ネティック時計」を使用しました。 DNAメチル化の年齢は、ESTHER研究に参加している平均年齢62.5歳の1863人の高齢者のコホートで推定されました。 結果は、年代順のエピジェネティックな年齢が高い死亡率と関連していることを示しました。 クロアチアの方法で決定された「エピジェ​​ネティックな年齢」の5年の加速により、死亡率は22％増加し、ハンナム法を使用すると16％増加しました[7]。

2016年、Steve Horvath率いる大規模な国際研究チームが大規模なメタ分析を実施し、白人、ヒスパニック、アフリカ系アメリカ人の3つの人種/民族グループの13,089人のデータを調査しました。 ここでのエピジェネティックな時代は、「クロアチアの時計」と「ハンナムの時計」という2つの方法によって決定されました。 この研究では、「エピジェ​​ネティック時計」を1年加速すると（年代と比較して）、すべての原因による死亡リスクが4％に増加することが示されました。 さらに、逆の効果も観察されました。「エピジェ​​ネティックな時間」の減速は、死亡のリスクを低下させました。 さらに、研究者たちは興味深い現象を記録しました。「私たちは、5％の人が生物学的年齢の経過が速いことを発見しました。これにより、寿命が短くなります。 高齢化の加速は、これらの人々の死亡リスクを成人年齢で50％増加させます。」[8、9]。

「エピジェ​​ネティック時計」のコースに影響する多くの外部要因もすでに知られています。 2017年、Horvathと同僚は、食事、アルコール、教育、運動とエピジェネティックな時間の経過との関係について説明しました。 著者自身によると、彼らの仕事は、野菜、魚、赤身の肉、適度なアルコール消費、身体活動、教育による食事がエピジェネティックな時間の流れを遅らせ、寿命を延ばすという、長い間知られている真実を確認した。 インスリンとグルコース、C反応性タンパク質とトリグリセリドのレベルの上昇、ならびに過剰な体重と高血圧により、エピゲノムの老化が加速しました。 同じ研究で、科学者たちは、エピジェネティックな時間の経過に対する抗脱塩基剤メトホルミンのプラス効果を発見しませんでした[10]。 同じ年に、フィンランドの研究者たちは、肥満と後成的老化の加速との関係を再び実証しました[11]



図 1 エピジェネティックな年齢に影響する要因 （[10]から）。
青と赤の矢印は、それぞれ老化を遅くしたり加速したりする要因を示しています。 クロックは、外部エピジェネティッククロック（外因性エピジェネティッククロック、Hannumメソッドの拡張バージョン）および内部エピジェネティッククロック（固有エピジェネティッククロック、クロアチア語クロック）を象徴しています。 エピジェネティックな時間の経過に対するプラスの効果（減速）：魚、家禽、野菜および果物、高密度リポタンパク質、中程度のアルコール、形成および身体活動。 エピジェネティックな時間の経過に悪影響を及ぼします（加速）：インスリン、グルコース、C反応性タンパク質、トリグリセリド、高血圧のレベルの上昇、体重の増加、ウエストとヒップの不正確な比率。

さまざまな研究チームが、エピジェネティックな時間の経過と身体機能および認知機能、ダウン症候群およびウェルナー症候群、HIV感染、アルツハイマー病、閉経との関係を説明する研究を実施しています[12-17]。 長寿と「エピジェ​​ネティック時計」の減速との明確な関係も、100歳のイタリア人100歳の例を使用して実証されました[18]。 長い間、Steve HorvathはHutchinson-Guildford早老期の生物学的年齢の加速過程を予測する方法を使用できませんでした。 しかし、今年、この問題は解決されました。彼と彼の同僚は、「皮膚血時計」と呼ばれる391 CpGサイトで構成される線維芽細胞に基づいた特別な「エピジェ​​ネティック時計」を作成しました[19]。

S. Horvatの研究の次のステップは、さまざまな原因による死亡リスクと加齢性疾患の発症を予測する診断機能を改善した、より効果的な加齢のバイオマーカーの開発でした。 Horvathによると、以前の「エピジェ​​ネティック時計」の欠点は、年齢の偏差を決定するための基準として時系列の年齢を使用すると、メチル化プロファイルが時間依存性の強い変化を示さないCpGサイトを除外できることでした。 代わりに、生物学的年齢と年代的年齢の不一致のみを示しています。 したがって、時系列の違いを示すCpGをキャプチャするだけでなく、同じ年代の人の間でリスクと生理学的状態の違いを示すCpGをキャプチャすることも重要です。2018年、DNAm PhenoAgeと呼ばれる新しいバイオマーカーは、作成されました。

最初の段階で、S。Horvathのチームは、9926人の人々の大規模なサンプルで、NHANES III研究の参加者、42の臨床バイオマーカーと年代と死亡リスクの関係を分析しました。 その結果、表現型の年齢を予測するために9つのバイオマーカーが決定されました。

1.アルブミン
2.クレアチニン
3.グルコース
4. C反応性タンパク質
5.リンパ球の割合
6.赤血球の平均量
7.赤血球の分布の幅
8.白血球数
9.アルカリホスファターゼ。

次に、選択したバイオマーカーを検証しました-人々の別のサンプル（6209人）で表現型の年齢モデルをテストしました。 この試験では、表現型の年齢の増加とすべての原因による死亡のリスクの増加との相関関係が示されました：表現型の年齢の1年の増加は、すべての原因による死亡のリスクの9％の増加、加齢関連疾患による死亡のリスクの9％の増加、心臓からの死亡のリスクの10％の増加に関連していました血管疾患、癌による死亡リスクの7％増加、糖尿病による死亡リスクの20％増加、呼吸器疾患による死亡リスクの9％増加。

研究の第2段階では、著者らはDNAメチル化を表現型の年齢と関連付けました。 科学者は、どのメチル化GpC部位が表現型の年齢を予測するこれらの9つの臨床バイオマーカーに関連するかを特定しました。 彼らは、表現型の年齢を予測するそのような部位の513 CpGsを特定しました。 新しいエピジェネティックマーカーは、DNAm PhenoAgeと名付けられました。 このテストは、新しいバイオマーカーのかなり高い精度を示しました。1998年から2007年の間、DNAm PhenoAgeの平均変化は8。51年でしたが、臨床表現型年齢の平均変化は8。88年でした。

その後、研究者らは、4つの大規模研究、Women's Health Initiative（n = 4207）、Framingham Heart Study（n = 2553）、Normative Aging Study（n = 657）、Jackson Heart Study（n = 1747）。 結果は、DNAm PhenoAgeがすべての研究で（死亡年齢に関係なく）その後の死亡リスクと有意に関連していることを示しました：DNAm PhenoAgeの1年の増加は、全原因死亡リスクの4.5％の増加と関連していました。

DNAm PhenoAgeの遺伝子解析により、使用された513 CpGサイトにはクロアチアの時計と同じ41 CpGと、Hannumの時計と同じ6 CpGがあることが示されました。 5つの同一のCpGは、3つのエピジェネティック手法すべてで見つかりました。 DNAm PhenoAgeの149 CpGは、CpGジヌクレオチドのクラスター（CpGアイランド）にあります。

Steve Horvathと彼のチームが研究中に得たすべてのデータは、新しいバイオマーカーが加齢に伴う病気のリスクと死亡のリスクを決定する上で大きな予測価値を持っていることを示しました。 「 革新的な2段階プロセスを使用して、新しい老化エピジェネティックバイオマーカーであるDNAm PhenoAgeを開発しました。これは、あらゆる原因、癌、一般的な健康、身体機能、アルツハイマー病による死亡など、さまざまな老化要因の予測に関して、以前のバイオマーカーをはるかに上回りました。 このバイオマーカーは全血データを使用して開発されましたが、テストされた各組織および細胞の年齢と強く相関しています。 ソートされた細胞の詳細な転写分析に基づいて、年代順と比較してエピジェネティックな年齢の増加は、炎症性およびインターフェロン経路の活性化の増加と、転写/翻訳メカニズムの活性化の減少、DNA損傷への応答、およびミトコンドリアシグネチャーと関連していることがわかりました。 一般に、この単一の老化のエピジェネティックなバイオマーカーは、さまざまな組織や細胞における幅広い結果のリスクをカバーし、老化の重要な経路の理解を提供することができます。

著者：アレクセイ・ルジェシェフスキー。