Молекулярные и фенотипические биомаркеры старения.
Введение.
Для чего нужны биомаркеры старения?
Старение представляет из себя зависящий от времени физиологический функциональный спад, который поражает большинство живых организмов. И этот процесс напрямую связан с молекулярными изменениями. Он также является самым основным фактором риска для многих неинфекционных заболеваний. С одной стороны, выявление биомаркеров старения будет способствовать дифференциации людей, имеющих один и тот же хронологический возраст, но разные варианты старения. Количественные биомаркеры старения также могут составить группу измерений для «здорового старения» и, кроме этого, прогнозировать продолжительность жизни.
С другой стороны, биомаркеры старения могут также помочь исследователям сузить сферу исследований до конкретных биологических аспектов в попытках объяснить биологические процессы, связанные со старением и возрастными заболеваниями. Здесь мы рассмотрим фенотипические и молекулярные биомаркеры старения.
Фенотипические биомаркеры могут быть неинвазивными, панорамными и легкодоступными, тогда как молекулярные биомаркеры могут отражать некоторые молекулярные механизмы, лежащие в основе возрастного статуса. Этот обзор в основном рассматривает результаты, полученные в исследованиях с людьми (и в некоторых редких случаях – с лабораторными животными (мышами) и нематодами).
Молекулярные биомаркеры старения
Этот раздел создан на основе двух высокоэффективных обзоров по признакам старения 1, 2. В рамках этих обзоров мы фокусируемся на событиях, начиная с 2013 года. Американская федерация исследований старения (AFAR) предложила следующие критерии для биомаркера старения:
(1) он должен прогнозировать скорость старения;
(2) он должен контролировать основной процесс, лежащий в основе процесса старения, а не последствия болезни;
(3) он должен иметь возможность проходить повторное тестирование без ущерба для человека;
(4) это должно быть что-то, что работает на людях и лабораторных животных.
Биомаркеры, отвечающие всем критериям, предложенным AFAR, вряд ли будут существовать 3, поэтому в молекулярной части этого обзора мы следуем первым двум критериям: биомаркер должен прогнозировать скорость старения и должен контролировать основной процесс, лежащий в основе старения. Для первого критерия мы старались, чтобы биомаркер имел корреляцию со старением; для второго критерия мы организовали первую часть этого обзора в соответствии с молекулярными путями, подрывающими старение.
ДНК и хромосомы.
Теломеры.
Теломеры представляют рибонуклеопротеидные комплексы в конце хромосом. Они становятся короче после каждой репликации, так как теломераза, фермент, ответственный за их репликацию, не регулярно экспрессируется в соматических клетках 4. Длина теломер в лейкоцитах связана со старением и продолжительностью жизни 5, а также с возрастными заболеваниями, такими как сердечно-сосудистые заболевания 6, 7, рак 8 и неврологические расстройства 9.
Восстановление ДНК.
Связь между повреждением и восстановлением ДНК связана со старением путем накопления стареющих клеток 10 или геномных перегруппировок 11. Совсем недавно, эта связь была непосредственно продемонстрирована: индукция двунитиевых разрывов ДНК в печени мыши вызывала возрастные патологии и экспрессию генов 12. Иммуногистохимия γ-H2AX является установленным количественным биомаркером старения, потому что H2AX является вариантом семейства белков-гистонов H2A, а фосфорилированный H2AX, γ-H2AX является исходным и существенным компонентом очагов повреждения ДНК.
Поэтому его можно считать надежным маркером степени повреждения ДНК 13 — 15. Сывороточные маркеры повреждения ДНК, том числе, cathelin-related antimicrobial peptide (CRAMP), эукариотический фактор элонгации трансляции EF-1a, статмин, N-ацетил-β-D-глюкозаминидаза (NAG) и хитиназа, также были описаны 16.
Следует отметить, что дермальные фибробласты от столетних доноров были менее чувствительны к повреждению ДНК, вызванному пероксидом водорода, чем фибробласты от других доноров, более молодых 17. Такие эксперименты ex vivo также могут быть потенциальными биомаркерами старения.
Эпигенетические модификации.
Возрастные изменения в структуре метилирования ДНК, в частности, в качестве эпигенетических часов, являются одними из наиболее изученных биомаркеров старения 18 — 20. Анализ профилей метилирования в крови показал, что только три сайта CpG могут предсказать возраст со средним абсолютным отклонением от хронологического возраста менее 5 лет 21. Связь между возрастом и метилированием ДНК может быть распространена на возрастные заболевания, такие как диабет 22. Для полного обзора эпигенетической регуляции старения см. Sen et al. 23.
РНК и транскриптом.
Профили транскриптов. С быстрым прогрессом в технологии полногеномного секвенирования РНК (RNA-seq), она активно стала применяться в изучении и поисках биомаркеров старения. Lu et al. недавно показали, что изменение экспрессии в клетках, измеренное в сортированных Т-клетках секвени́рованием РНК одино́чных кле́ток (single-cell RNA-seq) вместе с проточной цитометрией, связано со старением и восприимчивостью к болезням 24.
В недавнем исследовании использовались профили экспрессии генов цельной крови, взятой у 14 983 человек для идентификации 1457 генов с зависимой от возраста дифференциальной экспрессией. А затем полученные данные использовали их для расчета «транскриптомического возраста» индивидуума, предполагая, что сигнатуры транскриптома могут использоваться для измерения старения 25.
Некодирующие РНК.
МикроРНК (miRNAs) представляют собой класс малых (от 21 до 23 нуклеотидных) некодирующих РНК, которые регулируют широкий спектр биологических процессов, включая метаболизм 26 и старение 27. Среди них есть циркулирующие miRNAs, которые могут быть стабильными в плазме за счет пребывания в экзосомах или связывания с белковыми или липопротеидными факторами, что делает их доступными для биомаркеров. miR-34a была первой наблюдаемой циркулирующей miRNA с измененной картиной экспрессии при старении у мышей28.
Обнаружено, что её экспрессия коррелирует с возрастной потерей слуха у мышей и людей 29. miR-21 была определена как воспалительный биомаркер при исследовании 365 miRNAs в плазме здоровых и старых людей 30. Уровни miR-151a-3p, miR-181a-5p и miR-1248, как сообщается, значительно уменьшались с возрастом у людей, и все три miRNAs также показывают связь с воспалением 31. Было обнаружено, что miR-126-3p положительно коррелирует с возрастом у 136 здоровых субъектов от 20 до 90 лет 32.
Посредством экспрессии GFP, Pincus et al. обнаружили, что уровни mir-71, mir-246 и mir-239 в раннем взрослом возрасте различаются у индивидуумов и прогнозируют продолжительность жизни 33. В недавнем обзоре 27 обобщены ассоциации других типов циркулирующих некодирующих малых РНК, таких как tRNA и YRNA.
Длинные некодирующие РНК (lncRNAs) представляют собой гетерогенный класс некодирующих РНК, которые определены как транскрипты длиной более 200 нуклеотидов, не имеющие очевидных открытых рамок считывания 34. В двух последних обзорах суммируется роль lncRNAs в старении 35, 36. Рассмотрение разнообразных функциональных механизмов lncRNA выходит за рамки этого обзора, и читатели могут ознакомиться с недавним обзором по этой теме 37; здесь мы приводим список lncRNAs, которые функционируют в процессе старения. Было обнаружено, что lncRNA MIR31HG активируется в вызванном онкогенами старении, и требуется для репликации, опосредованной поликомбической группой локуса INK4A 38.
Понижение уровня lncRNA AK156230 происходит в репликативном старении, и её нокдаун в эмбриональных фибробластах мыши индуцирует старение через дисрегуляцию путей аутофагии и клеточного цикла, что показано профилями экспрессии 39. Уровни Meg3 повышаются во время сердечно-сосудистого старения, а также в стареющих человеческих пупочных венозных эндотелиальных клетках 40.
Метаболизм.
Диетическое ограничение (ограничение калорий) является наиболее консервативным средством увеличения продолжительности жизни, от дрожжей до млекопитающих. 42 Исследования указывают на основную роль метаболизма в регуляции старения и на возможность метаболических факторов выступать в качестве биомаркеров.
Чувствительность к питательным веществам.
Путь передачи сигналов инсулина / IGF-1 (IIS), который участвует в потреблении глюкозы, является самым ранним обнаруженным и наиболее известным путем противодействия долголетию. Парадоксально, что IGF-1 снижается у мышей дикого типа или в мышиных моделях преждевременного старения, тогда как ослабление активности IIS увеличивает продолжительность жизни 43. Такие наблюдения привели к потенциальному включению элементов пути IIS, таких как гормон роста и IGF-1, в качестве биомаркеров старения 44, 45.
Белок мишень рапамицина у млекопитающих (mTOR) зависит от высоких концентраций аминокислот. Ингибирование mTOR может продлить продолжительность жизни 46. В отличие от пути IIS, активность mTOR увеличивается с возрастом в эпителии яичников человека и мыши, что способствует патологическим изменениям 47. Фосфорилированный рибосомальный белок S6 (p-S6RP или pS6) является нисходящей мишенью, а также известным маркером активной сигнализации mTOR 47, 48, и является потенциальным биомаркером старения, как указано в исследовании стареющих яичников 47.
В отличие от функции IIS и mTOR, 5'-аденозинмонофосфат (AMP) -активированная протеинкиназа (AMPK) и сиртуины чувствительны к дефициту питательных веществ вместо их обилия. AMPK обнаруживает высокие уровни AMP, тогда как сиртуины — это датчики высоких уровней NAD +, и оба они отмечают состояния, связанные с понижением запасов энергии. Повышение активности AMPK с помощью метформина, препарата для диабета II типа, может имитировать некоторые из преимуществ ограничения калорийности, метформин увеличивал продолжительность жизни у мышей 49. AMPK повышается с возрастом в скелетных мышцах 50.
Сиртуины обладают способностью напрямую связывать клеточный сигнальный метаболизм (посредством НАД + ) с посттрансляционными модификациями белка посредством химической реакции (деацетилирование лизина). Во время старения NAD + уменьшается 51,, а активность сиртуинов подавляется 52, 53. Анализ первичных человеческих дермальных фибробластов показал уменьшение активности SIRT1 и SIRT6 54. Аналогично, уровни SIRT1, SIRT3 и SIRT6, обнаруженные с помощью вестерн-блоттинга, показали значительное снижение в яичниках старых мышей 55. В мононуклеарных клетках из периферической крови человека SIRT2 также уменьшается с возрастом 56.
Белковый обмен.
Карбамилирование белков является одной из неферментативных посттрансляционных модификаций, которые происходят на протяжении всей жизни организма, что приводит к тканевому накоплению карбамилированных белков 57. Что считается признаком молекулярного старения и связано с возрастными заболеваниями, такими как сердечно-сосудистые 58.
Продвинутые конечные продукты гликирования (AGE) представляют собой гетерогенную группу биоактивных молекул, которые образуются в результате неферментативного гликирования белков, липидов и нуклеиновых кислот 59.Накопление AGE в тканях в процессе старения приводит к воспалению 60, апоптозу 61, ожирению 62 и другим возрастным отклонениям 63. AGE могут быть обнаружены с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии, газовой хроматографии-масс-спектрометрии и иммунохимических методов 64. N-гликаны представляют собой класс гликопротеинов с сахарными цепями, связанные с амидным азотом аспарагина.
Спектр N-связанных гликанов (N-glycome) теперь можно исследовать из-за развития высокопроизводительных методов. Накопление N-связанного гликирования в Asn297 из Fc-части IgG (IgG-G0) может способствовать провоспалительному статусу при старении 65.
Липидный обмен.
Установлено, что уровень триглицеридов постепенно повышается с возрастом и, следовательно, может быть биомаркером старения 66. Исследования липидов долгожителей и просто пожилых людей показали, что фосфо / сфинголипиды являются предполагаемыми маркерами и биологическими модуляторами здорового старения 67. Тем не менее, дизайн этих исследований сомнителен в том, что у там есть группа пожилых людей как «не здоровый контроль старения», которая сравнивается с «успешно стареющей» группой столетних долгожителей 67, 68. Но эти две группы, очевидно, очень разных возрастов. Поэтому неясно, разница в возрасте или здоровое старение способствовало различиям в липидомике.
Окислительный стресс и митохондрии.
Биомаркеры окислительного стресса уже давно считаются классом биомаркеров старения. Продукты окислительного повреждения белков включают о-тирозин, 3-хлортирозин и 3-нитротирозин. 8-iso простагландин F 2α является биомаркером повреждения фосфолипидов. 8-гидрокси-2'-дезоксигуанозин и 8-гидроксигуанозин показывают окислительные повреждения нуклеиновых кислот69.
Концентрация этих биомаркеров в жидкостях организма может быть обнаружена с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии. Shen et al. сконструировали циркулярно-перестроенный желтый флуоресцентный белок (cpYFP), экспрессируемый в митохондриальной матрице Caenorhabditis elegans в качестве датчика окислительного стресса и метаболических изменений 70.
Хотя свободные радикалы, источник окислительного стресса, в основном продуцируются в митохондриях, дисфункциональные митохондрии могут способствовать старению независимо от активных форм кислорода. Для измерения функции митохондрий доступны аналитические стратегии респирометрического профилирования на основе крови и мышц 71 или фенотипов, таких как скорость 72 ходьбы. Внеклеточные компоненты митохондрии могут функционировать как молекулы, связанные с повреждением (DAMPs) (см. Также «Воспаление и межклеточная связь»). Они индуцируют нейровоспаление при введении в гиппокамп мыши 73.
Старение клеток.
Считается, что в митотических тканях постепенное накопление стареющих клеток является одним из причинно-следственных факторов старения 74 — 76. Таким образом, биомаркеры клеточного старения могут также использоваться в качестве маркеров. Такие биомаркеры были обобщены в последних обзорах 77, 78.Наиболее широко используемым маркером является ассоциированная с старением β-галактозидаза (SAβ-gal) 79 и белок p16 INK4A 80, 81. SAβ-gal отражает увеличенную массу лизосом 82,, но может давать ложные срабатывания из-за своей низкой специфичности 83. SAβ-gal является маркером повреждения клеток, а p16INK4A требуется для полной остановки клеточного цикла 81.
Другие маркеры стареющих клеток включают активированный и устойчивый ответ на ДНК-повреждения (см. «Восстановление ДНК»), укорачивание и дисфункцию теломер (см. «Теломеры») и связанный со старением секреторный фенотип (SASP) (см. «Воспаление и межклеточная связь»).
Воспаление и межклеточная связь.
SASP является следствием клеточного старения и может возникать в клетках, которые все еще являются метаболически активными и секретируют белки. SASP функционирует аутокринно и паракринно 84, 85. Основными компонентами факторов SASP являются растворимые сигнальные факторы, включая интерлейкины, хемокины и факторы роста. Белки, которые связаны с SASP, такие как интерлейкин-6, фактор некроза опухоли-альфа, моноцитарный хемотаксический фактор-1 (МСР-1), матриксные металлопротеиназы и IGF-связывающие белки, способствуют старению тканей в сочетании с воспалением 86.
Всесторонние каталоги SASP также включают секретируемые протеазы и секретируемые нерастворимые белки / компоненты внеклеточного матрикса и обобщены Coppé et al. 87 и в базах данных Reactome (http://www.reactome.org/content/detail/R-HSA-2559582 ).
Молекулы группы DAMPs (молекулярный фрагмент, ассоциированный с повреждением), такие как белки теплового шока, гистоны, амфотерин (HMGB1) и кальций-связывающий белок S100, составляют класс молекул, высвобождаемых после травмы или клеточной смерти 88,, которые опосредуют иммунный ответ. Существует связь между DAMPs и другими признаками старения, она была рассмотрена Huang et al. 89.
Фенотипические биомаркеры старения.
Следуя критериям, предложенным AFAR 3, мы классифицируем фенотипические биомаркеры старения. Фенотипическим биомаркерам сложно контролировать основной молекулярный процесс, который лежит в основе процесса старения, поэтому мы следуем трем стандартам: биомаркер должен прогнозировать скорость старения, он должен быть способен повторно тестироваться, не причиняя вреда человеку, и он контролирует один или более физиологический процесс.
Физические функции и антропометрия являются наиболее практичными измерениями среди фенотипических биомаркеров старения. В связи с этим, такие измерения, как скорость ходьбы, вставание со стула, баланс стоя, сила сжатия кисти, индекс массы тела, окружность талии и мышечная масса хорошо известны 90. Эти физические функциональные измерения, хотя и простые, могут быть действительно лучше, чем метилирование ДНК, с точки зрения отношения к состоянию здоровья в демографических исследованиях 91.
Количественные фенотипы внешних человеческих особенностей также показывают значительные взаимосвязи со старением 92, 93. Количественные черты лица, основанные на трехмерных изображениях лица, такие, как ширина рта, ширина носа и угол наклона глаз, сильно связаны с возрастом. Фактически, трехмерные изображения лица могут использоваться для количественной оценки биологического возраста человека 92.
Заключение и перспективы
Как и ожидалось из-за сложной природы процесса старения, биомаркеры старения многослойны и многогранны и состоят из головокружительного массива параметров, которые суммированы ниже. Это, однако, не означает, что они одинаково полезны. Мы должны указать, что не все факторы, хотя они могут быть вовлечены в подрывной биологический процесс старения, оказались полезными с точки зрения измерения старения человека на данном этапе.
Приложение 1. Биомаркеры старения.
I. Молекулярные биомаркеры.
1. ДНК и хромосомы.
а) γ-H2AX
б) длина теломер лейкоцитов
в) метилирование ДНК.
2.РНКи транскрипция.
а)гетерогенность CD38 в CD4 +CD27 + Т-клетках
б)гетерогенность CD197 в CD4 +CD25 + T-клетках
в) циркулирующие микроРНК (miR-34a, miR-21, miR-126-3p, miR-151a-3p, miR-181a-5p, miR-1248)
г) длинные некодирующие РНК (MIR31HG, AK156230, Meg3)
3. Метаболизм
а) гомон роста, инсулин, IGF-1
б) mTOR, pS6RP
в) NAD +, SIRT1, SIRT2, SIRT3, SIRT6.
г) карбамилирование белков
д) конечные продукты гликирования и N-гликаны
е) триглицериды
4. Окислительный стресс и митохондрии
а) о-тирозин, 3-хлортирозин, 3-нитротирозин,
б) 8-изопростан
в) 8-гидрокси-2'-дезоксигуанозин
д) 8-гидроксигуанозин
5. Старение клеток
а) ассоциированная со старением бета-галактозидаза
б) белок p16INK4A.
6.Воспаление и межклеточная связь.
a) связанный со старением секреторный фенотип (SASP)
II. Фенотипические биомаркеры.
1. Физические функции и антропометрия
а) скорость ходьбы, вставание со стула, баланс стоя, сила сжатия кисти, мышечная масса
б) индекс массы тела, окружность талии.
2. Черты лица
а) ширина полости рта
б) ширина носа
в) расстояние от рта до носа
г) наклон угла глаза
Источник:
Xian Xia, Weiyang Chen, Joseph McDermott, and Jing-Dong Jackie Hana. Molecular and phenotypic biomarkers of aging Version 1. F1000Res. 2017; 6: 860.
Автор: Batin
