перевод научныго обзора

Китайская панель
биомаркеров старения

Алексей Ржешевский
25 сентября 2018

«
Введение
Для чего нужны биомаркеры старения?
Старение представляет из себя зависящий от времени физиологический функциональный спад, который поражает большинство живых организмов. 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 сузить сферу исследований до конкретных биологических аспектов в попытках объяснить биологические процессы, связанные со старением и возрастными заболеваниями. В 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.

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:
(1) биомаркер должен прогнозировать скорость старения;
(2) он 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, в 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 одиночных клеток (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 1 457 генов с зависимой от возраста дифференциальной экспрессией. 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.

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 обобщены ассоциации других типов циркулирующих некодирующих малых РНК, таких как tRNA и YRNA [27].
Метаболизм
Диетическое ограничение (ограничение калорий) является наиболее консервативным средством увеличения продолжительности жизни, от дрожжей до млекопитающих. Исследования указывают на основную роль метаболизма в регуляции старения и на возможность метаболических факторов выступать в качестве биомаркеров [42].
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 NAD+) 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 кислот [69].
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 ходьбы [72]. 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 (ссылка).

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, которая 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:
(1) биомаркер должен прогнозировать скорость старения;
(2) биомаркер должен быть способен повторно тестироваться, не причиняя вреда человеку;
(3) биомаркер 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.
Приложения

»
Присоединяйтесь к обсуждению