Транскриптомные часы предсказывают продолжительность жизни у млекопитающих

Разработаны транскриптомные часы, которые дают точную оценку хронологического возраста и ожидаемой смертности у разных видов млекопитающих. Они позволяют оценивать, как влияют на продолжительность жизни те или иные факторы, например, хронические заболевания или омолаживающие вмешательства. Для создания этих часов проанализировали более 11 000 транскриптомов из более чем 25 типов тканей мышей, крыс, макак и человека. Среди авторов статьи в Nature — Вадим Гладышев (Гарвардская медицинская школа, Центр редокс-медицины в Бригам-энд-Уимен), Александр Тышковский (Гарвардская медицинская школа), и другие исследователи из США, России, Канады и Японии.

В чем преимущества транскриптомных часов

Выявление биомаркеров, связанных с ускоренным или замедленным старением, давно интересует исследователей. В последние десятилетия было обнаружено значительное количество таких биомаркеров, созданы эпигенетические, транскриптомные, протеомные часы для оценки возраста и состояния здоровья человека и других млекопитающих.

Эпигенетические часы, использующие данные о метилировании ДНК, которое, в свою очередь, влияет на активность генов, позволяет очень точно определять хронологический возраст, риск смерти по причинам, связанным со здоровьем, ожидаемую продолжительность жизни. Однако данные о метилировании получают чаще всего из клеток крови, кроме того, механизмы, регулирующие метилирование, недостаточно ясны, и данных о связи метилирования с фенотипами недостаточно.

В то же время транскриптомика предоставляет прямую информацию об активности того или иного гена, а гены млекопитающих детально охарактеризованы, их функции хорошо известны. Поэтому транскриптомные часы могут обнаружить новые механизмы, регулирующие продолжительность жизни, как консервативные у разных видов, так и специфические для вида или связанные с определенным воздействием.

Известно множество генетических, диетических и фармакологических вмешательств, увеличивающих продолжительность жизни, — повышенная экспрессия гена Klotho (нокаут которого, напротив, вызывает ускоренное старение), ограничение калорийности, прием рапамицина, дефицит гормона роста, уменьшающий размер тела, но и продлевающий жизнь. С 2004 года в Национальном институте старения США работает Программа тестирования вмешательств (Interventions Testing Program, ITP), в рамках которой оцениваются более 50 соединений и их комбинаций, предположительно влияющих на продолжительность жизни мышей. Положительный эффект был показан для десятка соединений, в число которых входят рапамицин, акарбоза, канаглифлозин, 17-α-эстрадиол, глицин и другие, а также комбинации рапамицина с метформином и рапамицина с акарбозой.

В 2023 году мы рассказывали о работе, в которой Александр Тышковский, Вадим Гладышев и их коллеги в исследовании транскриптомов 41 вида млекопитающих выявили молекулярные механизмы, связанные с долголетием на внутривидовом индивидуальном уровне (в том числе связанные с такими вмешательствами, как низкокалорийная диета или рапамицин), а также с высокой продолжительностью жизни одних видов по сравнению с другими. Транскриптомные часы — это новый этап: они позволяют количественно оценить биологический возраст, определить, в каком направлении действует тот или иной фактор и за счет каких механизмов, что может существенно облегчить исследования.

«Даже если вы хотите провести эксперимент на мышах, проверка продолжительности их жизни занимает очень много времени, — говорит Жоао Педро де Магальяйнш из Бирмингемского университета (Великобритания), автор сообщения в рубрике News&Views об этой работе. — Если бы у вас было что-то, что позволило бы быстрее определить, будет ли ваше лечение эффективным или нет, это было бы очень полезно».

Как они сделаны и как работают

Авторы исследования секвенировали РНК из тканей мышей, подвергнутых 20 вмешательствам с известным влиянием на продолжительность жизни, установленным в ходе ITP. Эти данные интегрировали с данными, находящимся в общем доступе, по экспрессии генов в 26 типах тканей 4539 мышей и крыс, их возрасту и продолжительности жизни. В результате были разработаны мультитканевые часы для определения хронологического возраста и часы для определения ожидаемой смертности у грызунов. Чтобы сделать часы мультивидовыми, их дополнили данными о 6626 образцах приматов (макак и человека). Часы предсказывали время до смерти у людей с точностью, сопоставимой с эпигенетическими часами второго поколения.

Среди основных генов, положительно ассоциированных с продолжительностью жизни, авторы идентифицировали ген Gpx1 глутатионпероксидазы 1, оверэкспрессия которого уменьшает проявления возрастной патологии почек у мышей, а также других генов, вовлеченных в ответ на окислительный стресс. «Хорошими» оказались также ген флавинсодержащей монооксигеназы 3 Fmo3, ингибитор mTOR и активатор аутофагии, и Nmrk1, кодирующий никотинамидрибозидкиназу 1, фермент биосинтеза предшественника NAD + —  NMN. Отрицательно коррелировали с продолжительностью жизни экспрессия хорошо известного гена инсулиноподобного фактора роста-1 Igf1 и гена Ddost, белок которого участвует в обработке конечных продуктов гликирования.

С помощью сетевого анализа авторы идентифицировали совместно регулируемые транскриптомные модули, ассоциированные с возрастными изменениями. Среди них были модули, связанные с воспалительной реакцией и врожденным иммунитетом, интерфероновым сигналингом, функцией митохондрий, модификациями хроматина, организацией внеклеточного матрикса и эпителиально-мезенхимальным переходом. Модули иммунного ответа демонстрировали связь со старением, модули митохондриальной функции и метаболизма липидов, напротив, положительно коррелировали с долголетием.

Часы, обученные на генах, входящих хотя бы в один модуль, по качеству были сопоставимы с часами, обученными на всем транскриптоме, что подтверждало функциональную значимость модулей для старения. Однако, например, хотя на воспаление, вызванное у мышей инъекцией бактериальных липополисахаридов, реагировали и «общие» часы, и все модульные часы, реакция «иммунных» модулей была самой выраженной. Аналогичным образом, на ограничение калорий в печени мыши сильнее отвечали модули, связанные с метаболизмом.

Часы также адекватно фиксировали ускоренное старение тканей у грызунов и людей с хроническими заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера, синдром Дауна, болезнь Крона, язвенный колит, возрастная макулодистрофия и хроническая болезнь почек. Хронические заболевания в основном действовали на воспалительный транскриптомный модуль.

Еще одной моделью были мыши с нокаутом гена Klotho: такие животные стремительно стареют, живут не более 4–5 месяцев вместо двух лет. У этих мышей в почках и скелетных мышцах выросла экспрессия гена Cdkn1a, кодирующего ингибитор клеточного цикла. На уровне транскриптомных модулей нокаут действовал именно таким образом, чтобы увеличить молекулярные повреждения.

Транскриптомные часы оказались применимыми и к отдельным клеткам, например, к фибробластам в культуре, которые подвергали неблагоприятным воздействиям или получали из них плюрипотентные стволовые клетки (в последнем случае транскриптомный возраст уменьшался).

Благоприятную, связанную с омоложением транскрипционную сигнатуру авторы исследовали на модели гетерохронного парабиоза — это соединение кровеносных систем старой и молодой мыши, которое приводит к смягчению возрастных нарушений у старой особи и увеличению продолжительности ее жизни. Омолаживающий эффект был ассоциирован с повышением экспрессии гена Nrep и подавлением экспрессии Cdkn1a и Vcam1 (модулятора взаимодействия сосудистых и иммунных клеток, делеция которого противодействует нейровоспалению и улучшает обучение и память у старых мышей).

Наконец, применение транскриптомных часов на ранних стадиях эмбриогенеза мыши, от оплодотворенной яйцеклетки до новорожденного животного, продемонстрировало U-образную кривую биологического возраста с минимумом около 10-го дня эмбрионального развития — а не монотонное возрастание от минимума в первый день, как можно было бы подумать. Об этом явлении рассказывал в интервью PCR.NEWS Вадим Гладышев: от момента оплодотворения до момента Ground Zero происходит обратный ход биологических часов, устраняются признаки старения, накопленные в родительских генеративных клетках. (Ранее такую же U-образную траекторию для мышей показали эпигенетические часы.) Например, до 10-го дня эмбриогенеза мыши снижалась экспрессия Cdkn1a и многих генов, связанных с регуляцией воспаления, таких как Ccl5, S100a9 и Lgals3.

В целом Cdkn1a и Lgals3 — одни из самых значимых и часто встречающихся маркеров старения млекопитающих, изменения биологического возраста и ожидаемой продолжительности жизни при различных воздействиях. Уровни белковых продуктов этих генов были связаны со смертностью и множественной заболеваемостью у участников UK Biobank. Важно, что транскриптомные часы позволяют выявить такие ключевые маркеры. От них можно перейти к процессам, которые могут быть уязвимыми для неблагоприятных воздействий или стать мишенью терапии.

Авторы также разработали интерактивную онлайн-платформу TACO для предварительной обработки данных РНК-секвенирования, которая упрощает применение транскриптомных часов.

На вопрос PCR.NEWS ответил Александр Тышковский.

Эпигенетические часы используют метилирование клеток крови. Не ограничивает ли потенциальное клиническое применение ваших часов использование транскриптомных данных для разных тканей? Или можно придумать для клиники малоинвазивный вариант?

Эпигенетические часы бывают разных типов: есть разработанные на отдельных органах (кровяные, например), есть мультитканевые (например, самые первые часы Хорвата или недавние универсальные часы). Мультитканевые удобны тем, что их можно применять к любой ткани. Они обычно чуть менее точные, чем часы, разработанные для одной конкретной ткани, но зато они широко применимы и состоят из наиболее универсальных фундаментальных биомаркеров.

Та же логика с нашими транскриптомными часами: мы разработали как часы для отдельных органов грызунов (например, мозга, печени, мышц), так и мультитканевые часы — для грызунов и мультивидовые (охватывающие четыре вида млекопитающих, в том числе человека). Мультивидовые часы обучались в том числе на образцах крови человека, поэтому их можно применять и к этой ткани. Более того, в нашей работе мы показали, что по крови они хорошо предсказывают время до смерти (time to death). Так что в данном случае использование транскриптомики разных тканей только увеличивает применимость часов. Чтобы их использовать в клинике, совсем не обязательно секвенировать сразу несколько тканей, можно взять одну — ту, что позволяют условия и осмысленно брать с точки зрения тестируемой интервенции.

Как долго может прожить человек. Рассказывает Александр Тышковский