1 年前のこの時期、スティーブ ホーバスはセンザンコウの DNA を探していました。古代のうろこ状のアリクイは、当時約 200 頭の哺乳類の強さだった彼のコレクションの最初のものでした。 「私にはその注文がなかったので、どうしても欲しかったのです」と彼は回想します。
2017 年の夏以来、最近までカリフォルニア大学ロサンゼルス校でアンチエイジングの研究者だった Horvath 氏は、動物園、博物館、水族館、研究所への電子メールの作成に 1 日 10 時間も費やしています。彼は、コウモリやタスマニアデビルに関する講演に出席し、飼育員に会いました。彼は世界の隅々まで手を伸ばし、オオコウモリ、ベルベット モンキー、ミニブタ、ホッキョククジラの DNA を求めています。
膨大な数のサンプルを使って、彼は、トガリネズミ、コアラ、シマウマ、ブタ、そして「あなたが名前を付けられるすべてのクジラ」と同じくらい多様な生き物の年齢を、それらの DNA を見るだけで計算できる計算時計を構築したと彼は言いました。しかし、これらは Horvath の野心的なムーンショット プロジェクトの完成に向けた一歩に過ぎませんでした。それは、あらゆる哺乳類の生物学的年齢を測定できる万能時計です。
年齢を測定することは、最も近い時計やカレンダーを使用することほど難しくないように思えるかもしれません。しかし、一部の個人や組織は他の組織よりも早く年齢の影響を示すため、実年齢は不完全な測定基準です。何十年もの間、科学者は生物学的老化、つまり健康機能の経時変化を測定するための客観的で用途の広い方法を探してきました。 「多くの異なる組織や細胞タイプの年齢を正確に測定するバイオマーカーが必要です」と、細胞の若返りに取り組むバイオテクノロジーの新興企業である Altos Labs の主任研究員になるために今年 UCLA を離れた Horvath 氏は述べています。
Horvath と彼の同僚は、今年初めに汎哺乳類時計のバージョンを完成させました。現在、彼と他の研究者は、そのような時計を可能にする多様な生物に共通する分子プロセスを特定することを望んでいます.このような時計が機能する理由を理解することで、彼が「老化の真の根本原因」と呼ぶものにたどり着くことができると Horvath は信じています。
彼の時計は、ブレスレットのチャームのように DNA にぶら下がり、遺伝子活動の制御を助けるメチル基と呼ばれる化学タグの分析に基づいています。それらは、遺伝子コードに書かれていない遺伝情報を研究する分野であるエピジェネティクス (文字通り「遺伝学の上」) の産物です。 12 年前、Horvath と彼の同僚は、最初に唾液から DNA の年齢を評価し、後に血液、肝臓、その他の個々の組織の年齢を決定するために、時計の構築にノウハウを適用し始めました。
多くの生物学者は、最初は懐疑的でした。なぜなら、時計は生体分子メカニズムの理解ではなく、統計に根ざしていたからです。それでも、時計の精度はテストに耐え、生物医学界に波紋を送りました。科学者は、細胞の老化を測定する研究でホルバス時計を使用し始めました。これは、時計が暦年齢よりも体の状態と病気のリスクを判断するのに適していたためです。 「エピジェネティックな時計は、他のどのバイオマーカーよりも老化の実際のプロセスに近い」と、ブリガム・アンド・ウィメンズ病院とハーバード大学医学部の生化学者で、癌と老化を研究している Vadim Gladyshev は述べた。現在、時計は、一部の科学者に老化とは何か、また老化と病気との関係についての考えを再考させています.
「私は現在、乳がんで多くの研究を行っている共同研究者を持っており、『生物学的老化が進行している場合、それは乳がんにも有益でしょうか?』と考え始めています」と、カロリンスカ研究所の分子疫学者である Sara Hegg 氏は述べています。スウェーデン、ストックホルムにて。老化プロセスが加齢に伴う障害の引き金となるのを止める方法を時計が明らかにすることができれば、「1 つの病気だけでなく、多くの病気を防ぐことができるでしょう」と彼女は付け加えました。
合図を見る
過去数十年間、生物学の研究者たちは、老化の時計は手の届くところにあると何度も考えていました。例えば、彼らは1960年代初頭に、培養で増殖する細胞は不滅ではなく、わずか40～60回の複製で死ぬことを知りました。 1982 年、研究者たちはテロメア (細胞が分裂するたびに短くなる染色体の末端にある DNA タンパク質複合体) を分離したときに、時計のメカニズムを発見したかもしれないと考えました。テロメアが極端に短くなると、細胞は死にます。
しかし、テロメアは老化時計として機能しませんでした。テロメアの長さと年齢および死亡率との相関関係は、人間では弱く、他のいくつかの種では存在しません。 「テロメア [長さ] は、実際には年齢を追跡しません。細胞増殖を追跡するだけです」と、Altos Labs の主任研究員である Ken Raj は述べています。
テロメアの長さに代わるものとして、Horvath は 2009 年に、細胞の活性遺伝子の RNA 転写産物に基づく時計の研究を開始しました。これは、細胞を定義し、細胞が機能できるようにするタンパク質のテンプレートです。次の 2 年間、彼はそのアプローチを機能させようとしましたが、役に立ちませんでした。文字起こしデータがあまりにもノイズが多かったのです。
しかし 2010 年、Horvath は UCLA の同僚からの支援要請に応えました。性的指向とエピジェネティクスとの間の可能な関係を研究するために、研究者は性的指向が異なる一卵性双生児から唾液を収集し、唾液細胞のDNAがメチル化パターンの一貫した違いを明らかにする可能性があるという仮説を立てました. Horvath の双子の兄弟は同性愛者です。 Horvath は異性愛者です。彼らは唾を吐きました。
この研究の分析では、シトシン塩基が位置する DNA の部位を調べ、それらのどれがメチル化されているかを確認しました。 （シトシンは、メチル基が結合する唯一の塩基です。）最近導入されたラボオンチップ技術により、各細胞の DNA の何万ものシトシン部位を簡単にテストできるようになりました。同僚がデータを分析するために統計学者を必要としたとき、Horvath は彼のサービスを志願しました。
彼は彼らが探していたものを見つけられませんでした。 「同性愛の兆候はまったくありませんでした」とホーバスは言いました。 「しかし、データは私のコンピューターにあったので、老化の影響を見てみましょうと言いました.
それまで、Horvath は自身の研究でエピジェネティックなデータを避けていました。メチル化パターンと遺伝子発現との関係は複雑で間接的であり、老化との有用な関係を示す可能性は低いと思われていました.しかし、思いがけないエピジェネティックなデータを自由に使えるようになった今、見ても害はないように思われました.
Horvath は、メチル化パターンを双子の年齢と照合し始めました。 1 つの唾液サンプル、または任意の組織からの任意のサンプルで、すべての細胞が同じメチル化パターンを示すわけではありません。しかし、DNA の特定のシトシンでメチル化されている細胞の割合は測定できます。たとえば、あるサンプルでは、細胞の 40% が特定の位置でメチル化されている可能性があります。別の例では、その割合は 45% または 60% かもしれません.
驚いたことに、Horvath は、DNA の 1 つの部位だけを調べたときでさえ、年齢とメチル化された細胞の割合との間に強い相関があることを発見しました。より多くの場所を見ることで、精度が向上しました。
「これは私にとってすべてを変えました」と彼は言いました。 「老化のシグナルを見たとき、私は圧倒されました。」
Horvath は、唾液サンプル中の数百万の細胞にわたる約 300 個のシトシンのメチル化状態から人の年齢を予測するモデルを構築しました。 「あなたはカップに唾を吐きます。私たちはあなたの年齢を測ることができます」と彼は言いました.
すぐに、彼は血液、肝臓、脳、およびその他のさまざまな組織の生物学的年齢を評価するためのエピジェネティックな時計モデルを構築していました。最初に、彼は特定の部位でメチル化を示した各サンプルの細胞の割合を測定しました。そのデータから、彼は各部位でメチル化された細胞の割合を記述する組織のプロファイルを作成しました.
時計を作成するために、彼はコンピューターに何千ものエピジェネティックなプロファイルと各組織の年齢を入力しました。コンピューターは機械学習を通じて、年齢とメチル化パターンを関連付けました。また、年齢を予測するために必要なサイトの数も絞り込みました。次に、コンピューターは計算で各部位のメチル化の重要性を重み付けして、年齢の最良の予測式を作成しました。Horvath は、既知の年齢のサンプルの別のセットでテストしました。
2年以内に、彼は2013年に発表された「汎組織」時計の1つの式に別々の組織老化時計を組み合わせました. 汎組織時計は「ゲームチェンジャー」でした.公衆衛生学部。 DNAを含むすべての人間の細胞に適用される式。そして誰でもそれを使うことができた - Horvath はソフトウェアをインターネット上に置いた。独自のメチル化データをアップロードすることで、生物学者はサンプル中の細胞にどれだけの時間がかかったかを知ることができました.
減少の定量化
Horvath の汎組織時計は、暦年齢の予測において奇跡的に正確でした。それはまた、実年齢と生物学的年齢の間の重要な根本的な違いを反映しているようにも見えました。研究者は、エピジェネティック時計が誰かの年齢が実年齢よりも大きいと推定した場合、その人は病気や死亡のリスクが高くなることを発見しました.時計が誰かが若いと推定したとき、そのリスクは低下しました。エピジェネティックな時計は年代順のデータから導き出されたものですが、そのアルゴリズムは年齢よりも正確に死亡率を予測しました。
そこで 2014 年後半、Horvath は生物学的年齢を明示的に追跡することに着手しました。彼と彼の同僚であるモーガン・レヴィーン (イェール大学の病理学研究者で、最近アルトス研究所に加わった) と国立老化研究所のルイージ・フェルッチは、暦年齢と 9 回の血液検査の結果を含む複合尺度でアルゴリズムをトレーニングしました。病気と死亡率を予測する化学検査。このデータは、国民健康・栄養調査の成人 9,900 人以上の血液から得られたものです。 2018 年に発表された結果として得られた時計 DNAm PhenoAge は、全体的な死亡率と、心血管疾患、肺疾患、がん、糖尿病などのリスクを予測しました。 1 年後、Horvath と UCLA の Ake T. Lu が率いるチームは、人の性別、実年齢、喫煙歴、血中タンパク質死亡マーカーを調べた、死亡までの時間のさらに正確な予測因子である Grimage を発表しました。
2020 年に導入され、今年初めに更新された Belsky と彼の同僚による新しいツールは、老朽化した速度計として機能します。 Pace of Aging バイオマーカーを作成する際に、彼らは 4 歳での臓器機能の 19 のマーカーの変化率を定量化し、それらを単一のインデックスにまとめ、メチル化でモデル化しました。 「私たちは実際に、加齢に伴う衰退とシステムの完全性の進行中のプロセスを定量化しています」とBelsky氏は述べています.この測定で老化が早い人は若くして死ぬ、と彼は言い、Grimage と同様に死亡率を予測し、脳卒中や認知症をさらによく予測する可能性があると付け加えた.
長年の疑問
2017 年、ポール G. アレン ファミリー財団の代表者が、彼の講演の後にホーバスに連絡を取りました。彼らは彼の仕事を気に入り、財団がリスクの高い取り組みをサポートしているので、彼に大きな夢を与えることを提案しました.他の誰も資金を提供しないプロジェクトを見つけてください、と彼らは言いました。
Horvath が、すべての脊椎動物に適用される老化時計を提案するのに時間はかかりませんでした。提案は可決されました — それは十分に風変わりなものでした — しかし、Horvath がそれが関与することの大きさを理解するようになると、計画はすべての哺乳類のための比較的抑制された時計に変わりました.
2021 年 1 月までに、Horvath は 128 種の哺乳類のメチル化データを取得し、時計をプレプリント サーバー biorxiv.org に投稿しました。 「マウスでもラットでもイヌでもブタでも同じ数式、同じシトシン。これらすべての種の老化を測定できます」と Horvath 氏は述べています。それでも、彼は世界中を探し回りました。
昨年の夏の終わりまでに、Horvath は、ジンバブエのハラレにある Tikki Hywood Foundation のセンザンコウ専門家である Darren Pietersen と連絡を取り、センザンコウや他のいくつかの種からデータを収集するための物資を彼に提供しました。センザンコウがどれくらい生きているのか、確かなことは誰も知りませんでした。一部の公式アカウントでは 15 ～ 20 年と言われていますが、ピーターセン氏は、少なくともいくつかのタイプはより長く生きると考えていました。 「私たちが最近老化させた 1 匹の動物は、約 34 歳でした (誤差の範囲はかなり広いですが)」と彼は書いています。
提供された組織データから、Horvath はセンザンコウの時計を作成しました。これは、彼のコレクションに追加するもう 1 つの寿命タイマーです。 「あなたは豚の時計が欲しい、私は豚の時計を持っている。カンガルーとゾウ用の時計があります」と Horvath 氏は言います。それぞれの種固有の時計は、この分野の科学者にとって恩恵でした。たとえば、ゾウの研究者は、保護活動を支援するために野生個体群の年齢構造を確認できるように、ゾウの時計を求めていました。
しかし、それらすべてを統合した時計は、より基本的な質問に答えるのに役立ちます:老化とは何ですか? 1 つの見解は、あなたの体は靴のように老化し、摩耗によって徐々に色あせたりバラバラになったりするというものです。しかし、哺乳類全体の時計からの成功した予測は、何かが細胞を特定のタイムテーブルで失敗させる原因にもなることを示唆しています。 「これは、老化における決定論の要素を示唆しています」と、時計の 100 人を超えるビルダーの 1 人である Raj 氏は述べています。
メチル化時計のデータは、体が壊れるずっと前に老化が始まることを示唆しています。 2021 年の論文で、Gladyshev と彼の同僚は、哺乳類の発生段階を特定するメチル化時計について説明しています。彼らは、マウスの初期胚形成中に、ある種の若返りが胚の年齢をゼロに戻すことを発見しました。生物学的老化はその後急速に進行しますが、この間、人間の子供は弱体化するのではなく、より強く成長し、人間の死亡率は 9 歳頃まで低下します。それは開発のプロセスと切り離すことはできません」と Raj 氏は言いました。
ハダカデバネズミについての最近の 2 つの研究では、ハダカデバネズミの寿命が 37 年という信じられないほど長いと考えられていますが、死亡する可能性は年齢とともに上昇しませんが、この動物はエピジェネティックに老化することが示されています。 「死亡率は老化の最良の尺度ではないと思います」と、研究の 1 つを率いた Gladyshev 氏は述べています。 「老化は、生きていることの避けられない結果です。」
もちろん、老化は経験、行動、環境の影響を反映しています。たとえば、喫煙や日光への曝露は、メチル化やその他のマーカーによって測定されるように、それを促進する可能性があり、運動や低カロリーの食事はそれを失速させる可能性があります.昨年3月に発表された研究では、マーモットに合わせたエピジェネティック時計が冬眠が老化を遅らせることを示し、先週発表された論文は同じことがコウモリにも当てはまることを示しました.アカゲザルのために作られた時計は、2017 年にハリケーン マリアがプエルトリコ沖の島にあるサルのコロニーで老化を加速させたことを示唆しています。
原罪
時計が機能する理由を完全に知っている人は誰もいません。関与する遺伝子と分子経路の一部は特定されていますが、すべてが特定されているわけではなく、研究者はメチル化パターンが細胞、組織、器官の挙動と健康にどのように影響するかをまだ学んでいます. 「それは私が『建設の原罪』と呼んでいるものに戻ってきます」と Horvath 氏は言います。 「これは、ある程度生物学にとらわれない [統計] 回帰モデルに基づいています。」
この罪を償うために、Raj と Horvath はエピジェネティックな老化の生物学的相関を探し始めました。身体が栄養素の必要性を感知するために使用する生化学的経路の摂動が老化を遅らせることを彼らは最近発見した.ミトコンドリアの働きを狂わせると、それが加速します。時計は幹細胞の成熟も追跡します。これらのプロセスがより深いレベルで接続されている場合、エピジェネティックな時計は老化の統一メカニズムを明らかにする可能性がある、と著者らは Nature Aging の 2022 年の論文で書いています。 .
しかし、これらの統一メカニズムが何であるか、またはメチル化状態が老化をうまく追跡する理由はまだ完全には決定されていません. 「エピジェネティックな時計が老化と因果関係があるかどうかはよくわかりません」とHägg氏は言いました.
たとえそうであったとしても、エピジェネティックな時計が老化中に起こることの一部しか測定していないことはほぼ確実であると、シアトルのワシントン大学医学部の研究者で老化の生物学を研究している Matt Kaeberlein は述べた。 「彼らが実際に生物学的年齢の複数の次元を測定しているかどうかは明らかではありません」と彼は言いました。 「これが問題の一部です。つまり、エピジェネティックな年齢と生物学的年齢の融合です。私の見解では、それらは同等ではありません。」
Raj は、メチル化の変化は加齢に伴う細胞のアイデンティティの喪失を反映していると推測しています。体内のすべての細胞は同じ DNA を持っているため、肝細胞を肝細胞にし、心臓細胞を心臓細胞にするのは、エピジェネティクスが制御する遺伝子発現のパターンです。年齢とともにメチル化の変化が蓄積するにつれて、これらの制御の一部が失われ、スイッチをオフにする必要がある発達プログラムの再出現に取って代わられる可能性があると、Raj は示唆しています。
メチル化時計は今のところ生物学的年齢の最も正確なモニターかもしれませんが、いくつかの研究は改善の余地があることを示唆しています.より正確な予測因子は、定量化可能な細胞特性 (タンパク質、代謝産物、または遺伝子発現レベルなど) を生理学的シグナルおよび脆弱性の指標と組み合わせる可能性があります。 「私たちは今、人間の中で非常に多くのことを測定することができます」とヘッグは言いました. 「これらのことを定量化すればするほど、老化をより正確に捉えることができます。」
メチル化時計の臨床用途も限られている、とHägg氏は警告した。人々はさまざまな商用ソースから生物学的年齢の読み取り値を購入できますが、結果が一貫していないことが多いだけでなく、時計は研究におけるグループレベルの分析を目的としていたため、臨床的関連性がありません. 「それらは、個人レベルで予測できるように構築されていません」と彼女は言いました.
また、これらの時計で測定される生物学的年齢を下げるような方法でライフスタイルを変更したとしても、寿命が延びたり、病気のリスクが低くなったりするのでしょうか? 「それはまだわかりません」とケーバーラインは言いました。
Horvath は現在、ジャーナルへの投稿のために、彼の汎哺乳類時計に関する論文を準備しています。彼は一見目標を達成したように見えますが、彼のコレクションのギャップはまだ彼を悩ませています. 5月、彼はオーストラリアの博物館の上級学芸員と連絡を取り、ほとんどの時間を地下で過ごす小さくてほとんど盲目の有袋類のモグラから組織を取得した. 「すでに 348 種の哺乳類からデータを生成していますが、さらに追加したいと考えています」と彼は言いました。
Horvath がこのプロジェクトを提案したとき、彼は 30 種の分析に着手しましたが、30 種はすぐに 50 種、次に 100 種、そしてその 3 倍以上になりました。 「もっと集めたいという衝動に駆られているので、ペースを合わせる必要があります」と彼は言いました。
