Вся правда об эпигенетике и старении
Часть III. Так что же показывают часы Хорвата?
Эпигенетические часы Хорвата, пожалуй, являются сейчас самым известным “достижением” биогеронтологии (во второй части цикла я подробно разбираю причины, по которым слово достижение взято в кавычки). Тем не менее, они достаточно точно предсказывают паспортный возраст и именно это свойство породило вокруг себя множество мифов. Порой эпичасам приписывают совершенно чудесные свойства, которыми они не обладают. Давайте попробуем разобрать часть мифов вокруг часов Хорвата и понять, какие процессы стоят за возрастными эпигенетическими изменениями.
Начнем, пожалуй, с популярного заблуждения: “часы Хорвата показывают практически одно и то же «время» и в нейронах, и в лимфоцитах, и в десятках других тканей”.
Откроем оригинальную статью Стива Хорвата:
Ошибка эпичасов для буккального (с внутренней стороны щеки) эпителия составляет менее года, в то время как тканей сердца она составляет 12 лет, для молочной железы 13 лет, а для скелетных мышц — 18 лет! Ну и где тут “практически одно и то же время”? То есть разница в 20 раз — это несущественно!? Это примерно как сказать, что опаздываешь на 5 минут, а приехать через полтора часа.
Заблуждение второе: гипоталамус управляет “эпигенетической программой старения”
На самом деле, эпигенетический возраст увеличивается даже у фибробластов в культуре в чашке Петри, где, очевидно, нет никаких сигналов гипоталамуса. Также на скорость увеличения эпигенетического возраста влияет гипоксия.
Более того, эпигенетический возраст, скорее всего, является внутренним свойством клеток и не зависит от среды: в исследовании реципиентам убивали их стволовые клетки крови, пересаживали донорские и смотрели на корреляцию возраста клеток крови с возрастами донора и реципиента:
И крайне удивительным было то, что эпигенетический возраст пересаженных клеток даже спустя годы соответствовал возрасту донора, а не реципиента! Очевидно, что никакого влияния ни гипоталамус, ни что-либо еще извне на эпигенетику не оказывает!
При этом мы знаем, что молодая среда позволяет прожить стволовым клеткам значительно дольше максимальной видовой продолжительности жизни, а старая среда, соответственно, состаривает молодые клетки. Поэтому возникает резонный вопрос: а отражает ли эпигенетический возраст старение организма? Более подробно я рассмотрел этот вопрос в своей прошлой статье.
Заблуждение третье: эпигенетические изменения при старении не случайны, а запрограммированы
На этом мифе остановимся подробнее. Начнем с того, что уровень метилирования не является детерминированной величиной. Он сам по себе стохастичен! Взгляните на график из замечательной статьи:
Мы видим как с возрастом изменяется метилирование различных сайтов (тех, которые наиболее значимо ассоциированы с возрастом). Вертикальная ось каждого графика — это Beta Value. Грубо говоря, это доля клеток одной и той же ткани с метильной меткой в определенной позиции. И обратите внимание, эта доля не равна 100% или 0%! То есть, даже на уровне клеток одной ткани наблюдается разброс: в одних клетках определенный сайт заметилирован, а в других нет. А разброс всегда означает присутствие стохастической компоненты. Плюс наблюдается разброс между людьми. То есть присутствие стохастики в эпигенетических изменениях при старении — это факт, а вот наличие каких-либо запрограммированных изменений еще необходимо доказать. При этом в науке действует принцип “бритвы Оккама” — то есть предпочтение отдается более простым гипотезам, которые описывают наблюдаемые данные и не требуют привлечения новых сущностей. Очевидно, что некая программа — это новая сущность, поэтому возникает вопрос: а возможно ли, что изменения в метилировании имеют чисто стохастическую природу?
Обратите внимание на одну очень интересную деталь: сайты, где метилирование было изначально высоким, имеют тенденцию к деметилированию и наоборот. Это очень хорошо укладывается в следующую логику: если метильная метка присутствует, то далее она может только слететь (если речь идет о случайном процессе). И наоборот: если метильная метка отсутствует, то она, соответственно, может появиться с некоторой вероятностью. Но какие же случайные процессы могут приводить к метилированию и деметилированию? И таких процессов как минимум два:
- Репарация ДНК. Так, довольно давно известно, что эксцизионная репарация оснований (работает в клетке в случае одноцепочечных повреждений ДНК) активно удаляет метильные метки. В деметилировании также участвует белок Gadd45, который играет важную роль в репарации ДНК. Интересно, что деметилирование на этапе образования зиготы также связано с репарацией ДНК! Но не только деметилирование связано с починкой ДНК. Например, повреждение ДНК ультрафиолетом приводит к повышению метилирования гена CHK1. Кроме того, было показано, что именно починка двуцепочечных разрывов ДНК приводит к увеличению метилирования (не только цитозинов, но и гистонов). Элегантный эксперимент показал, что гомологичная рекомбинация во время починки ДНК меняет метилирование и модифицирует гистоны, что ведет к различным уровням экспрессии флуоресцентного белка GFP в генетически идентичных клетках. Ну совсем как в нашем случае с клетками одной ткани! А недавний эксперимент Синклера и соавторов прекрасно подытожил все предыдущие изыскания: они показали, что индукция немутагенных двуцепочечных разрывов ведет к изменениям метилирования и одновременно к фенотипу ускоренного старения. Одного этого уже достаточно, но есть кое-что еще.
- Метаболиты цикла Кребса. В наших энергетических станциях — митохондриях — крутится этот замечательный цикл трикарбоновых кислот, благодаря которому, в конечном итоге синтезируется энергетическая валюта клетки — АТФ. Так вот оказывается, что один из метаболитов клетки — альфа-кетоглутарат — является субстратом деметилирующих энзимов, таких как JmjC и TET. А сукцинат и фумарат наоборот приводят к гиперметилированию. Таким образом, нарушения в работе цитратного цикла могут приводить к дисбалансу его метаболитов в цитоплазме и соответствующим изменениям метилирования. А про цикл Кребса вы посмотрите все же видео, это полезно знать.
Таким образом, абсолютно все типы эпигенетических изменений (и метилирование, и деметилирование) при старении можно объяснить стохастическими процессами (повреждения ДНК, нарушение работы митохондрий). В пользу этого говорит также и это исследование (спасибо Денису Одинокову за ссылку):
Здесь авторы наблюдали 375 близнецами в течении долгого времени (18 лет). Исследователи не просто один раз измерили уровни метилирования, а делали это многократно (не менее 5 раз). Тот факт, что исследование было на близнецах говорит нам о том, что если бы существовала программа старения, то она действовала бы одинаково у близнецов — то есть метилирование бы у них менялось очень схожим образом. Но этого как раз обнаружить и не удалось как в этом исследовании, так и в других!
Некоторые могут возразить: а что если большинство сайтов метилирования изменяются случайным образом, а изменение небольшого подмножества запрограммировано? Самым главным кандидатом на такое подмножество являются 353 сайта метилирования, на которых основаны те самые часы Хорвата. Но и здесь сторонников программы ждет разочарование: исследование показало, что наследуемость различия между паспортным возрастом и показаниями эпичасов довольно слабая и составляет всего лишь 0.43. Примерно такая же наследуемость и у часов Ханнума, так что программы, скорее всего, нет и там.
Более того, существует и лонгитудальные исследования, где смотрели корреляцию эпивозрастов близнецов во времени:
Что же мы видим в таблице? Мы видим, что корреляция между эпивозрастами однояйцевых близнецов довольно низкая —максимум 0.55. Еще слабее эти корреляции у часов Левина. И это при том, что у однояйцевых близнецов абсолютно одинаковый геном и крайне похожий эпигеном на старте! Если бы метилирование сайтов часов Хорвата менялось по некоей программе, то я бы ожидал увидеть корреляцию между однояйцевыми близнецами в районе 0.85-0.9, но никак не 0.55 (коэффициент корреляции IQ между близнецами равен 0.86, а коэф. корреляции роста равен 0.79–0.93, в среднем 0.88). А вот исследование, которое показывает, что хотя в младенчестве однояйцевые близнецы неотличимы друг от друга эпигенетически, в зрелом возрасте они уже очень существенно отличаются друг от друга, что свидетельствует о том, что эпигенетические изменения — это результат совместного влияния случайных процессов и среды.
Более того, все вышесказанное прекрасно согласуется с вышеупомянутым фактом отсутствия влияния внешней среды (имеется в виду организм, его гормоны и другие регуляторные факторы) на эпигенетический возраст: в самом деле, если изменения метилирования — это просто история починок ДНК, то повлиять извне на это можно только одним способом — стерев эту историю и начав заново, что, по-видимому, и происходит во время эмбриогенеза.
Таким образом, на сегодняшний день нет доказательств того, что эпигенетические часы отражают ход работы гипотетической “программы старения”. Наоборот, есть множество данных, указывающих обратное — эпигенетические изменения — это стохастические повреждения молекулы ДНК, вызванные одно- и двуцепочечными разрывами, а также митохондриальной дисфункцией и, возможно, другими случайными процессами, которые еще предстоит выявить.
