Клетки щеки показали спешку биологических часов у детей с аутизмом
Американские исследователи разработали «эпигенетические часы», которые измеряют биологический возраст человека по степени метилирования ДНК в клетках щеки. Этот метод создали специально для детей и подростков, у которых «взрослые» часы метилирования, основанные на исследовании ДНК из клеток крови, дают неточные результаты. Ученые также обнаружили, что у детей с расстройствами аутистического спектра часы «спешат» — их биологический возраст неизменно оказывается больше хронологического. Работа опубликована в журнале Proceedings of National Academy of Sciences.
Одним из самых точных маркеров биологического возраста являются так называемые «часы метилирования». Первую их версию придумал американец Стив Хорват (Steve Horvath) в 2013 году. Он собрал образцы тканей у людей разного возраста и сравнил наборы метильных меток на ДНК. В итоге он составил список из 353 участков, наличие или отсутствие метилирования на которых зависит от возраста. Соответственно, у каждого человека или отдельных его клеток можно с помощью этих часов измерить эпигенетический возраст, который в отдельных случаях может быть больше или меньше биологического.
Хорват хотел сделать свои часы универсальными, чтобы они работали на разных типах клеток и у людей любого возраста. Однако универсальность не всегда совместима с аккуратностью — так, оказалось, что часы метилирования выдают большой разброс значений при работе с детьми, то есть в среднем предсказывают их настоящий возраст неточно. Возможно, это связано с тем, что первый свой метод Хорват пробовал на людях от 0 до 100 лет, и процент детей среди них был невелик. А может быть, дело в том, что у детей фазы развития организма сменяются быстрее, чем у взрослых, и часы метилирования неспособны их отследить.
Теперь Хорват во главе большой группы американских ученых взялся за разработку «детских» часов. Оценивать эпигенетический возраст детей и подростков исследователи взялись по буккальному эпителию — клеткам слизистой оболочки щеки. Соскоб со щеки — стандартный способ взять клетки у ребенка, эта процедура дешевая, безболезненная и безопасная, зато предоставляет достаточно материала для выделения ДНК. При этом в препарат попадает однородная популяция клеток — эпителий щеки с редкими иммунными клетками — в отличие от стандартных анализов крови, в которой встречается множество клеточных типов.
Исследователи работали с образцами ДНК от 1721 человек в возрасте от 0 до 20 лет без отклонений в развитии. Так же, как и для «взрослых» часов, ученые создали список участков, метилирование которых связано с возрастом. Их всего получилось 94, из них в 50 областях метилирование усиливалось со временем, а в 44 — ослабевало. При этом список областей ДНК оказался совсем не похож на «взрослый» набор, в них совпал только один участок. Авторы работы полагают, что причиной тому смена мишени — раньше они работали с клетками крови, а теперь — с клетками слизистой щеки, и в разных клеточных типах могут быть активны разные наборы генов.
Новые часы метилирования оказались крайне точными: после того, как модель обучили на одной выборке, для тестовой группы участников она предсказала хронологический возраст с точностью до 0,35 года. Это очень хороший результат для маркеров биологического возраста: все прочие — другие часы метилирования, длина теломер, сложные модели на основе анализа крови — обычно «угадывают» возраст с погрешностью в несколько лет.
Затем ученые проверили, насколько их новый метод позволяет определить отклонения в росте и развитии. Они опробовали свои часы на группе из 47 детей с расстройствами аутистического спектра (34 ребенка без РАС составляли контрольную группу) и обнаружили, что такие дети в среднем на 0,37 года старше своих здоровых сверстников. Этот факт согласуется с предыдущими наблюдениями — такие пациенты в среднем быстрее растут, причем не только физически, но и на уровне развития коры головного мозга.
Таким образом, Хорват и его команда нашли способ оценивать скорость развития детей по степени метилирования ДНК. Этот метод оказался самым точным маркером биологического возраста — вероятно, из-за того, что его тренировали на однородной выборке и на одном-единственном типе клеток. Это еще раз подтверждает, что точность и универсальность плохо совместимы, а объединить «детские» часы со «взрослыми» и создать единую для всех модель едва ли получится. Впрочем, ученым еще предстоит выяснить, за что именно отвечают эти 94 участка ДНК, на которых расположены маркеры эпигенетического возраста, и почему у взрослых людей степень их метилирования не зависит от возраста.
Часы метилирования уже используют в отдельных клинических испытаниях, чтобы оценить успешность той или иной терапии. Недавно мы рассказывали о пациентах, которые проходили экспериментальный курс гормональной терапии для восстановления работы тимуса — а потом оказалось, что их эпигенетический возраст за это время стал на пару лет ниже, чем был.
Полина Лосева
Он повышает синтез высокомолекулярной гиалуроновой кислоты
Американские и российские исследователи обнаружили, что трансгенные мыши с повышенной экспрессией гена синтазы гиалуроновой кислоты от голых землекопов меньше подвержены спонтанному и индуцированному раку, дольше живут и дольше сохраняют здоровье. Кроме того, у таких животных значительно снижен уровень воспаления в различных тканях. Отчет о работе опубликован в журнале Nature. Голые землекопы (Heterocephalus glaber) выделяются среди грызунов крайне высокой продолжительностью жизни (в неволе — более 40 лет). Кроме того, у них слабее работают рецепторы внутреннего уха и механизмы торможения в нервной системе, зато замедлено клеточное старение и короче иммунная память (из-за чего у них больше наивных лимфоцитов для реакции на новые инфекции). Одно из главных отличий голых землекопов от других млекопитающих состоит в том, что они практически не болеют раком. Как было показано ранее, это связано с высоким содержанием в их тканях высокомолекулярной гиалуроновой кислоты. Этот гликозаминогликан составляет основу внеклеточного матрикса, участвует в пролиферации и миграции клеток, а также влияет на прогрессирование опухолей, причем его свойства зависят от молекулярной массы — высокомолекулярный обладает защитными свойствами, низкомолекулярный — наоборот. Голые землекопы продуцируют гиалуроновую кислоту с крайне высокой молекулярной массой (более 6,1 мегадальтона), которая оказывает мощную цитопротекцию. Чтобы проверить, производит ли она схожий эффект у других видов животных, сотрудники Университета Рочестера, Гарвардской медицинской школы, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Московского государственного университета под руководством Андрея Селуанова (Andrei Seluanov) и Веры Горбуновой (Vera Gorbunova) создали трансгенных мышей с управляемой повышенной экспрессией гена синтазы 2 гиалуроновой кислоты голого землекопа (nmrHas2). У самок и самцов таких животных наблюдалось повышенное содержание высокомолекулярной гиалуроновой кислоты в мышцах, сердце, почках и тонкой кишке; низкое — в печени и селезенке, утилизирующих ее. Тем не менее оно было ниже, чем у голых землекопов, что, вероятно, связано с более высокой активностью гиалуронидазы у мышей. Наблюдения в когортах из 80–90 животных показало, что экспрессирующие трансген nmrHas2 мыши умирают от спонтанного рака реже, чем обычные (57 против 70 процентов). Эта разница была еще заметнее у пожилых (старше 27 месяцев) животных — 49 против 83 процентов. В эксперименте по химической индукции кожного канцерогенеза нанесением 7,12-диметилбензантраценом (DMBA) и форбол-12-миристат-13-ацетатом (TPA) число папиллом на 21-й неделе от него у трансгенных мышей было почти вдвое меньше, чем у обычных. От пола животных подверженность раку не зависела. Масса тела животных из обеих групп в течение жизни не различалась. При этом экспрессирующие nmrHas2 мыши жили дольше, чем обычные — медианная продолжительность жизни у них была на 4,4 процента, а максимальная — на 12,2 процента больше. У животных женского пола сильнее различалась медианная продолжительность жизни (на девять процентов), а мужского — максимальная (на 16 процентов). Оценка эпигенетического возраста по паттернам метилирования ДНК в печени в возрасте 24 месяцев показала, что у трансгенных мышей он примерно на 0,2 года меньше хронологического. Животные из основной группы жили не только дольше жили, но и дольше оставались здоровыми. У них медленнее, чем в контрольной группе, возрастал интегральный индекс немощности (frailty index), который рассчитывается по 31 физиологическому показателю, и они в пожилом возрасте сохраняли подвижность и координацию движений в тесте на ротароде. Кроме того, у трансгенных самок замедлялось развитие остеопороза. Анализ транскриптомов различных органов и тканей экспрессирующих nmrHas2 пожилых мышей выявил особенности, присущие молодым животным, и пониженный уровень воспаления, связанного с возрастом. Молекулярные исследования показали, что высокомолекулярная гиалуроновая кислота производит противовоспалительные и иммунорегулирующие эффекты, а также предохраняет клетки от окислительного стресса. Кроме того, она стимулирует барьерную функцию кишечного эпителия, сохраняет стволовые клетки кишечника и поддерживает оптимальный состав кишечной микробиоты, что дополнительно способствует снижению возрастного воспаления. Таким образом, высокомолекулярная гиалуроновая кислота, произведенная трансгеном nmrHas2, продлила жизнь мышей и сохранила их здоровье в пожилом возрасте, подавляя возрастные воспалительные реакции. Это значит, что эволюционные адаптации долгоживущих животных, таких как голый землекоп, можно искусственно воспроизвести у других видов — возможно, и у человека — с пользой для их здоровья. Также полученные результаты указывают на потенциал клинического применения высокомолекулярной гиалуроновой кислоты для лечения возрастных воспалительных заболеваний кишечника и других органов, заключают авторы работы. В 2016 году исследователи из Великобритании, Германии и ЮАР выяснили, что низкая болевая чувствительность голых землекопов связана с мутацией гена одного из рецепторов воспринимающих боль нейронов. Годом позже американские, немецкие, британские и южноафриканские ученые показали, что эти животные могут долго обходиться без кислорода — в эксперименте они выжили 18 минут в атмосфере чистого азота, после чего восстановили аэробный метаболизм.