لوحة الصين من العلامات الحيوية الشيخوخة

العلامات الحيوية الجزيئية والظاهرية للشيخوخة.

مقدمة

ما هي العلامات الحيوية الشيخوخة؟

الشيخوخة هو انخفاض وظيفي فسيولوجي يعتمد على الوقت ويؤثر على معظم الكائنات الحية. وهذه العملية مرتبطة مباشرة بالتغيرات الجزيئية. كما أنها أهم عامل خطر لكثير من الأمراض غير السارية. فمن ناحية ، سيسهم تحديد المؤشرات الحيوية الشيخوخة في التمييز بين الأشخاص الذين لديهم نفس العمر الزمني ، ولكن خيارات الشيخوخة المختلفة. يمكن أن تشكل المؤشرات الحيوية الكمية للشيخوخة أيضًا مجموعة من الأبعاد لـ "الشيخوخة الصحية" ، بالإضافة إلى توقع العمر المتوقع.

من ناحية أخرى ، يمكن أن تساعد المؤشرات الحيوية الشيخوخة الباحثين أيضًا في تضييق نطاق البحث على الجوانب البيولوجية المحددة في محاولة لتفسير العمليات البيولوجية المرتبطة بالشيخوخة والأمراض المرتبطة بالشيخوخة. هنا نلقي نظرة على المؤشرات الحيوية الجزيئية والشيخوخة للشيخوخة.

يمكن أن تكون المرقمات الحيوية المظهرية غير باضعة ، وبانورامية ، ويمكن الوصول إليها بسهولة ، في حين أن المؤشرات الحيوية الجزيئية يمكن أن تعكس بعض الآليات الجزيئية الكامنة وراء الحالة العمرية. تتناول هذه المراجعة بشكل رئيسي النتائج التي تم الحصول عليها في الدراسات التي أجريت على البشر (وفي بعض الحالات النادرة مع حيوانات المختبر (الفئران) والديدان الخيطية).

العلامات الحيوية الجزيئية للشيخوخة


يعتمد هذا القسم على مراجعتين فعالتين للغاية استنادًا إلى الشيخوخة 1 ، 2. كجزء من هذه المراجعات ، نحن نركز على الأحداث التي تبدأ في عام 2013. اقترح الاتحاد الأمريكي لأبحاث الشيخوخة (AFAR) المعايير التالية لعلامات الشيخوخة الحيوية:
(1) أن يتنبأ بمعدل الشيخوخة ؛
(2) يجب أن يتحكم في العملية الكامنة وراء عملية الشيخوخة ، وليس عواقب المرض ؛
(3) يجب أن يكون قادرًا على الخضوع لإعادة الاختبار دون إيذاء الشخص ؛
(4) يجب أن يكون شيئًا يعمل على البشر والحيوانات المختبرية.

من غير المرجح أن تتواجد الواصمات الحيوية التي تستوفي جميع المعايير التي اقترحها AFAR 3 ، لذلك في الجزء الجزيئي من هذه المراجعة ، نتبع المعيارين الأولين: يجب أن يتنبأ المرمز الحيوي بمعدل الشيخوخة ويجب أن يتحكم في العملية الأساسية التي تكمن وراء الشيخوخة. بالنسبة للمعيار الأول ، حاولنا جعل المرمز الحيوي مرتبطًا بالشيخوخة ؛ بالنسبة للمعيار الثاني ، قمنا بتنظيم الجزء الأول من هذه المراجعة وفقًا للمسارات الجزيئية التي تقوض الشيخوخة.

الحمض النووي والكروموسومات.

تيلوميرز.

تمثل التيلوميرات مجمعات البروتينات النيكلية في نهاية الكروموسومات. تصبح أقصر بعد كل تكرار ، لأن التيلوميراز ، الإنزيم المسؤول عن تكاثرها ، لا يتم التعبير عنه بانتظام في الخلايا الجسدية 4. يرتبط طول التيلوميرات في الكريات البيض بالشيخوخة وعمرها 5 ، وكذلك الأمراض المتعلقة بالعمر مثل أمراض القلب والأوعية الدموية 6 ، 7 ، السرطان 8 والاضطرابات العصبية 9.

استرداد الحمض النووي.

ترتبط العلاقة بين التلف وإصلاح الحمض النووي بالشيخوخة بتراكم الشيخوخة 10 خلايا أو إعادة ترتيب الجينوم 11. وفي الآونة الأخيرة ، تم إثبات هذه العلاقة بشكل مباشر: تحريض فواصل الحمض النووي المزدوج في كبد الفأر تسبب في أمراض مرتبطة بالعمر والتعبير الجيني 12. إن الكيمياء المناعية لـ imm-H2AX هي كمية ثابتة شيخوخة العلامات الحيوية ، لأن H2AX هو أحد أنواع عائلة H2A بروتين H2A ، و H2AX الفسفوريلات ، γ-H2AX هو المكون الأولي والأساسي لبؤر الآفة DNA الأولى أ.

لذلك ، يمكن اعتباره علامة موثوقة لدرجة تلف الحمض النووي 13-15. علامات المصل لتلف الحمض النووي ، بما في ذلك الببتيد المضاد للميكروبات (CRAMP) ، وعامل استطالة ترجمة حقيقيات النوى EF-1a ، الستاتين ، N-acetyl-β-D-glucosaminidase ( NAG) كما تم وصف الكيتيناز 16.

وتجدر الإشارة إلى أن الأرومات الليفية الجلدية من متبرعين المئوية كانت أقل حساسية لتلف الحمض النووي الذي يسببه بيروكسيد الهيدروجين من الأرومات الليفية من مانحين آخرين ، أصغر من 17 عامًا. يمكن أن تكون هذه التجارب الحية السابقة أيضًا علامات حيوية محتملة للشيخوخة.

تعديلات جينية.

التغيرات المرتبطة بالعمر في بنية مثيلة الحمض النووي ، على وجه الخصوص ، كساعة جينية ، هي من بين المؤشرات الحيوية الأكثر دراسة في الشيخوخة 18-20. أظهر تحليل ملامح مثيلة الدم أن ثلاثة مواقع CpG فقط يمكنها التنبؤ بالعمر بمتوسط ​​انحراف مطلق عن العمر الزمني أقل من 5 سنوات 21. يمكن توسيع العلاقة بين العمر و مثيلة الحمض النووي لتشمل الأمراض المرتبطة بالعمر مثل مرض السكري 22. للحصول على مراجعة كاملة للتنظيم اللاجيني للشيخوخة ، انظر Sen et al. 23.
RNA ونسخة.

ملفات النسخ . مع التقدم السريع في تكنولوجيا تسلسل الحمض النووي الريبي على نطاق الجينوم (RNA-seq) ، أصبح يستخدم بشكل نشط في الدراسة والبحث عن المؤشرات الحيوية الشيخوخة. Lu et al. أظهرت مؤخرًا أن التغيير في تعبير الخلية المقاس في الخلايا التائية المتنوعة بواسطة تسلسل RNA-seq RNA أحادي الخلية مع قياس التدفق الخلوي مرتبط بالشيخوخة وحساسية المرض 24.

استخدمت دراسة حديثة ملفات تعريف التعبير الجيني للدم الكامل المأخوذة من 14983 شخصًا لتحديد 1457 جينًا مع تعبير تفاضلي يعتمد على العمر. ثم استخدمتها البيانات التي تم الحصول عليها لحساب "عمر transcriptomic" للفرد ، مما يشير إلى أنه يمكن استخدام توقيعات transcriptome لقياس الشيخوخة 25.

RNA غير ترميز.

MicroRNAs (miRNAs) هي فئة من RNAs الصغيرة (21 إلى 23 nucleotide) غير المشفرة التي تنظم مجموعة واسعة من العمليات البيولوجية ، بما في ذلك الأيض 26 والشيخوخة 27. من بينها هناك miRNAs متداولة يمكن أن تكون مستقرة في البلازما بسبب وجودها في exosomes أو ملزمة لعوامل البروتين أو البروتين الدهني ، مما يجعلها في متناول المؤشرات الحيوية. كان مير 34a أول ميرنا متداولة تم ملاحظته مع نمط تعبير متغير أثناء الشيخوخة في الفئران 28.

وجد أن تعبيره يرتبط بفقدان السمع المرتبط بالعمر في الفئران والبشر .29 تم تعريف miR-21 كمؤشر حيوي التهابي في دراسة لـ 365 miRNAs في بلازما الأشخاص الأصحاء وكبار السن 30. مستويات mi-151a-3p و miR-181a-5p و miR تم الإبلاغ عن انخفاض -1248 بشكل ملحوظ مع تقدم العمر لدى البشر ، كما أظهرت جميع الحمض النووي الريبي الثلاث صلة بالالتهاب 31. وقد وجد أن mi-126-3p يرتبط إيجابيا بالعمر في 136 من الأشخاص الأصحاء من 20 إلى 90 سنة 32.

من خلال التعبير عن GFP ، Pincus et al. وجدت أن مستويات mir-71 و mir-246 و mir-239 في مرحلة البلوغ المبكرة تختلف في الأفراد وتتوقع العمر المتوقع 33. أوجزت مراجعة حديثة 27 جمعيات أنواع أخرى من الحمض النووي الريبي الصغير غير المشفر المتداول ، مثل tRNA و YRNA.

الرناوات الطويلة غير المشفرة (lncRNAs) هي فئة غير متجانسة من الرناوات غير المشفرة والتي يتم تعريفها على أنها نصوص أطول من 200 نيوكليوتيدات بدون إطارات قراءة مفتوحة واضحة 34. تلخص المراجعتان الأخيرتان دور lncRNAs في الشيخوخة 35 ، 36. النظر في الآليات الوظيفية المختلفة لـ lncRNA يتجاوز نطاق هذه المراجعة ، ويمكن للقراء قراءة المراجعة الأخيرة حول هذا الموضوع 37 ؛ هنا نذكر lncRNAs التي تعمل أثناء الشيخوخة. تم العثور على أن lncRNA MIR31HG يتم تنشيطه في الشيخوخة التي يسببها الأورام ومطلوب من أجل التكاثر بوساطة المجموعة متعددة الخلايا من موضع INK4A 38.

يحدث انخفاض في AK156230 lncRNA في الشيخوخة التكرارية ، وتسبب الضربة القاضية في الأرومات الليفية الجنينية للماوس الشيخوخة من خلال خلل تنظيم البلعمة الذاتية ومسارات دورة الخلية ، كما هو موضح في ملفات تعريف التعبير 39. تزداد مستويات Meg3 أثناء شيخوخة القلب والأوعية الدموية ، وكذلك في الأوردة السرية البشرية الشيخوخة الخلايا 40.

التمثيل الغذائي.

التقييد الغذائي (تقييد السعرات الحرارية) هو أكثر الوسائل المحافظة لزيادة متوسط ​​العمر المتوقع ، من الخميرة إلى الثدييات. تشير الدراسات إلى الدور الرئيسي لعملية التمثيل الغذائي في تنظيم الشيخوخة وإمكانية أن تعمل عوامل التمثيل الغذائي كمؤشرات حيوية.

الحساسية تجاه العناصر الغذائية.

يعد مسار إشارة الأنسولين / IGF-1 (IIS) ، الذي يشارك في استهلاك الجلوكوز ، هو الطريقة الأولى المكتشفة والأكثر شهرة لمواجهة طول العمر. ومن المفارقات ، يتم تقليل IGF-1 في الفئران البرية أو في نماذج الفئران من الشيخوخة المبكرة ، في حين أن ضعف نشاط IIS يزيد من عمر 43. وقد أدت هذه الملاحظات إلى الإدماج المحتمل لعناصر مسار IIS ، مثل هرمون النمو و IGF-1 ، كمؤشرات حيوية الشيخوخة 44 ، 45.

يعتمد البروتين المستهدف للثدييات من rapamycin (mTOR) على تركيزات عالية من الأحماض الأمينية. يمكن أن يؤدي تثبيط mTOR إلى إطالة العمر 46. على النقيض من مسار IIS ، يزداد نشاط mTOR مع تقدم العمر في ظهارة مبيض الإنسان والماوس ، مما يساهم في التغيرات المرضية 47. البروتين الريبوسومي S6 (p-S6RP أو pS6) هو هدف في اتجاه المصب ، وكذلك معروف علامة للإشارة النشطة mTOR 47 ، 48 ، وهي علامة بيولوجية محتملة للشيخوخة ، كما هو موضح في دراسة الشيخوخة المبيضين 47.

على عكس وظائف IIS و mTOR ، فإن 5'-adenosine monophosphate (AMP) - بروتين كيناز (AMPK) و sirtuins حساسة لنقص المغذيات بدلاً من كونها وفيرة. يكتشف AMPK مستويات عالية من AMP ، في حين أن sirtuins هي أجهزة استشعار لمستويات عالية من NAD + ، وكلاهما يشير إلى الظروف المرتبطة بانخفاض مخازن الطاقة. يمكن أن يزيد نشاط AMPK مع الميتفورمين ، وهو دواء من النوع الثاني من داء السكري ، بعض فوائد تقييد السعرات الحرارية ، ويزيد متوسط ​​العمر المتوقع للميتفورمين في الفئران 49. يزداد AMPK مع تقدم العمر في العضلات الهيكلية 50.

تمتلك Sirtuins القدرة على ربط التمثيل الغذائي للإشارة الخلوية مباشرة (عبر NAD +) بتعديلات ما بعد الترجمة للبروتين من خلال تفاعل كيميائي (نزع الليسين. أثناء الشيخوخة ، ينخفض ​​NAD + 51 ، ويتم قمع نشاط sirtuins 52 ، 53. أظهر تحليل الخلايا الليفية الجلدية الأولية البشرية انخفاضًا في نشاط SIRT1 و SIRT6 54. وبالمثل ، أظهرت مستويات SIRT1 و SIRT3 و SIRT6 المكتشفة بواسطة النشاف الغربي انخفاضًا كبيرًا في مبيض الفئران القديمة 55. في الخلايا أحادية النواة من الدم المحيطي البشري ، ينخفض ​​SIRT2 أيضًا مع سن 56.

استقلاب البروتين.

كربل بروتين الكربوهيدرات هو أحد التعديلات غير الإنتزيمية ما بعد الترجمة التي تحدث طوال حياة الجسم ، مما يؤدي إلى تراكم الأنسجة من بروتينات الكرباميل 57. ما يعتبر علامة على الشيخوخة الجزيئية ويرتبط بالأمراض المرتبطة بالعمر ، مثل القلب والأوعية الدموية 58.

المنتجات النهائية للسكر المتقدمة (AGEs) هي مجموعة غير متجانسة من الجزيئات النشطة بيولوجيًا التي تتكون من تحلل البروتينات والدهون والأحماض غير الإنزيمية 59. يؤدي تراكم العمر في الأنسجة أثناء الشيخوخة إلى التهاب 60 ، موت الخلايا المبرمج 61 ، السمنة 62 والانحرافات الأخرى المتعلقة بالعمر 63 يمكن الكشف عن AGE عن طريق الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء ، قياس الطيف الكتلي للغاز ، وطرق الكيمياء المناعية 64. N-glycans هي فئة من البروتينات السكرية مع كاليفورنيا بواسطة سلاسل مقيدة ملزمة بالنيتروجين الأميدي للأسباراجين.

يمكن الآن استكشاف طيف glycans المرتبط بـ N (N-glycome) بسبب تطوير طرق عالية الأداء. قد يساهم تراكم الجليكوز المرتبط بـ N في Asn297 من جزء Fc من IgG (IgG-G0) في الحالة المؤيدة للالتهابات في الشيخوخة 65.

التمثيل الغذائي للدهون.

وقد ثبت أن مستويات الدهون الثلاثية تزداد تدريجيًا مع التقدم في السن ، وبالتالي يمكن أن تكون علامة حيوية للشيخوخة 66. أظهرت دراسات الدهون طويلة العمر وكبار السن ببساطة أن الفوسفو / السفينغوليبيدات هي العلامات المزعومة والمحولات البيولوجية للشيخوخة الصحية 67. ومع ذلك ، فإن تصميم هذه الدراسات مشكوك فيه أن لديهم مجموعة من كبار السن على أنها "غير صحية الشيخوخة السيطرة" ، والتي تقارن مع مجموعة "الشيخوخة الناجحة" من المعمرين 67 ، 68. ولكن هاتين المجموعتين من الواضح أعمار مختلفة للغاية. لذلك ، من غير الواضح ما إذا كانت الاختلافات في العمر أو الشيخوخة الصحية ساهمت في الاختلافات في علم الدهون.

الإجهاد التأكسدي والميتوكوندريا.

لطالما اعتبرت المؤشرات الحيوية للإجهاد التأكسدي فئة من العلامات الحيوية القديمة. تشمل منتجات الضرر التأكسدي للبروتين o-tyrosine و 3-chlorothyrosine و 3-nitrotyrosine. 8-iso prostaglandin F 2α هو مؤشر حيوي للتلف الفوسفوليبيد. 8-هيدروكسي 2'-deoxyguanosine و 8-hydroxyguanosine تظهر تلفًا تأكسديًا للأحماض النووية 69.

يمكن الكشف عن تركيز هذه المؤشرات الحيوية في سوائل الجسم باستخدام الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء ومطياف الكتلة. شين وآخرون. بناء بروتين الفلورسنت الأصفر المعاد ترتيبه دائريًا (cpYFP) معبراً عنه في مصفوفة الميتوكوندريا من Caenorhabditis elegans كمستشعر للإجهاد التأكسدي والتغيرات الأيضية 70.

على الرغم من أن الجذور الحرة ، مصدر الإجهاد التأكسدي ، يتم إنتاجها بشكل رئيسي في الميتوكوندريا ، فإن الميتوكوندريا المختلة يمكن أن تسهم في الشيخوخة بغض النظر عن الأشكال النشطة للأكسجين. تتوفر استراتيجيات تحليلية للتنميط التنفسي على أساس الدم والعضلات 71 أو الأنماط الظاهرية مثل سرعة المشي 72 لقياس وظيفة الميتوكوندريا. يمكن أن تعمل مكونات الميتوكوندريا خارج الخلية كجزيئات مرتبطة بالتلف (DAMPs) (انظر أيضًا "الالتهاب والتواصل بين الخلايا"). يسبب التهابًا عصبيًا عند إدخاله في الحصين الفأري 73.

شيخوخة الخلية.

يُعتقد أن التراكم التدريجي للخلايا الشيخوخة في الأنسجة الانقسامية هو أحد العوامل المسببة للشيخوخة 74-76. وبالتالي ، يمكن أيضًا استخدام المؤشرات الحيوية للشيخوخة الخلوية كعلامات. تم تلخيص مثل هذه المؤشرات الحيوية في الاستطلاعات الأخيرة 77 ، 78. العلامة الأكثر استخدامًا هي β-galactosidase (SAβ-gal) 79 المرتبط بالشيخوخة و p16 INK4A 80 ، 81 بروتين. يعكس SAβ gal زيادة في الكتلة 82 lysosomes ، لكنه قد ينتج خطأ الاستجابة بسبب خصوصيتها المنخفضة 83. SAβ-gal هو علامة على تلف الخلية ، و p16INK4A مطلوب لإيقاف دورة الخلية 81 تمامًا.

تتضمن علامات خلايا الشيخوخة الأخرى استجابة نشطة ومستمرة لتلف الحمض النووي (انظر "إصلاح الحمض النووي") ، وتقصير واختلال التيلوميرات (انظر "التيلوميرات") ، والنمط الظاهري الإفرازي المرتبط بالشيخوخة (انظر "الالتهاب والتواصل بين الخلايا") ").

الالتهاب والتواصل بين الخلايا.

SASP هو نتيجة شيخوخة الخلايا ويمكن أن يحدث في الخلايا التي لا تزال نشطة في التمثيل الغذائي وتفرز البروتينات. وظائف SASP الأوتوكرين والباراكرين 84 ، 85. المكونات الرئيسية لعوامل SASP هي عوامل الإشارات القابلة للذوبان ، بما في ذلك interleukins و chemokines وعوامل النمو. تساهم البروتينات المرتبطة بـ SASP ، مثل interleukin-6 ، عامل نخر الورم ألفا ، العامل الكيميائي أحادي الخلية 1 (MCP-1) ، البروتينات المعدنية المصفوفة وبروتينات ربط IGF ، في شيخوخة الأنسجة مع الالتهاب 86.

تشمل كتالوجات SASP الشاملة أيضًا البروتياز المفرزة وبروتينات / مكونات المصفوفة خارج الخلية غير القابلة للذوبان والتي يتم تلخيصها بواسطة Coppé et al. 87 وفي قواعد بيانات Reactome (http://www.reactome.org/content/detail/R-HSA-2559582).

تشكل جزيئات مجموعة DAMPs (الجزء الجزيئي المرتبط بالضرر) ، مثل بروتينات الصدمة الحرارية ، والهستونات ، والأمفوتيرين (HMGB1) وبروتين ربط الكالسيوم S100 ، فئة من الجزيئات المنبعثة بعد الإصابة أو موت الخلية 88 ، والتي تتوسط الاستجابة المناعية. هناك صلة بين DAMPs وعلامات الشيخوخة الأخرى ؛ تمت مراجعته من قبل Huang et al. 89.

العلامات الحيوية المظهرية للشيخوخة.

وفقًا للمعايير التي اقترحها AFAR 3 ، قمنا بتصنيف المؤشرات الحيوية الشيخوخة المظهرية. من الصعب على المرقمات الحيوية المظهرية التحكم في العملية الجزيئية الأساسية التي تكمن وراء عملية الشيخوخة ، لذلك نتبع ثلاثة معايير: يجب أن يتنبأ المرقم الحيوي بمعدل الشيخوخة ، ويجب أن يكون قادرًا على إعادة اختباره دون الإضرار بالشخص ، ويتحكم في عملية فسيولوجية واحدة أو أكثر.

الوظائف الفيزيائية والقياسات البشرية هي القياسات الأكثر عملية بين العلامات الحيوية الشيخوخة المظهرية. في هذا الصدد ، فإن القياسات مثل سرعة المشي ، والاستيقاظ من الكرسي ، والتوازن القائم ، وقوة الضغط في اليد ، ومؤشر كتلة الجسم ، ومحيط الخصر وكتلة العضلات معروفة جيدًا 90. هذه القياسات الجسدية الوظيفية ، على الرغم من أنها بسيطة ، يمكن أن تكون أفضل حقًا. من مثيلة DNA ، من حيث المواقف تجاه الحالة الصحية في الدراسات السكانية 91.

تظهر الأنماط الظاهرية الكمية للسمات البشرية الخارجية أيضًا علاقات مهمة مع الشيخوخة 92 ، 93. ترتبط ميزات الوجه الكمية بناءً على صور الوجه ثلاثية الأبعاد ، مثل عرض الفم وعرض الأنف وزاوية العين ، ارتباطًا وثيقًا بالعمر. في الواقع ، يمكن استخدام صور الوجه ثلاثية الأبعاد لتحديد العمر البيولوجي للشخص 92.

الخلاصة والمنظورات

كما هو متوقع بسبب الطبيعة المعقدة لعملية الشيخوخة ، فإن العلامات الحيوية الشيخوخة متعددة الطبقات ومتعددة الأوجه وتتكون من مجموعة مذهلة من المعلمات ، والتي يتم تلخيصها أدناه. ولكن هذا لا يعني أنها مفيدة بنفس القدر. يجب أن نشير إلى أنه ليست كل العوامل ، على الرغم من أنها قد تشارك في عملية الشيخوخة البيولوجية التخريبية ، قد أثبتت فائدتها من حيث قياس شيخوخة الإنسان في هذه المرحلة.

التذييل 1. المؤشرات الحيوية للشيخوخة.

I. المؤشرات الحيوية الجزيئية.

1. DNA والكروموسومات.
أ) γ-H2AX
ب) طول الكريات البيض تيلومير
ج) مثيلة الحمض النووي.

2. نسخ رني.
أ) عدم تجانس CD38 في خلايا CD4 + CD27 + T
ب) عدم تجانس CD197 في خلايا CD4 + CD25 + T
) (miR-34a, miR-21, miR-126-3p, miR-151a-3p, miR-181a-5p, miR-1248)
) (MIR31HG, AK156230, Meg3)

3.
) , , IGF-1
) mTOR, pS6RP
) NAD +, SIRT1, SIRT2, SIRT3, SIRT6.
)
) N-
)

4.
) -, 3-, 3-,
) 8-
) 8--2'-
) 8-

5.
) -
) p16INK4A.

6. .
a) (SASP)

II. .

1.
) , , , ,
) , .

2.
)
)
)
)

: .

:
Xian Xia, Weiyang Chen, Joseph McDermott, and Jing-Dong Jackie Hana. Molecular and phenotypic biomarkers of aging Version 1. F1000Res. 2017; 6: 860.