Molekulare und phänotypische Biomarker des Alterns.EinführungWofür sind alternde Biomarker?
Altern ist ein zeitabhängiger physiologischer Funktionsabfall, der die meisten lebenden Organismen betrifft. Und dieser Prozess steht in direktem Zusammenhang mit molekularen Veränderungen. Es ist auch der wichtigste Risikofaktor für viele nicht übertragbare Krankheiten. Einerseits wird die Identifizierung alternder Biomarker zur Differenzierung von Menschen mit demselben chronologischen Alter, aber unterschiedlichen Alterungsoptionen beitragen. Quantitative Biomarker des Alterns können auch eine Gruppe von Dimensionen für „gesundes Altern“ darstellen und darüber hinaus die Lebenserwartung vorhersagen.
Andererseits können alternde Biomarker den Forschern auch helfen, die Forschung auf bestimmte biologische Aspekte einzugrenzen, um die biologischen Prozesse zu erklären, die mit dem Altern und altersbedingten Krankheiten verbunden sind. Hier betrachten wir die phänotypischen und molekularen Biomarker des Alterns.
Phänotypische Biomarker können nicht-invasiv, panoramisch und leicht zugänglich sein, während molekulare Biomarker einige der molekularen Mechanismen widerspiegeln können, die dem Altersstatus zugrunde liegen. Diese Überprüfung berücksichtigt hauptsächlich die Ergebnisse von Studien mit Menschen (und in einigen seltenen Fällen mit Labortieren (Mäusen) und Nematoden).
Molekulare Biomarker des AlternsDieser Abschnitt basiert auf zwei hochwirksamen Bewertungen, die auf dem Altern 1, 2 basieren. Im Rahmen dieser Bewertungen konzentrieren wir uns auf Ereignisse ab 2013. Die American Federation for Aging Research (AFAR) hat die folgenden Kriterien für einen alternden Biomarker vorgeschlagen:
(1) er sollte die Alterungsrate vorhersagen;
(2) er muss den zugrunde liegenden Prozess kontrollieren, der dem Alterungsprozess zugrunde liegt, nicht die Folgen der Krankheit;
(3) er sollte in der Lage sein, sich erneut zu testen, ohne die Person zu schädigen;
(4) Es muss etwas sein, das bei Menschen und Labortieren funktioniert.
Es ist unwahrscheinlich, dass Biomarker vorhanden sind, die alle von AFAR vorgeschlagenen Kriterien erfüllen 3. Daher folgen wir im molekularen Teil dieser Überprüfung den ersten beiden Kriterien: Der Biomarker sollte die Alterungsrate vorhersagen und den zugrunde liegenden Prozess steuern, der dem Altern zugrunde liegt. Für das erste Kriterium haben wir versucht, den Biomarker mit dem Altern korrelieren zu lassen; Für das zweite Kriterium haben wir den ersten Teil dieses Aufsatzes nach molekularen Pfaden organisiert, die das Altern untergraben.
DNA und Chromosomen.Telomere.Telomere repräsentieren Ribonukleoproteinkomplexe am Ende von Chromosomen. Sie werden nach jeder Replikation kürzer, da die Telomerase, das für ihre Replikation verantwortliche Enzym, nicht regelmäßig in somatischen Zellen 4 exprimiert wird. Die Länge der Telomere in Leukozyten ist mit Alterung und einer Lebensdauer von 5 sowie altersbedingten Erkrankungen wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen verbunden 6, 7, Krebs 8 und neurologische Störungen 9.
DNA-Gewinnung.Die Beziehung zwischen Schädigung und DNA-Reparatur ist mit dem Altern durch Akkumulation von alternden 10 Zellen oder genomischen Umlagerungen 11 verbunden. In jüngerer Zeit wurde diese Beziehung direkt gezeigt: Die Induktion doppelsträngiger DNA-Brüche in der Mausleber verursachte altersbedingte Pathologien und Genexpression 12. Die Immunhistochemie von γ-H2AX ist eine etablierte quantitative Alterender Biomarker: Da H2AX eine Variante der H2A-Histonproteinfamilie und phosphoryliertes H2AX ist, ist γ-H2AX der ursprüngliche und wesentliche Bestandteil von geschädigten Herden DNA Ia.
Daher kann es als zuverlässiger Marker für den Grad der DNA-Schädigung 13 - 15 angesehen werden. Serummarker für DNA-Schäden, einschließlich kathelinbezogenem antimikrobiellem Peptid (CRAMP), eukaryotischem Translations-Elongationsfaktor EF-1a, Statin, N-Acetyl-β-D-Glucosaminidase ( NAG) und Chitinase wurden ebenfalls beschrieben 16.
Es sollte beachtet werden, dass dermale Fibroblasten von hundertjährigen Spendern weniger empfindlich gegenüber DNA-Schäden sind, die durch Wasserstoffperoxid verursacht werden, als Fibroblasten von anderen Spendern, jünger als 17. Solche Ex-vivo-Experimente können auch potenzielle Biomarker für das Altern sein.
Epigenetische Modifikationen.Altersbedingte Veränderungen in der Struktur der DNA-Methylierung, insbesondere als epigenetische Uhr, gehören zu den am besten untersuchten Biomarkern für das Altern zwischen 18 und 20. Die Analyse der Blutmethylierungsprofile ergab, dass nur drei CpG-Stellen das Alter mit einer durchschnittlichen absoluten Abweichung vom chronologischen Alter von weniger als 5 Jahren vorhersagen können Jahre 21. Die Beziehung zwischen Alter und DNA-Methylierung kann auf altersbedingte Krankheiten wie Diabetes 22 ausgedehnt werden. Für eine vollständige Übersicht über die epigenetische Regulation des Alterns siehe Sen et al. 23.
RNA und Transkript.
Transkriptprofile . Mit dem raschen Fortschritt in der Technologie der genomweiten RNA-Sequenzierung (RNA-seq) wurde es aktiv in der Untersuchung und Suche nach alternden Biomarkern eingesetzt. Lu et al. haben kürzlich gezeigt, dass die Änderung der Zellexpression, die in verschiedenen T-Zellen durch Einzelzell-RNA-seq-RNA-Sequenzierung zusammen mit Durchflusszytometrie gemessen wird, mit Alterung und Krankheitsanfälligkeit verbunden ist 24.
In einer kürzlich durchgeführten Studie wurden Genexpressionsprofile von Vollblut von 14.983 Personen verwendet, um 1.457 Gene mit altersabhängiger differentieller Expression zu identifizieren. Und dann verwendeten die erhaltenen Daten sie, um das „transkriptomische Alter“ des Individuums zu berechnen, was darauf hindeutet, dass die Transkriptomsignaturen zur Messung des Alterns verwendet werden können 25.
Nichtkodierende RNA.MicroRNAs (miRNAs) sind eine Klasse kleiner (21 bis 23 Nucleotide) nichtkodierender RNAs, die eine Vielzahl von biologischen Prozessen regulieren, einschließlich Metabolismus 26 und Alterung 27. Darunter befinden sich zirkulierende miRNAs, die im Plasma stabil sein können, weil sie sich in Exosomen oder befinden Bindung an Protein- oder Lipoproteinfaktoren, wodurch sie für Biomarker zugänglich werden. miR-34a war die erste beobachtete zirkulierende miRNA mit einem veränderten Expressionsmuster während des Alterns bei Mäusen28.
Es wurde festgestellt, dass seine Expression mit dem altersbedingten Hörverlust bei Mäusen und Menschen korreliert. 29. miR-21 wurde in einer Studie mit 365 miRNAs im Plasma von gesunden und alten Menschen als entzündlicher Biomarker definiert. 30. Spiegel von miR-151a-3p, miR-181a-5p und miR Es wurde berichtet, dass -1248 beim Menschen mit dem Alter signifikant abnimmt, und alle drei miRNAs zeigen auch einen Zusammenhang mit der Entzündung 31. Es wurde festgestellt, dass miR-126-3p bei 136 gesunden Probanden im Alter von 20 bis 90 Jahren 32 positiv mit dem Alter korreliert.
Durch Expression von GFP haben Pincus et al. fanden heraus, dass sich die Spiegel von mir-71, mir-246 und mir-239 im frühen Erwachsenenalter bei Individuen unterscheiden und die Lebenserwartung vorhersagen 33. Eine kürzlich durchgeführte Übersicht 27 fasste die Assoziationen anderer Arten von zirkulierenden nicht-kodierenden kleinen RNAs wie tRNA und YRNA zusammen.
Lange nichtkodierende RNAs (lncRNAs) sind eine heterogene Klasse nichtkodierender RNAs, die als Transkripte definiert sind, die länger als 200 Nukleotide sind und keine offensichtlichen offenen Leserahmen aufweisen 34. Die letzten beiden Übersichten fassen die Rolle von lncRNAs beim Altern zusammen 35, 36. Die Berücksichtigung der verschiedenen Funktionsmechanismen von lncRNA ist darüber hinaus den Umfang dieser Rezension, und die Leser können die jüngste Rezension zu diesem Thema lesen 37; Hier listen wir die lncRNAs auf, die während des Alterns funktionieren. Es wurde gefunden, dass lncRNA MIR31HG beim Onkogen-induzierten Altern aktiviert wird und für die Replikation erforderlich ist, die durch die polykombische Gruppe des INK4A 38-Locus vermittelt wird.
Eine Abnahme der AK156230-lncRNA tritt beim replikativen Altern auf, und ihr Abbau bei embryonalen Fibroblasten der Maus induziert das Altern durch Dysregulation der Autophagie und der Zellzykluswege, wie die Expressionsprofile 39 zeigen. Die Meg3-Spiegel steigen während des kardiovaskulären Alterns sowie bei alternden menschlichen Nabelschnurvenen an Zellen 40.
Stoffwechsel.Ernährungseinschränkungen (Kalorieneinschränkungen) sind das konservativste Mittel zur Erhöhung der Lebenserwartung, von Hefen bis zu Säugetieren. 42 Studien zeigen die Hauptrolle des Stoffwechsels bei der Regulierung des Alterns und die Möglichkeit, dass metabolische Faktoren als Biomarker wirken.
Empfindlichkeit gegenüber Nährstoffen.Der Insulin / IGF-1-Signalweg (IIS), der am Glukoseverbrauch beteiligt ist, ist der früheste entdeckte und bekannteste Weg, um der Langlebigkeit entgegenzuwirken. Paradoxerweise ist IGF-1 in Wildtyp-Mäusen oder in Mausmodellen für vorzeitiges Altern reduziert, während eine Schwächung der IIS-Aktivität die Lebenserwartung erhöht 43. Solche Beobachtungen haben dazu geführt, dass möglicherweise Elemente des IIS-Signalwegs wie Wachstumshormon und IGF-1 als Biomarker aufgenommen wurden Altern 44, 45.
Das Säugerzielprotein von Rapamycin (mTOR) ist abhängig von hohen Aminosäurekonzentrationen. Die Hemmung von mTOR kann die Lebensdauer 46 verlängern. Im Gegensatz zum IIS-Signalweg nimmt die mTOR-Aktivität mit dem Alter im Epithel der Eierstöcke von Mensch und Maus zu, was zu pathologischen Veränderungen beiträgt 47. Das phosphorylierte ribosomale Protein S6 (p-S6RP oder pS6) ist ein nachgeschaltetes Ziel sowie ein bekanntes ein Marker für die aktive Signalübertragung mTOR 47, 48 und ist ein potenzieller Biomarker für das Altern, wie in einer Studie über alternde Eierstöcke 47 angegeben.
Im Gegensatz zu IIS- und mTOR-Funktionen reagieren 5'-Adenosinmonophosphat (AMP) -aktivierte Proteinkinase (AMPK) und Sirtuine empfindlich auf Nährstoffmangel, anstatt reichlich vorhanden zu sein. AMPK erkennt hohe AMP-Werte, während Sirtuine Sensoren für hohe NAD + -Werte sind und beide Bedingungen anzeigen, die mit einer Abnahme der Energiespeicher verbunden sind. Eine erhöhte AMPK-Aktivität mit Metformin, einem Typ-II-Diabetes-Medikament, kann einige der Vorteile der Kalorienreduktion nachahmen. Metformin erhöht die Lebenserwartung bei Mäusen 49. AMPK steigt mit zunehmendem Alter im Skelettmuskel 50.
Sirtuine haben die Fähigkeit, den Zellsignalstoffwechsel (über NAD +) durch eine chemische Reaktion (Lysindeacetylierung) direkt an posttranslationale Modifikationen des Proteins zu binden. Während des Alterns nimmt NAD + 51 ab und die Aktivität von Sirtuinen wird unterdrückt 52, 53. Die Analyse der primären menschlichen Hautfibroblasten zeigte eine Abnahme der Aktivität von SIRT1 und SIRT6 54. In ähnlicher Weise zeigten die durch Western Blot nachgewiesenen Spiegel von SIRT1, SIRT3 und SIRT6 eine signifikante Abnahme von Eierstöcke alter Mäuse 55. In mononukleären Zellen aus menschlichem peripherem Blut nimmt SIRT2 mit zunehmendem Alter ebenfalls ab.
Proteinstoffwechsel.Die Proteincarbamylierung ist eine der nichtenzymatischen posttranslationalen Modifikationen, die während des gesamten Lebens des Körpers auftreten und zur Gewebeakkumulation von carbamylierten Proteinen führen 57. Dies wird als Zeichen molekularer Alterung angesehen und ist mit altersbedingten Erkrankungen wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen verbunden 58.
Fortgeschrittene Glykationsendprodukte (AGEs) sind eine heterogene Gruppe bioaktiver Moleküle, die durch nichtenzymatische Glykation von Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren 59 gebildet werden. Die Akkumulation von AGE in Geweben während des Alterns führt zu Entzündungen 60, Apoptose 61, Fettleibigkeit 62 und anderen altersbedingten Abweichungen 63 AGE kann durch Hochleistungsflüssigchromatographie, Gaschromatographie-Massenspektrometrie und immunochemische Verfahren nachgewiesen werden 64. N-Glykane sind eine Klasse von Glykoproteinen mit ca. durch verkettete Ketten, die an den Amidstickstoff von Asparagin gebunden sind.
Das Spektrum der N-verknüpften Glykane (N-Glycome) kann nun aufgrund der Entwicklung von Hochleistungsmethoden untersucht werden. Die Akkumulation von N-verknüpfter Glykation in Asn297 aus dem Fc-Anteil von IgG (IgG-G0) kann zum proinflammatorischen Status im Alter beitragen 65.
Fettstoffwechsel.Es wurde festgestellt, dass die Triglyceridspiegel mit dem Alter allmählich ansteigen und daher ein Biomarker für das Altern sein können 66. Studien an langlebigen Lipiden und einfach älteren Menschen haben gezeigt, dass Phospho / Sphingolipide die angeblichen Marker und biologischen Modulatoren für gesundes Altern sind 67. Das Design dieser Studien ist jedoch fraglich dass sie eine Gruppe älterer Menschen als „nicht gesunde Alterskontrolle“ haben, verglichen mit einer Gruppe „erfolgreich alternder“ Hundertjähriger 67, 68. Aber diese beiden Gruppen sind offensichtlich sehr unterschiedliches Alter. Daher ist unklar, ob Altersunterschiede oder gesundes Altern zu Unterschieden in der Lipidomik beigetragen haben.
Oxidativer Stress und Mitochondrien.Biomarker für oxidativen Stress gelten seit langem als eine Klasse alternder Biomarker. Proteinoxidative Schädigungsprodukte umfassen o-Tyrosin, 3-Chlorthothyrosin und 3-Nitrotyrosin. 8-iso-Prostaglandin F 2α ist ein Biomarker für Phospholipidschäden. 8-Hydroxy-2'-desoxyguanosin und 8-Hydroxyguanosin zeigen eine oxidative Schädigung der Nukleinsäuren69.
Die Konzentration dieser Biomarker in Körperflüssigkeiten kann mittels Hochleistungsflüssigchromatographie und Massenspektrometrie nachgewiesen werden. Shen et al. konstruierte ein kreisförmig umgeordnetes gelb fluoreszierendes Protein (cpYFP), das in der mitochondrialen Matrix von Caenorhabditis elegans als Sensor für oxidativen Stress und metabolische Veränderungen exprimiert wird 70.
Obwohl freie Radikale, eine Quelle für oxidativen Stress, hauptsächlich in den Mitochondrien produziert werden, können dysfunktionelle Mitochondrien unabhängig von den aktiven Formen von Sauerstoff zum Altern beitragen. Zur Messung der Mitochondrienfunktion stehen analytische Strategien für die respirometrische Profilerstellung auf der Grundlage von Blut und Muskel 71 oder Phänotypen wie 72 Gehgeschwindigkeit zur Verfügung. Die extrazellulären Komponenten der Mitochondrien können als schädigungsbedingte Moleküle (DAMPs) fungieren (siehe auch „Entzündung und interzelluläre Kommunikation“). Sie induzieren eine Neuroinflammation, wenn sie in den Hippocampus 73 der Maus eingeführt werden.
Zellalterung.Es wird angenommen, dass die allmähliche Anreicherung alternder Zellen in mitotischen Geweben einer der ursächlichen Faktoren des Alterns ist 74–76. Daher können Biomarker der Zellalterung auch als Marker verwendet werden. Solche Biomarker wurden in jüngsten Umfragen 77, 78 zusammengefasst. Der am häufigsten verwendete Marker ist β-Galactosidase (SAβ-Gal) 79 und Protein p16 INK4A 80, 81, die mit dem Altern assoziiert sind. SAβ-Gal spiegelt eine erhöhte Masse von 82 Lysosomen wider, kann jedoch falsche produzieren Reaktion aufgrund seiner geringen Spezifität 83. SAβ-Gal ist ein Marker für Zellschäden, und p16INK4A ist erforderlich, um den Zellzyklus 81 vollständig zu stoppen.
Andere alternde Zellmarker umfassen eine aktivierte und anhaltende Reaktion auf DNA-Schäden (siehe „DNA-Reparatur“), Verkürzung und Dysfunktion von Telomeren (siehe „Telomere“) und einen altersbedingten sekretorischen Phänotyp (SASP) (siehe „Entzündung und interzelluläre Kommunikation“). ").
Entzündung und interzelluläre Kommunikation.SASP ist eine Folge der Zellalterung und kann in Zellen auftreten, die noch metabolisch aktiv sind und Proteine absondern. SASP funktioniert autokrin und parakrin 84, 85. Die Hauptkomponenten von SASP-Faktoren sind lösliche Signalfaktoren, einschließlich Interleukine, Chemokine und Wachstumsfaktoren. Mit SASP assoziierte Proteine wie Interleukin-6, Tumornekrosefaktor-alpha, monozytischer chemotaktischer Faktor-1 (MCP-1), Matrixmetalloproteinasen und IGF-bindende Proteine tragen in Kombination mit Entzündung 86 zur Alterung des Gewebes bei.
Umfassende SASP-Kataloge enthalten auch sekretierte Proteasen und sekretierte unlösliche extrazelluläre Matrixproteine / -komponenten und werden von Coppé et al. 87 und in den Reactome-Datenbanken (http://www.reactome.org/content/detail/R-HSA-2559582).
Moleküle der DAMPs-Gruppe (mit Schädigung verbundenes Molekülfragment) wie Hitzeschockproteine, Histone, Amphoterin (HMGB1) und Calciumbindungsprotein S100 bilden eine Klasse von Molekülen, die nach Verletzung oder Zelltod 88 freigesetzt werden und die Immunantwort vermitteln. Es gibt einen Zusammenhang zwischen DAMPs und anderen Zeichen des Alterns, der von Huang et al. 89.
Phänotypische Biomarker des Alterns.Nach den von AFAR 3 vorgeschlagenen Kriterien klassifizieren wir phänotypische Alterungsbiomarker. Für phänotypische Biomarker ist es schwierig, den grundlegenden molekularen Prozess zu steuern, der dem Alterungsprozess zugrunde liegt. Daher folgen wir drei Standards: Ein Biomarker muss die Alterungsrate vorhersagen, er muss erneut getestet werden können, ohne die Person zu schädigen, und er steuert einen oder mehrere physiologische Prozesse.
Physikalische Funktionen und Anthropometrie sind die praktischsten Messungen unter phänotypischen Alterungsbiomarkern. In dieser Hinsicht sind Messungen wie Gehgeschwindigkeit, Aufstehen vom Stuhl, Gleichgewicht im Stehen, Kompressionskraft der Hand, Body-Mass-Index, Taillenumfang und Muskelmasse bekannt 90. Diese physikalischen Funktionsmessungen können, obwohl einfach, wirklich besser sein. als DNA-Methylierung, in Bezug auf die Einstellung zum Gesundheitszustand in Bevölkerungsstudien 91.
Quantitative Phänotypen äußerer menschlicher Merkmale zeigen ebenfalls signifikante Beziehungen zum Altern 92, 93. Quantitative Gesichtsmerkmale, die auf dreidimensionalen Gesichtsbildern basieren, wie Mundbreite, Nasenbreite und Augenwinkel, hängen stark mit dem Alter zusammen. Tatsächlich können dreidimensionale Gesichtsbilder verwendet werden, um das biologische Alter einer Person 92 zu quantifizieren.Schlussfolgerung und PerspektivenAufgrund der Komplexität des Alterungsprozesses sind alternde Biomarker erwartungsgemäß vielschichtig und vielfältig und bestehen aus einer schwindelerregenden Reihe von Parametern, die im Folgenden zusammengefasst werden. Dies bedeutet jedoch nicht, dass sie gleichermaßen nützlich sind. Wir müssen darauf hinweisen, dass sich in diesem Stadium nicht alle Faktoren als nützlich erwiesen haben, um den menschlichen Alterungsprozess zu messen, obwohl sie möglicherweise am störenden biologischen Alterungsprozess beteiligt sind.Anhang 1. Biomarker des Alterns.I. Molekulare Biomarker.1. DNA und Chromosomen.a) γ-H2AXb) Leukozyten-Telomerlängec) DNA-Methylierung.2. RNAi-Transkription.a) Heterogenität von CD38 in CD4 + CD27 + T-Zellenb) Heterogenität von CD197 in CD4 + CD25 + T-Zellenc) zirkulierende microRNAs (miR-34a, miR-21, miR-126-3p, miR-151a-3p, miR-181a-5p, miR-1248)d) lange nichtkodierende RNAs (MIR31HG, AK156230, Meg3)3. Metabolismusa) Wachstumshormon, Insulin, IGF-1b) mTOR, pS6RPc) NAD +, SIRT1, SIRT2, SIRT3, SIRT6.d) Carbamylierung von Proteinene) Endprodukte der Glykation und N-Glykanee) Triglyceride4. Oxidativer Stress und Mitochondriena) o-Tyrosin, 3-Chlorthyrosin, 3-Nitrotyrosin,b) 8-Isoprostanc) 8-Hydroxy-2'- Desoxyguanosine) 8-Hydroxyguanosin5. Zellalterunga) Beta-Galactosidase in Verbindung mit Alterungb) p16INK4A-Protein.6. Entzündung und interzelluläre Kommunikation.a) altersbedingter sekretorischer Phänotyp (SASP)II. Phänotypische Biomarker.1. Körperliche Funktionen und Anthropometriea) Gehgeschwindigkeit, Aufstehen vom Stuhl, Gleichgewicht im Stehen, Kompressionskraft der Hand, Muskelmasseb) Body-Mass-Index, Taillenumfang.2. Gesichtsmerkmalea) die Breite der Mundhöhleb) die Breite der Nasec) der Abstand vom Mund zur Nased) die Neigung des AugenwinkelsErstellt von Alexei Rzheshevsky.Quelle:
Xian Xia, Weiyang Chen, Joseph McDermott und Jing-Dong Jackie Hana. Molekulare und phänotypische Biomarker des Alterns Version 1. F1000Res. 2017; 6: 860.