Biomarcadores moleculares y fenotípicos del envejecimiento.Introduccion¿Para qué sirven los biomarcadores de envejecimiento?
El envejecimiento es una disminución funcional fisiológica dependiente del tiempo que afecta a la mayoría de los organismos vivos. Y este proceso está directamente relacionado con los cambios moleculares. También es el factor de riesgo más importante para muchas enfermedades no transmisibles. Por un lado, la identificación de biomarcadores del envejecimiento contribuirá a la diferenciación de las personas con la misma edad cronológica, pero con diferentes opciones de envejecimiento. Los biomarcadores cuantitativos del envejecimiento también pueden constituir un grupo de dimensiones para el "envejecimiento saludable" y, además, predecir la esperanza de vida.
Por otro lado, los biomarcadores del envejecimiento también pueden ayudar a los investigadores a reducir la investigación a aspectos biológicos específicos en un intento de explicar los procesos biológicos asociados con el envejecimiento y las enfermedades relacionadas con la edad. Aquí nos fijamos en los biomarcadores fenotípicos y moleculares del envejecimiento.
Los biomarcadores fenotípicos pueden ser no invasivos, panorámicos y de fácil acceso, mientras que los biomarcadores moleculares pueden reflejar algunos de los mecanismos moleculares que subyacen al estado de la edad. Esta revisión considera principalmente los resultados obtenidos en estudios con humanos (y en algunos casos raros con animales de laboratorio (ratones) y nematodos).
Biomarcadores Moleculares del EnvejecimientoEsta sección se basa en dos revisiones altamente efectivas basadas en el envejecimiento 1, 2. Como parte de estas revisiones, nos centramos en los eventos que comienzan en 2013. La Federación Americana de Investigación sobre el Envejecimiento (AFAR) ha propuesto los siguientes criterios para un biomarcador de envejecimiento:
(1) debe predecir la tasa de envejecimiento;
(2) debe controlar el proceso subyacente subyacente al proceso de envejecimiento, no las consecuencias de la enfermedad;
(3) debe poder someterse a una nueva prueba sin dañar a la persona;
(4) debe ser algo que funcione en humanos y animales de laboratorio.
Es poco probable que existan biomarcadores que cumplan con todos los criterios propuestos por AFAR 3, por lo tanto, en la parte molecular de esta revisión, seguimos los dos primeros criterios: el biomarcador debe predecir la tasa de envejecimiento y debe controlar el proceso subyacente subyacente. Para el primer criterio, tratamos de hacer que el biomarcador se correlacione con el envejecimiento; Para el segundo criterio, organizamos la primera parte de esta revisión de acuerdo con las vías moleculares que socavan el envejecimiento.
ADN y cromosomas.TelómerosLos telómeros representan complejos de ribonucleoproteína al final de los cromosomas. Se acortan después de cada replicación, ya que la telomerasa, la enzima responsable de su replicación, no se expresa regularmente en las células somáticas 4. La longitud de los telómeros en los leucocitos está asociada con el envejecimiento y una vida útil de 5, así como con enfermedades relacionadas con la edad, como enfermedades cardiovasculares. 6, 7, cáncer 8 y trastornos neurológicos 9.
Recuperación de ADN.La relación entre el daño y la reparación del ADN está asociada con el envejecimiento por la acumulación de 10 células o reordenamientos genómicos del envejecimiento 11. Más recientemente, esta relación se ha demostrado directamente: la inducción de roturas de ADN bicatenario en el hígado de ratón causó patologías relacionadas con la edad y la expresión génica 12. La inmunohistoquímica de γ-H2AX es una medida cuantitativa biomarcador de envejecimiento, debido a que H2AX es una variante de la familia de proteínas de histona H2A, y H2AX fosforilada, γ-H2AX es el componente inicial y esencial de focos dañados ADN Ia.
Por lo tanto, se puede considerar un marcador confiable del grado de daño en el ADN 13 - 15. Marcadores séricos de daño en el ADN, incluido el péptido antimicrobiano relacionado con la catelina (CRAMP), factor de elongación de la traducción eucariota EF-1a, estatina, N-acetil-β-D-glucosaminidasa ( NAG) y quitinasa también se han descrito 16.
Cabe señalar que los fibroblastos dérmicos de donantes centenarios fueron menos sensibles al daño del ADN causado por el peróxido de hidrógeno que los fibroblastos de otros donantes, menores de 17 años. Tales experimentos ex vivo también pueden ser biomarcadores potenciales del envejecimiento.
Modificaciones epigenéticas.Los cambios relacionados con la edad en la estructura de la metilación del ADN, en particular, como un reloj epigenético, se encuentran entre los biomarcadores más estudiados del envejecimiento 18-20. El análisis de los perfiles de metilación en sangre mostró que solo tres sitios CpG pueden predecir la edad con una desviación absoluta promedio de la edad cronológica de menos de 5 años. años 21. La relación entre la edad y la metilación del ADN puede extenderse a enfermedades relacionadas con la edad como la diabetes 22. Para una revisión completa de la regulación epigenética del envejecimiento, ver Sen et al. 23)
ARN y transcripción.
Perfiles de transcripción . Con un rápido progreso en la tecnología de secuenciación de ARN de todo el genoma (RNA-seq), se ha utilizado activamente en el estudio y en la búsqueda de biomarcadores de envejecimiento. Lu y col. Recientemente se demostró que el cambio en la expresión celular medido en una variedad de células T mediante la secuenciación de ARN-seq ARN de una sola célula junto con citometría de flujo se asocia con el envejecimiento y la susceptibilidad a la enfermedad 24.
Un estudio reciente utilizó perfiles de expresión génica de sangre completa tomada de 14,983 personas para identificar 1,457 genes con expresión diferencial dependiente de la edad. Y luego, los datos obtenidos los usaron para calcular la "edad transcriptómica" del individuo, lo que sugiere que las firmas del transcriptoma se pueden usar para medir el envejecimiento 25.
ARN no codificante.Los microARN (miARN) son una clase de ARN no codificantes pequeños (de 21 a 23 nucleótidos) que regulan una amplia gama de procesos biológicos, incluido el metabolismo 26 y el envejecimiento 27. Entre ellos están los miARN circulantes que pueden ser estables en el plasma debido a estar en exosomas o se une a factores de proteínas o lipoproteínas, lo que los hace accesibles a los biomarcadores. miR-34a fue el primer miRNA circulante observado con un patrón de expresión alterado durante el envejecimiento en ratones28.
Se descubrió que su expresión se correlaciona con la pérdida auditiva relacionada con la edad en ratones y humanos 29. miR-21 se definió como un biomarcador inflamatorio en un estudio de 365 miRNA en plasma de personas sanas y ancianas 30. Niveles de miR-151a-3p, miR-181a-5p y miR Se ha informado que -1248 disminuye significativamente con la edad en humanos, y los tres miARN también muestran una conexión con la inflamación 31. Se encontró que miR-126-3p se correlaciona positivamente con la edad en 136 sujetos sanos de 20 a 90 años 32.
Por expresión de GFP, Pincus et al. descubrieron que los niveles de mir-71, mir-246 y mir-239 en la edad adulta temprana difieren en los individuos y predicen la esperanza de vida 33. Una revisión reciente 27 resumió las asociaciones de otros tipos de ARN pequeños circulantes no codificantes, como tRNA e YRNA.
Los ARN no codificantes largos (lncRNA) son una clase heterogénea de ARN no codificantes que se definen como transcripciones de más de 200 nucleótidos sin marcos de lectura abiertos obvios 34. Las últimas dos revisiones resumen el papel de los lncRNA en el envejecimiento 35, 36. La consideración de los diversos mecanismos funcionales de lncRNA está más allá de el alcance de esta revisión, y los lectores pueden leer la revisión reciente sobre este tema 37; Aquí enumeramos los lncRNA que funcionan durante el envejecimiento. Se descubrió que lncRNA MIR31HG se activa en el envejecimiento inducido por oncógenos y se requiere para la replicación mediada por el grupo policombio del locus INK4A 38.
Se produce una disminución en el ARNnc AK156230 en el envejecimiento replicativo, y su caída en los fibroblastos embrionarios de ratón induce el envejecimiento a través de la desregulación de la autofagia y las rutas del ciclo celular, como lo demuestran los perfiles de expresión 39. Los niveles de Meg3 aumentan durante el envejecimiento cardiovascular, así como en el envejecimiento de las venas umbilicales humanas. células 40.
MetabolismoLa restricción dietética (restricción calórica) es el medio más conservador de aumentar la esperanza de vida, desde la levadura hasta los mamíferos. 42 Los estudios indican el papel principal del metabolismo en la regulación del envejecimiento y la posibilidad de que los factores metabólicos actúen como biomarcadores.
Sensibilidad a los nutrientes.La vía de señalización de insulina / IGF-1 (IIS), que está implicada en el consumo de glucosa, es la forma más antigua descubierta y más conocida de contrarrestar la longevidad. Paradójicamente, el IGF-1 se reduce en ratones de tipo salvaje o en modelos murinos de envejecimiento prematuro, mientras que el debilitamiento de la actividad de IIS aumenta la vida útil 43. Dichas observaciones han llevado a la posible inclusión de elementos de la vía de IIS, como la hormona del crecimiento y el IGF-1, como biomarcadores Envejecimiento 44, 45.
La proteína diana de rapamicina de los mamíferos (mTOR) depende de altas concentraciones de aminoácidos. La inhibición de mTOR puede prolongar la vida útil 46. A diferencia de la vía IIS, la actividad de mTOR aumenta con la edad en el epitelio de los ovarios humanos y de ratón, lo que contribuye a cambios patológicos 47. La proteína ribosómica fosforilada S6 (p-S6RP o pS6) es un objetivo aguas abajo, así como un objetivo conocido. un marcador de señalización activa mTOR 47, 48, y es un biomarcador potencial del envejecimiento, como se indica en un estudio sobre el envejecimiento de los ovarios 47.
A diferencia de las funciones IIS y mTOR, la proteína quinasa activada por monofosfato de 5'-adenosina (AMP) y las sirtuinas son sensibles a la deficiencia de nutrientes en lugar de ser abundantes. AMPK detecta altos niveles de AMP, mientras que las sirtuinas son sensores de altos niveles de NAD +, y ambas indican condiciones asociadas con una disminución en las reservas de energía. El aumento de la actividad de AMPK con metformina, un medicamento para la diabetes tipo II, puede imitar algunos de los beneficios de la restricción calórica, la metformina aumentó la esperanza de vida en ratones 49. La AMPK aumenta con la edad en el músculo esquelético 50.
Las sirtuinas tienen la capacidad de unir directamente el metabolismo de la señal celular (a través de NAD +) a las modificaciones postraduccionales de la proteína a través de una reacción química (desacetilación de lisina). Durante el envejecimiento, NAD + disminuye 51, y la actividad de las sirtuinas se suprime 52, 53. El análisis de fibroblastos dérmicos humanos primarios mostró una disminución en la actividad de SIRT1 y SIRT6 54. De manera similar, los niveles de SIRT1, SIRT3 y SIRT6 detectados por Western blotting mostraron una disminución significativa en ovarios de ratones viejos 55. En las células mononucleares de sangre periférica humana, SIRT2 también disminuye con los 56 años.
Metabolismo proteico.La carbamilación de proteínas es una de las modificaciones postraduccionales no enzimáticas que se producen a lo largo de la vida del cuerpo, lo que conduce a la acumulación de proteínas carbamiladas en los tejidos 57. Lo que se considera un signo de envejecimiento molecular y se asocia con enfermedades relacionadas con la edad, como las cardiovasculares 58.
Los productos finales de glicación avanzada (AGE) son un grupo heterogéneo de moléculas bioactivas que se forman por glicación no enzimática de proteínas, lípidos y ácidos nucleicos 59. La acumulación de AGE en los tejidos durante el envejecimiento conduce a inflamación 60, apoptosis 61, obesidad 62 y otras desviaciones relacionadas con la edad 63 El AGE puede detectarse mediante cromatografía líquida de alto rendimiento, cromatografía de gases-espectrometría de masas y métodos inmunoquímicos 64. Los N-glucanos son una clase de glucoproteínas con ca por cadenas encadenadas unidas al nitrógeno amida de la asparagina.
El espectro de los glicanos unidos a N (N-glycome) ahora puede investigarse debido al desarrollo de métodos de alto rendimiento. La acumulación de glicación ligada a N en Asn297 de la porción Fc de IgG (IgG-G0) puede contribuir al estado proinflamatorio en el envejecimiento 65.
Metabolismo lipídico.Se ha establecido que los niveles de triglicéridos aumentan gradualmente con la edad y, por lo tanto, pueden ser un marcador biológico del envejecimiento 66. Los estudios de lípidos de larga vida y simplemente personas de edad avanzada han demostrado que los fosfo / esfingolípidos son los supuestos marcadores y moduladores biológicos del envejecimiento saludable 67. Sin embargo, el diseño de estos estudios es cuestionable que tienen un grupo de personas mayores como "control de envejecimiento no saludable", que se compara con un grupo de centenarios "envejecidos con éxito" 67, 68. Pero estos dos grupos son obviamente edades muy diferentes Por lo tanto, no está claro si las diferencias de edad o el envejecimiento saludable contribuyeron a las diferencias en lipidómica.
Estrés oxidativo y mitocondrias.Los biomarcadores de estrés oxidativo se han considerado durante mucho tiempo una clase de biomarcadores de envejecimiento. Los productos de daño oxidativo proteico incluyen o-tirosina, 3-clorotirosina y 3-nitrotirosina. La 8-iso prostaglandina F 2α es un biomarcador de daño por fosfolípidos. La 8-hidroxi-2'-desoxiguanosina y la 8-hidroxiguanosina muestran daño oxidativo a los ácidos nucleicos69.
La concentración de estos biomarcadores en los fluidos corporales se puede detectar mediante cromatografía líquida de alto rendimiento y espectrometría de masas. Shen y col. construyó una proteína fluorescente amarilla reordenada circularmente (cpYFP) expresada en la matriz mitocondrial de Caenorhabditis elegans como un sensor de estrés oxidativo y cambios metabólicos 70.
Aunque los radicales libres, una fuente de estrés oxidativo, se producen principalmente en las mitocondrias, las mitocondrias disfuncionales pueden contribuir al envejecimiento independientemente de las formas activas de oxígeno. Las estrategias analíticas para el perfil respirométrico basadas en sangre y músculos 71 o fenotipos como la velocidad de caminata 72 están disponibles para medir la función mitocondrial. Los componentes extracelulares de las mitocondrias pueden funcionar como moléculas relacionadas con el daño (DAMP) (ver también "Inflamación y comunicación intercelular"). Inducen neuroinflamación cuando se introducen en el hipocampo del ratón 73.
Envejecimiento celular.Se cree que la acumulación gradual de células envejecidas en los tejidos mitóticos es uno de los factores causales del envejecimiento 74 a 76. Por lo tanto, los biomarcadores del envejecimiento celular también pueden usarse como marcadores. Dichos biomarcadores se han resumido en encuestas recientes 77, 78. El marcador más utilizado es la β-galactosidasa (SAβ-gal) 79 asociada con el envejecimiento y la proteína p16 INK4A 80, 81. La SAβ-gal refleja un aumento de masa de 82 lisosomas, pero puede producir falsos respuesta debido a su baja especificidad 83. SAβ-gal es un marcador de daño celular, y se requiere p16INK4A para detener completamente el ciclo celular 81.
Otros marcadores celulares de envejecimiento incluyen una respuesta activa y sostenida al daño del ADN (ver "Reparación de ADN"), acortamiento y disfunción de los telómeros (ver "Telómeros"), y un fenotipo secretor relacionado con el envejecimiento (SASP) (ver "Inflamación y comunicación intercelular" ").
Inflamación y comunicación intercelular.SASP es una consecuencia del envejecimiento celular y puede ocurrir en células que aún son metabólicamente activas y secretan proteínas. Las funciones de SASP son autocrinas y paracrinas 84, 85. Los componentes principales de los factores de SASP son los factores de señalización solubles, incluidas las interleucinas, las quimiocinas y los factores de crecimiento. Las proteínas asociadas con SASP, como la interleucina-6, el factor alfa de necrosis tumoral, el factor quimiotáctico monocítico 1 (MCP-1), las metaloproteinasas de la matriz y las proteínas de unión al IGF, contribuyen al envejecimiento del tejido en combinación con la inflamación 86.
Los catálogos completos de SASP también incluyen proteasas secretadas y proteínas / componentes de matriz extracelular insoluble secretada y se resumen por Coppé et al. 87 y en las bases de datos Reactome (http://www.reactome.org/content/detail/R-HSA-2559582).
Las moléculas del grupo DAMP (fragmento molecular asociado con el daño), como las proteínas de choque térmico, las histonas, la anfoterina (HMGB1) y la proteína de unión al calcio S100, constituyen una clase de moléculas liberadas después de una lesión o muerte celular 88, que median la respuesta inmune. Existe un vínculo entre los DAMP y otros signos de envejecimiento; ha sido revisado por Huang et al. 89)
Biomarcadores fenotípicos del envejecimiento.Siguiendo los criterios propuestos por AFAR 3, clasificamos los biomarcadores de envejecimiento fenotípico. Es difícil para los biomarcadores fenotípicos controlar el proceso molecular básico que subyace al proceso de envejecimiento, por lo que seguimos tres estándares: un biomarcador debe predecir la tasa de envejecimiento, debe poder volver a probarse sin dañar a la persona y controla uno o más procesos fisiológicos.
Las funciones físicas y la antropometría son las medidas más prácticas entre los biomarcadores de envejecimiento fenotípicos. En este sentido, las medidas como la velocidad al caminar, levantarse de una silla, el equilibrio de pie, la fuerza de compresión de la mano, el índice de masa corporal, la circunferencia de la cintura y la masa muscular son bien conocidas 90. Estas medidas funcionales físicas, aunque simples, pueden ser realmente mejores. que la metilación del ADN, en términos de actitudes hacia el estado de salud en estudios de población 91.
Los fenotipos cuantitativos de las características humanas externas también muestran relaciones significativas con el envejecimiento 92, 93. Las características faciales cuantitativas basadas en imágenes faciales tridimensionales, como el ancho de la boca, el ancho de la nariz y el ángulo de los ojos, están fuertemente relacionadas con la edad. De hecho, las imágenes faciales tridimensionales se pueden utilizar para cuantificar la edad biológica de una persona 92.Conclusión y perspectivasComo se esperaba debido a la naturaleza compleja del proceso de envejecimiento, los biomarcadores de envejecimiento son multicapa y multifacéticos y consisten en una vertiginosa variedad de parámetros, que se resumen a continuación. Esto, sin embargo, no significa que sean igualmente útiles. Debemos señalar que no todos los factores, aunque pueden estar involucrados en el proceso disruptivo del envejecimiento biológico, han demostrado ser útiles en términos de medición del envejecimiento humano en esta etapa.Apéndice 1. Biomarcadores del envejecimiento.I. Biomarcadores moleculares.1. ADN y cromosomas.a) γ-H2AXb) longitud de telómero leucocitarioc) metilación del ADN.2. Transcripción de ARNi.a) heterogeneidad de CD38 en células T CD4 + CD27 +b) heterogeneidad de CD197 en células T CD4 + CD25 +c) microARN circulantes (miR-34a, miR-21, miR-126-3p, miR-151a-3p, miR-181a-5p, miR-1248)d) ARN largos no codificantes (MIR31HG, AK156230, Meg3)3. Metabolismoa) hormona de crecimiento, insulina, IGF-1b) mTOR, pS6RPc) NAD +, SIRT1, SIRT2, SIRT3, SIRT6.d) carbamilación de proteínase) productos finales de glicación y N-glucanose) triglicéridos4. Estrés oxidativo y mitocondriasa) o-tirosina, 3-clorotirosina, 3-nitrotirosina,b) 8-isoprostanoc) 8-hidroxi-2'- desoxiguanosinad) 8-hidroxiguanosina5. Envejecimiento celulara) beta-galactosidasa asociada con el envejecimientob) proteína p16INK4A.6. Inflamación y comunicación intercelular.a) fenotipo secretor relacionado con el envejecimiento (SASP)II. Biomarcadores fenotípicos.1. Funciones físicas y antropometríaa) velocidad de marcha, levantarse de una silla, equilibrio de pie, fuerza de compresión de la mano, masa muscularb) índice de masa corporal, circunferencia de la cintura.2. Características facialesa) el ancho de la cavidad bucalb) el ancho de la narizc) la distancia de la boca a la narizd) la pendiente de la esquina del ojoPreparado por Alexei Rzheshevsky.Fuente:Xian Xia, Weiyang Chen, Joseph McDermott y Jing-Dong Jackie Hana. Biomarcadores moleculares y fenotípicos del envejecimiento Versión 1. F1000Res. 2017; 6: 860.