Panel chinois de biomarqueurs vieillissants

Biomarqueurs moléculaires et phénotypiques du vieillissement.

Présentation

À quoi servent les biomarqueurs vieillissants?

Le vieillissement est un déclin fonctionnel physiologique dépendant du temps qui affecte la plupart des organismes vivants. Et ce processus est directement lié aux changements moléculaires. C'est également le facteur de risque le plus important pour de nombreuses maladies non transmissibles. D'une part, l'identification des biomarqueurs vieillissants contribuera à la différenciation des personnes ayant le même âge chronologique, mais différentes options de vieillissement. Les biomarqueurs quantitatifs du vieillissement peuvent également constituer un groupe de dimensions pour un «vieillissement sain» et, en outre, prédire l'espérance de vie.

D'un autre côté, les biomarqueurs vieillissants peuvent également aider les chercheurs à restreindre la recherche à des aspects biologiques spécifiques dans le but d'expliquer les processus biologiques associés au vieillissement et aux maladies liées à l'âge. Nous examinons ici les biomarqueurs phénotypiques et moléculaires du vieillissement.

Les biomarqueurs phénotypiques peuvent être non invasifs, panoramiques et facilement accessibles, tandis que les biomarqueurs moléculaires peuvent refléter certains des mécanismes moléculaires sous-jacents au statut d'âge. Cette revue prend principalement en compte les résultats obtenus dans les études avec l'homme (et dans de rares cas avec des animaux de laboratoire (souris) et des nématodes).

Biomarqueurs moléculaires du vieillissement


Cette section est basée sur deux examens très efficaces basés sur le vieillissement 1, 2. Dans le cadre de ces examens, nous nous concentrons sur les événements commençant en 2013. La Fédération américaine pour la recherche sur le vieillissement (AFAR) a proposé les critères suivants pour un biomarqueur vieillissant:
(1) il devrait prédire le taux de vieillissement;
(2) il doit contrôler le processus sous-jacent qui sous-tend le processus de vieillissement, et non les conséquences de la maladie;
(3) il devrait pouvoir subir un nouveau test sans nuire à la personne;
(4) ce doit être quelque chose qui fonctionne sur les humains et les animaux de laboratoire.

Les biomarqueurs qui répondent à tous les critères proposés par l'AFAR sont peu susceptibles d'exister 3, donc dans la partie moléculaire de cette revue, nous suivons les deux premiers critères: le biomarqueur devrait prédire le taux de vieillissement et contrôler le processus sous-jacent qui sous-tend le vieillissement. Pour le premier critère, nous avons essayé de mettre le biomarqueur en corrélation avec le vieillissement; pour le deuxième critère, nous avons organisé la première partie de cette revue en fonction des voies moléculaires qui minent le vieillissement.

ADN et chromosomes.

Télomères.

Les télomères représentent des complexes de ribonucléoprotéines à la fin des chromosomes. Ils raccourcissent après chaque réplication, car la télomérase, l'enzyme responsable de leur réplication, n'est pas régulièrement exprimée dans les cellules somatiques 4. La longueur des télomères dans les leucocytes est associée au vieillissement et à une durée de vie de 5, ainsi qu'aux maladies liées à l'âge telles que les maladies cardiovasculaires 6, 7, cancer 8 et troubles neurologiques 9.

Récupération d'ADN.

La relation entre les dommages et la réparation de l'ADN est associée au vieillissement par l'accumulation de 10 cellules vieillissantes ou des réarrangements génomiques 11. Plus récemment, cette relation a été directement démontrée: l'induction de cassures d'ADN double brin dans le foie de souris a causé des pathologies liées à l'âge et l'expression des gènes 12. L'immunohistochimie de γ-H2AX est une quantité quantitative établie biomarqueur vieillissant, parce que H2AX est une variante de la famille des protéines histones H2A, et H2AX phosphorylé, γ-H2AX est la composante initiale et essentielle des foyers endommagés ADN Ia.

Par conséquent, il peut être considéré comme un marqueur fiable du degré de dommages à l'ADN 13 - 15. Marqueurs sériques des dommages à l'ADN, y compris le peptide antimicrobien lié à la cathéline (CRAMP), le facteur d'élongation de la traduction eucaryote EF-1a, la statine, la N-acétyl-β-D-glucosaminidase ( NAG) et la chitinase ont également été décrites 16.

Il convient de noter que les fibroblastes dermiques de donneurs centenaires étaient moins sensibles aux dommages à l'ADN causés par le peroxyde d'hydrogène que les fibroblastes d'autres donneurs, plus jeunes 17. De telles expériences ex vivo peuvent également être des biomarqueurs potentiels du vieillissement.

Modifications épigénétiques.

Les changements liés à l'âge dans la structure de la méthylation de l'ADN, en particulier, en tant qu'horloge épigénétique, sont l'un des biomarqueurs du vieillissement les plus étudiés 18 - 20. L'analyse des profils de méthylation du sang a montré que seuls trois sites CpG peuvent prédire l'âge avec un écart absolu moyen par rapport à l'âge chronologique de moins de 5 ans. ans 21. La relation entre l'âge et la méthylation de l'ADN peut être étendue à des maladies liées à l'âge comme le diabète 22. Pour une revue complète de la régulation épigénétique du vieillissement, voir Sen et al. 23.
ARN et transcription.

Profils de transcription . Avec des progrès rapides dans la technologie de séquençage d'ARN à l'échelle du génome (ARN-seq), il est devenu activement utilisé dans l'étude et la recherche de biomarqueurs vieillissants. Lu et al. a récemment montré que le changement d'expression cellulaire mesuré dans des cellules T assorties par séquençage d'ARN monocellulaire ARN-seq avec cytométrie en flux est associé au vieillissement et à la sensibilité aux maladies 24.

Une étude récente a utilisé des profils d'expression génique de sang total prélevés sur 14 983 personnes pour identifier 1 457 gènes ayant une expression différentielle dépendante de l'âge. Et puis les données obtenues les ont utilisées pour calculer «l'âge transcriptomique» de l'individu, suggérant que les signatures du transcriptome peuvent être utilisées pour mesurer le vieillissement 25.

ARN non codant.

Les microARN (miARN) sont une classe de petits ARN (21 à 23 nucléotides) non codants qui régulent un large éventail de processus biologiques, y compris le métabolisme 26 et le vieillissement 27. Parmi eux, des miARN circulants qui peuvent être stables dans le plasma en raison de leur présence dans des exosomes ou la liaison aux facteurs protéiques ou lipoprotéiques, ce qui les rend accessibles aux biomarqueurs. Le miR-34a a été le premier miARN circulant observé avec un profil d'expression altéré pendant le vieillissement chez la souris28.

Il a été constaté que son expression est en corrélation avec la perte auditive liée à l'âge chez la souris et l'homme.29 miR-21 a été défini comme un biomarqueur inflammatoire dans une étude de 365 miARN dans le plasma de personnes saines et âgées 30. Niveaux de miR-151a-3p, miR-181a-5p et miR Il a été rapporté que -1248 diminuait significativement avec l'âge chez l'homme, et les trois miARN montrent également une relation avec l'inflammation 31. Il a été constaté que le miR-126-3p était positivement corrélé avec l'âge chez 136 sujets sains de 20 à 90 ans 32.

Par expression de GFP, Pincus et al. ont constaté que les niveaux de mir-71, mir-246 et mir-239 au début de l'âge adulte diffèrent selon les individus et prédisent l'espérance de vie 33. Une revue récente 27 a résumé les associations d'autres types de petits ARN non codants circulants, tels que l'ARNt et l'ARNR.

Les ARN longs non codants (ARNnc) sont une classe hétérogène d'ARN non codants qui sont définis comme des transcrits de plus de 200 nucléotides sans cadres de lecture ouverts évidents 34. Les deux dernières revues résument le rôle des ARNnc dans le vieillissement 35, 36. La prise en compte des divers mécanismes fonctionnels de l'ARNlc est au-delà la portée de cette revue, et les lecteurs peuvent lire la revue récente sur ce sujet 37; nous listons ici les lncRNA qui fonctionnent pendant le vieillissement. Il a été constaté que lncRNA MIR31HG est activé dans le vieillissement induit par les oncogènes et est nécessaire pour la réplication médiée par le groupe polycombique du locus INK4A 38.

Une diminution du lncRNA AK156230 se produit dans le vieillissement réplicatif, et son abattement dans les fibroblastes embryonnaires de souris induit le vieillissement par une dérégulation de l'autophagie et des voies du cycle cellulaire, comme le montrent les profils d'expression 39. Les niveaux de Meg3 augmentent pendant le vieillissement cardiovasculaire, ainsi que dans le vieillissement des veines ombilicales humaines cellules 40.

Métabolisme.

La restriction alimentaire (restriction calorique) est le moyen le plus conservateur d'augmenter l'espérance de vie, de la levure aux mammifères. 42 Des études indiquent le rôle principal du métabolisme dans la régulation du vieillissement et la possibilité que des facteurs métaboliques agissent comme des biomarqueurs.

Sensibilité aux nutriments.

La voie de signalisation insuline / IGF-1 (IIS), qui est impliquée dans la consommation de glucose, est le moyen le plus ancien et le plus connu de contrer la longévité. Paradoxalement, l'IGF-1 est réduit chez les souris de type sauvage ou dans les modèles murins de vieillissement prématuré, tandis que l'affaiblissement de l'activité IIS augmente la durée de vie 43. De telles observations ont conduit à l'inclusion potentielle d'éléments de la voie IIS, tels que l'hormone de croissance et l'IGF-1, comme biomarqueurs 44, 45 ans.

La protéine cible mammifère de la rapamycine (mTOR) dépend de fortes concentrations d'acides aminés. L'inhibition de mTOR peut prolonger la durée de vie 46. Contrairement à la voie IIS, l'activité mTOR augmente avec l'âge dans l'épithélium des ovaires humains et de souris, ce qui contribue aux changements pathologiques 47. La protéine ribosomique phosphorylée S6 (p-S6RP ou pS6) est une cible en aval, ainsi qu'une un marqueur de la signalisation active mTOR 47, 48, et est un biomarqueur potentiel du vieillissement, comme indiqué dans une étude sur le vieillissement des ovaires 47.

Contrairement aux fonctions IIS et mTOR, la protéine kinase (AMPK) activée par la 5'-adénosine monophosphate (AMP) et les sirtuines sont sensibles à la carence en nutriments au lieu d'être abondantes. L'AMPK détecte des niveaux élevés d'AMP, tandis que les sirtuines sont des capteurs de niveaux élevés de NAD +, et les deux indiquent des conditions associées à une diminution des réserves d'énergie. L'activité accrue de l'AMPK avec la metformine, un médicament pour le diabète de type II, peut imiter certains des avantages de la restriction calorique, la metformine a augmenté l'espérance de vie chez la souris 49. L'AMPK augmente avec l'âge dans le muscle squelettique 50.

Les sirtuines ont la capacité de lier directement le métabolisme du signal cellulaire (via NAD +) aux modifications post-traductionnelles de la protéine par une réaction chimique (désacétylation de la lysine). Pendant le vieillissement, le NAD + diminue de 51, et l'activité des sirtuines est supprimée 52, 53. L'analyse des fibroblastes dermiques humains primaires a montré une diminution de l'activité de SIRT1 et SIRT6 54. De même, les niveaux de SIRT1, SIRT3 et SIRT6 détectés par Western blot ont montré une diminution significative de ovaires de vieilles souris 55. Dans les cellules mononucléaires du sang périphérique humain, SIRT2 diminue également avec l'âge de 56 ans.

Métabolisme des protéines.

La carbamylation des protéines est l'une des modifications post-traductionnelles non enzymatiques qui se produisent tout au long de la vie du corps, ce qui entraîne une accumulation tissulaire de protéines carbamylées 57. Ce qui est considéré comme un signe de vieillissement moléculaire et est associé à des maladies liées à l'âge, telles que les maladies cardiovasculaires 58.

Les produits finaux de glycation avancée (AGE) sont un groupe hétérogène de molécules bioactives qui sont formées par la glycation non enzymatique des protéines, des lipides et des acides nucléiques 59. L'accumulation d'AGE dans les tissus au cours du vieillissement entraîne une inflammation 60, l'apoptose 61, l'obésité 62 et d'autres déviations liées à l'âge 63 L'âge peut être détecté par chromatographie liquide à haute performance, chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse et méthodes immunochimiques 64. Les N-glycanes sont une classe de glycoprotéines avec ca par des chaînes enchaînées liées à l'azote amide de l'asparagine.

Le spectre des glycanes liés à N (N-glycome) peut désormais être étudié grâce au développement de méthodes performantes. L'accumulation de glycation liée à N dans Asn297 à partir de la portion Fc des IgG (IgG-G0) peut contribuer au statut pro-inflammatoire du vieillissement 65.

Métabolisme lipidique.

Il a été établi que les niveaux de triglycérides augmentent progressivement avec l'âge et peuvent donc être un biomarqueur du vieillissement 66. Des études sur les lipides des foies longs et seulement des personnes âgées ont montré que les phospho / sphingolipides sont des marqueurs putatifs et des modulateurs biologiques du vieillissement en bonne santé 67. Cependant, la conception de ces études est discutable qu'ils ont un groupe de personnes âgées comme «contrôle du vieillissement non sain», ce qui se compare à un groupe de centenaires «vieillissant avec succès» 67, 68. Mais ces deux groupes sont évidemment âges très différents. Par conséquent, il n'est pas clair si les différences d'âge ou le vieillissement sain ont contribué aux différences de lipidomique.

Stress oxydatif et mitochondries.

Les biomarqueurs de stress oxydatif ont longtemps été considérés comme une classe de biomarqueurs vieillissants. Les produits endommageant l'oxydation des protéines comprennent l'o-tyrosine, la 3-chlorothyrosine et la 3-nitrotyrosine. La 8-iso prostaglandine F 2α est un biomarqueur des dommages aux phospholipides. La 8-hydroxy-2'-désoxyguanosine et la 8-hydroxyguanosine présentent des dommages oxydatifs aux acides nucléiques69.

La concentration de ces biomarqueurs dans les fluides corporels peut être détectée en utilisant la chromatographie liquide à haute performance et la spectrométrie de masse. Shen et al. construit une protéine fluorescente jaune réarrangée circulairement (cpYFP) exprimée dans la matrice mitochondriale de Caenorhabditis elegans comme un capteur de stress oxydatif et de changements métaboliques 70.

Bien que les radicaux libres, source de stress oxydatif, soient principalement produits dans les mitochondries, les mitochondries dysfonctionnelles peuvent contribuer au vieillissement quelles que soient les formes actives d'oxygène. Des stratégies analytiques pour le profilage respirométrique basées sur le sang et les muscles 71 ou des phénotypes tels que la vitesse de marche 72 sont disponibles pour mesurer la fonction mitochondriale. Les composants extracellulaires des mitochondries peuvent fonctionner comme des molécules liées aux dommages (DAMP) (voir aussi «Inflammation et communication intercellulaire»). Ils induisent une neuroinflammation lorsqu'ils sont introduits dans l'hippocampe de la souris 73.

Vieillissement cellulaire.

On pense que l'accumulation progressive des cellules vieillissantes dans les tissus mitotiques est l'un des facteurs causaux du vieillissement 74 à 76. Ainsi, les biomarqueurs du vieillissement cellulaire peuvent également être utilisés comme marqueurs. Ces biomarqueurs ont été résumés dans des enquêtes récentes 77, 78. Le marqueur le plus largement utilisé est la β-galactosidase (SAβ-gal) 79 associée au vieillissement et la protéine p16 INK4A 80, 81. SAβ-gal reflète une masse accrue de 82 lysosomes, mais peut produire de faux réponse en raison de sa faible spécificité 83. SAβ-gal est un marqueur des dommages cellulaires, et p16INK4A est nécessaire pour arrêter complètement le cycle cellulaire 81.

D'autres marqueurs de cellules vieillissantes comprennent une réponse activée et soutenue aux dommages à l'ADN (voir «Réparation de l'ADN»), le raccourcissement et le dysfonctionnement des télomères (voir «Télomères») et un phénotype sécrétoire lié au vieillissement (SASP) (voir «Inflammation et communication intercellulaire» ").

Inflammation et communication intercellulaire.

Le SASP est une conséquence du vieillissement cellulaire et peut se produire dans des cellules qui sont encore métaboliquement actives et sécrètent des protéines. Les fonctions SASP autocrine et paracrine 84, 85. Les principaux composants des facteurs SASP sont des facteurs de signalisation solubles, notamment les interleukines, les chimiokines et les facteurs de croissance. Les protéines associées au SASP, telles que l'interleukine 6, le facteur de nécrose tumorale alpha, le facteur chimiotactique monocytaire 1 (MCP-1), les métalloprotéinases matricielles et les protéines de liaison à l'IGF, contribuent au vieillissement des tissus en combinaison avec l'inflammation 86.

Les catalogues SASP complets incluent également les protéases sécrétées et les protéines / composants de la matrice extracellulaire insolubles sécrétées et sont résumés par Coppé et al. 87 et dans les bases de données Reactome (http://www.reactome.org/content/detail/R-HSA-2559582).

Les molécules du groupe DAMP (fragment moléculaire associé aux dommages), telles que les protéines de choc thermique, les histones, l'amphotérine (HMGB1) et la protéine de liaison au calcium S100, constituent une classe de molécules libérées après une blessure ou la mort cellulaire 88, qui médient la réponse immunitaire. Il existe un lien entre les DAMP et d'autres signes de vieillissement; il a été examiné par Huang et al. 89.

Biomarqueurs phénotypiques du vieillissement.

Suivant les critères proposés par AFAR 3, nous classons les biomarqueurs phénotypiques vieillissants. Il est difficile pour les biomarqueurs phénotypiques de contrôler le processus moléculaire de base qui sous-tend le processus de vieillissement, nous suivons donc trois normes: un biomarqueur doit prédire le taux de vieillissement, il doit pouvoir être retesté sans nuire à la personne et il contrôle un ou plusieurs processus physiologiques.

Les fonctions physiques et l'anthropométrie sont les mesures les plus pratiques parmi les biomarqueurs phénotypiques vieillissants. À cet égard, les mesures telles que la vitesse de marche, le lever d'une chaise, l'équilibre debout, la force de compression de la main, l'indice de masse corporelle, le tour de taille et la masse musculaire sont bien connues 90. Ces mesures fonctionnelles physiques, bien que simples, peuvent être vraiment meilleures. que la méthylation de l'ADN, en termes d'attitudes envers l'état de santé dans les études démographiques 91.

92, 93. , , , , , . , 92.



- , , . , , , . , , , .

1. .

I. .

1. .
) γ-H2AX
)
) .

2. .
) CD38 CD4 +CD27 + -
) CD197 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.
)
)
)
)

: .

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