Biomarker molekuler dan fenotipik penuaan.PendahuluanApa gunanya biomarker penuaan?
Penuaan adalah penurunan fungsional fisiologis tergantung waktu yang mempengaruhi sebagian besar organisme hidup. Dan proses ini berhubungan langsung dengan perubahan molekuler. Ini juga merupakan faktor risiko terpenting bagi banyak penyakit tidak menular. Di satu sisi, identifikasi biomarker yang menua akan berkontribusi pada diferensiasi orang dengan usia kronologis yang sama, tetapi opsi penuaan yang berbeda. Biomarker kuantitatif penuaan juga dapat membentuk sekelompok dimensi untuk "penuaan sehat" dan, di samping itu, memprediksi harapan hidup.
Di sisi lain, biomarker penuaan juga dapat membantu para peneliti mempersempit penelitian pada aspek biologis tertentu dalam upaya untuk menjelaskan proses biologis yang terkait dengan penuaan dan penyakit yang berkaitan dengan usia. Di sini kita melihat biomarker fenotipik dan molekuler penuaan.
Biomarker fenotipik dapat bersifat non-invasif, panorama, dan mudah diakses, sedangkan biomarker molekuler dapat mencerminkan beberapa mekanisme molekuler yang mendasari status usia. Ulasan ini terutama mempertimbangkan hasil yang diperoleh dalam studi dengan manusia (dan dalam beberapa kasus yang jarang terjadi dengan hewan laboratorium (tikus) dan nematoda).
Biomarker Penuaan dari MolekulBagian ini didasarkan pada dua ulasan yang sangat efektif berdasarkan penuaan 1, 2. Sebagai bagian dari ulasan ini, kami fokus pada acara yang dimulai pada tahun 2013. Federasi Penelitian Penuaan Amerika (AFAR) telah mengusulkan kriteria berikut untuk biomarker yang menua:
(1) ia harus memprediksi tingkat penuaan;
(2) ia harus mengendalikan proses yang mendasarinya yang mendasari proses penuaan, bukan konsekuensi dari penyakit;
(3) ia harus dapat menjalani pengujian ulang tanpa membahayakan orang tersebut;
(4) itu pasti sesuatu yang bekerja pada manusia dan hewan laboratorium.
Biomarker yang memenuhi semua kriteria yang diusulkan oleh AFAR tidak mungkin ada 3, jadi pada bagian molekuler dari tinjauan ini kami mengikuti dua kriteria pertama: biomarker harus memprediksi tingkat penuaan dan harus mengontrol proses dasar yang mendasari penuaan. Untuk kriteria pertama, kami mencoba membuat biomarker berkorelasi dengan penuaan; untuk kriteria kedua, kami mengatur bagian pertama dari tinjauan ini sesuai dengan jalur molekuler yang merusak penuaan.
DNA dan kromosom.Telomeres.Telomer mewakili kompleks ribonukleoprotein di ujung kromosom. Mereka menjadi lebih pendek setelah setiap replikasi, karena telomerase, enzim yang bertanggung jawab untuk replikasi mereka, tidak secara teratur diekspresikan dalam sel somatik 4. Panjang telomer dalam leukosit dikaitkan dengan penuaan dan umur 5, serta penyakit terkait usia seperti penyakit kardiovaskular. 6, 7, kanker 8 dan gangguan neurologis 9.
Pemulihan DNA.Hubungan antara kerusakan dan perbaikan DNA dikaitkan dengan penuaan oleh akumulasi penuaan 10 sel atau penataan ulang genom 11. Lebih baru-baru ini, hubungan ini telah ditunjukkan secara langsung: induksi kerusakan DNA untai ganda pada hati tikus menyebabkan patologi terkait usia dan ekspresi gen 12. Imunohistokimia dari γ-H2AX adalah kuantitatif yang mapan. penuaan biomarker, karena H2AX adalah varian dari keluarga protein histone H2A, dan H2AX terfosforilasi, γ-H2AX adalah komponen awal dan penting dari fokus lesi. DNA Ia.
Oleh karena itu, dapat dianggap sebagai penanda yang dapat diandalkan dari tingkat kerusakan DNA 13 - 15. Penanda serum kerusakan DNA, termasuk antimikroba peptida terkait (CRAMP), faktor perpanjangan terjemahan eukariotik EF-1a, statin, N-asetil-β-D-glucosaminidase ( NAG) dan kitinase juga telah dijelaskan 16.
Perlu dicatat bahwa fibroblas kulit dari donor seratus tahun kurang sensitif terhadap kerusakan DNA yang disebabkan oleh hidrogen peroksida dibandingkan fibroblas dari donor lain, lebih muda 17. Percobaan ex vivo semacam itu juga dapat menjadi penanda biologis potensial penuaan.
Modifikasi epigenetik.Perubahan terkait usia dalam struktur metilasi DNA, khususnya, sebagai jam epigenetik, adalah salah satu biomarker yang paling banyak dipelajari dari penuaan 18 - 20. Analisis profil metilasi darah menunjukkan bahwa hanya tiga situs CpG yang dapat memprediksi usia dengan simpangan absolut rata-rata dari usia kronologis kurang dari 5. tahun 21. Hubungan antara usia dan metilasi DNA dapat diperluas ke penyakit yang berkaitan dengan usia seperti diabetes 22. Untuk ulasan lengkap tentang regulasi penuaan epigenetik, lihat Sen et al. 23.
RNA dan transkrip.
Profil Transkrip . Dengan kemajuan pesat dalam teknologi sekuensing RNA genom-lebar (RNA-seq), telah secara aktif digunakan dalam studi dan mencari biomarker penuaan. Lu et al. baru-baru ini menunjukkan bahwa perubahan dalam ekspresi sel yang diukur dalam berbagai sel T oleh sel tunggal RNA-seq RNA yang diurutkan bersama dengan flow cytometry dikaitkan dengan penuaan dan kerentanan penyakit 24.
Sebuah studi baru-baru ini menggunakan profil ekspresi gen dari seluruh darah yang diambil dari 14.983 orang untuk mengidentifikasi 1.457 gen dengan ekspresi diferensial yang bergantung pada usia. Dan kemudian data yang diperoleh menggunakannya untuk menghitung "usia transkriptomik" dari individu, menunjukkan bahwa tanda tangan transkriptome dapat digunakan untuk mengukur penuaan 25.
Non-coding RNA.MicroRNAs (miRNAs) adalah kelas RNA non-coding kecil (21 hingga 23 nukleotida) yang mengatur berbagai proses biologis, termasuk metabolisme 26 dan penuaan 27. Di antaranya adalah miRNA yang beredar yang dapat stabil dalam plasma karena berada dalam eksosom atau mengikat faktor protein atau lipoprotein, yang membuatnya dapat diakses oleh biomarker. miR-34a adalah miRNA bersirkulasi pertama yang diamati dengan pola ekspresi yang berubah selama penuaan pada tikus28.
Ditemukan bahwa ekspresinya berkorelasi dengan gangguan pendengaran terkait usia pada tikus dan manusia. 29. miR-21 didefinisikan sebagai biomarker inflamasi dalam penelitian 365 miRNAs dalam plasma orang sehat dan tua 30. Tingkat miR-151a-3p, miR-181a-5p dan miR -1248 telah dilaporkan menurun secara signifikan dengan bertambahnya usia pada manusia, dan ketiga miRNA juga menunjukkan hubungan dengan peradangan 31. Ditemukan bahwa miR-126-3p berkorelasi positif dengan usia pada 136 subjek sehat dari 20 hingga 90 tahun 32.
Dengan ekspresi GFP, Pincus et al. menemukan bahwa kadar mir-71, mir-246, dan mir-239 pada awal masa dewasa berbeda pada masing-masing individu dan memprediksi usia harapan hidup 33. Sebuah ulasan baru-baru ini merangkum hubungan-hubungan jenis RNA kecil non-coding yang bersirkulasi, seperti tRNA dan YRNA.
Long non-coding RNAs (lncRNAs) adalah kelas heterogen dari RNA non-coding yang didefinisikan sebagai transkrip lebih dari 200 nukleotida tanpa bingkai pembacaan terbuka yang jelas 34. Dua ulasan terakhir merangkum peran lncRNA dalam penuaan 35, 36. Pertimbangan dari berbagai mekanisme fungsional lncRNA berada di luar ruang lingkup ulasan ini, dan pembaca dapat membaca ulasan terbaru tentang topik ini 37; di sini kami daftar lncRNAs yang berfungsi selama penuaan. Ditemukan bahwa lncRNA MIR31HG diaktifkan pada penuaan yang diinduksi onkogen dan diperlukan untuk replikasi yang dimediasi oleh kelompok polikomik dari lokus INK4A 38.
Penurunan AK156230 lRRNA terjadi pada penuaan replikasi, dan penurunannya pada fibroblas embrionik tikus menginduksi penuaan melalui disregulasi jalur autophagy dan siklus sel, seperti yang ditunjukkan oleh profil ekspresi 39. Level Meg3 meningkat selama penuaan kardiovaskular, serta pada penuaan vena umbilikal manusia sel 40.
Metabolisme.Pembatasan diet (pembatasan kalori) adalah cara paling konservatif untuk meningkatkan harapan hidup, dari ragi ke mamalia. 42 Studi menunjukkan peran utama metabolisme dalam pengaturan penuaan dan kemungkinan faktor metabolisme bertindak sebagai biomarker.
Sensitivitas terhadap nutrisi.Jalur pensinyalan insulin / IGF-1 (IIS), yang terlibat dalam konsumsi glukosa, adalah cara yang paling awal ditemukan dan paling terkenal untuk menangkal umur panjang. Paradoksnya, IGF-1 berkurang pada tikus tipe liar atau tikus model penuaan dini, sementara melemahnya aktivitas IIS meningkatkan harapan hidup 43. Pengamatan tersebut telah menyebabkan potensi masuknya unsur-unsur jalur IIS, seperti hormon pertumbuhan dan IGF-1, sebagai biomarker Umur 44, 45.
Protein target mamalia rapamycin (mTOR) tergantung pada konsentrasi asam amino yang tinggi. Penghambatan mTOR dapat memperpanjang umur 46. Berbeda dengan jalur IIS, aktivitas mTOR meningkat dengan bertambahnya usia dalam epitel ovarium manusia dan tikus, yang berkontribusi terhadap perubahan patologis 47. Protein ribosom terfosforilasi S6 (p-S6RP atau pS6) adalah target hilir, serta diketahui penanda pensinyalan aktif mTOR 47, 48, dan merupakan biomarker potensial dari penuaan, seperti yang ditunjukkan dalam studi penuaan ovarium 47.
Tidak seperti fungsi IIS dan mTOR, protein kinase (AMP) yang diaktifkan-5'-adenosin monofosfat (AMPK) dan sirtuin lebih sensitif terhadap defisiensi nutrisi daripada berlimpah. AMPK mendeteksi tingkat tinggi AMP, sementara sirtuins adalah sensor tingkat tinggi NAD +, dan keduanya menunjukkan kondisi yang terkait dengan penurunan cadangan energi. Peningkatan aktivitas AMPK dengan metformin, obat untuk diabetes tipe II, dapat meniru beberapa manfaat pembatasan kalori, metformin meningkatkan harapan hidup pada tikus 49. AMPK meningkat seiring bertambahnya usia pada otot rangka 50.
Sirtuins memiliki kemampuan untuk secara langsung mengikat metabolisme sinyal seluler (melalui NAD +) ke modifikasi pasca-translasi protein melalui reaksi kimia (lisin deasetilasi). Selama penuaan, NAD + berkurang 51, dan aktivitas sirtuin ditekan 52, 53. Analisis fibroblast kulit manusia primer menunjukkan penurunan aktivitas SIRT1 dan SIRT6 54. Demikian pula, kadar SIRT1, SIRT3 dan SIRT6 yang terdeteksi oleh Western blotting menunjukkan penurunan yang signifikan pada ovarium tikus tua 55. Dalam sel mononuklear dari darah tepi manusia, SIRT2 juga menurun dengan usia 56.
Metabolisme protein.Karbamilasi protein adalah salah satu modifikasi pasca-translasi non-enzimatik yang terjadi sepanjang kehidupan tubuh, yang mengarah pada akumulasi jaringan protein karbamatilasi 57. Apa yang dianggap sebagai tanda penuaan molekul dan dikaitkan dengan penyakit yang berkaitan dengan usia, seperti kardiovaskular 58.
Produk akhir glikasi lanjut (AGEs) adalah kelompok heterogen dari molekul bioaktif yang dibentuk oleh glikasi non-enzimatik protein, lipid dan asam nukleat 59. Akumulasi AGE dalam jaringan selama penuaan menyebabkan peradangan 60, apoptosis 61, obesitas 62 dan penyimpangan terkait usia lainnya 63 AGE dapat dideteksi dengan kromatografi cair kinerja tinggi, kromatografi gas-spektrometri massa dan metode imunokimia 64. N-glikans adalah kelas glikoprotein dengan oleh rantai dirantai terikat dengan amida nitrogen asparagin.
Spektrum glycans N-linked (N-glycome) sekarang dapat diselidiki karena pengembangan metode kinerja tinggi. Akumulasi glikasi terkait-N dalam Asn297 dari bagian Fc dari IgG (IgG-G0) dapat berkontribusi pada status pro-inflamasi pada penuaan 65.
Metabolisme lipid.Telah ditetapkan bahwa kadar trigliserida secara bertahap meningkat dengan bertambahnya usia dan, oleh karena itu, dapat menjadi biomarker penuaan 66. Studi lipid berumur panjang dan hanya orang lanjut usia telah menunjukkan bahwa fosf / sphingolipid adalah penanda yang diduga dan modulator biologis penuaan sehat 67. Namun, desain penelitian ini dipertanyakan bahwa mereka memiliki sekelompok orang yang lebih tua sebagai "kontrol penuaan yang tidak sehat," yang dibandingkan dengan kelompok "centenarians" yang berhasil menua "67, 68. Tetapi kedua kelompok ini jelas usia yang sangat berbeda. Oleh karena itu, tidak jelas apakah perbedaan usia atau penuaan yang sehat berkontribusi pada perbedaan lipidomik.
Stres oksidatif dan mitokondria.Biomarker stres oksidatif telah lama dianggap sebagai kelas biomarker penuaan. Produk-produk kerusakan oksidatif protein termasuk o-tirosin, 3-klorotirosin dan 3-nitrotyrosin. 8-iso prostaglandin F 2α adalah biomarker kerusakan fosfolipid. 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine dan 8-hydroxyguanosine menunjukkan kerusakan oksidatif pada asam nukleat69.
Konsentrasi biomarker ini dalam cairan tubuh dapat dideteksi menggunakan kromatografi cair kinerja tinggi dan spektrometri massa. Shen et al. membangun protein fluorescent kuning yang disusun ulang secara sirkuler (cpYFP) yang dinyatakan dalam matriks mitokondria dari Caenorhabditis elegans sebagai sensor stres oksidatif dan perubahan metabolisme 70.
Meskipun radikal bebas, sumber stres oksidatif, sebagian besar diproduksi di mitokondria, mitokondria disfungsional dapat berkontribusi terhadap penuaan terlepas dari bentuk aktif oksigen. Strategi analitik untuk profil respirometrik berdasarkan darah dan otot 71 atau fenotipe seperti 72 kecepatan berjalan tersedia untuk mengukur fungsi mitokondria. Komponen ekstraseluler mitokondria dapat berfungsi sebagai molekul terkait kerusakan (DAMP) (lihat juga "Peradangan dan komunikasi antar sel"). Mereka menginduksi peradangan saraf ketika dimasukkan ke dalam hippocampus tikus 73.
Penuaan sel.Diyakini bahwa akumulasi bertahap dari penuaan sel-sel dalam jaringan mitosis adalah salah satu faktor penyebab penuaan 74-76. Dengan demikian, biomarker penuaan sel juga dapat digunakan sebagai penanda. Biomarker tersebut telah diringkas dalam survei terbaru 77, 78. Penanda yang paling banyak digunakan adalah β-galactosidase (SAβ-gal) 79 dan protein p16 INK4A 80, 81 yang terkait dengan penuaan. SAβ-gal mencerminkan peningkatan massa 82 lisosom, tetapi dapat menghasilkan palsu respons karena spesifisitasnya yang rendah 83. SAβ-gal adalah penanda kerusakan sel, dan p16INK4A diperlukan untuk sepenuhnya menghentikan siklus sel 81.
Penanda sel penuaan lainnya termasuk respons yang diaktifkan dan berkelanjutan terhadap kerusakan DNA (lihat “perbaikan DNA”), pemendekan dan disfungsi telomer (lihat “Telomer”), dan fenotipe sekretori terkait terkait (SASP) (lihat “Peradangan dan komunikasi antar sel”) ").
Peradangan dan komunikasi antar sel.SASP adalah konsekuensi dari penuaan sel dan dapat terjadi pada sel yang masih aktif secara metabolik dan mengeluarkan protein. Fungsi SASP autokrin dan paracrine 84, 85. Komponen utama faktor SASP adalah faktor pensinyalan terlarut, termasuk interleukin, kemokin, dan faktor pertumbuhan. Protein yang berhubungan dengan SASP, seperti interleukin-6, tumor necrosis factor-alpha, faktor kemotaktik monocytic-1 (MCP-1), matrix metalloproteinases dan protein pengikat IGF, berkontribusi terhadap penuaan jaringan dalam kombinasi dengan peradangan 86.
Katalog SASP yang komprehensif juga mencakup protease yang disekresikan dan protein / komponen matriks ekstraseluler yang tidak larut yang disekresikan dan dirangkum oleh Coppé et al. 87 dan dalam database Reactome (http://www.reactome.org/content/detail/R-HSA-2559582).
Molekul kelompok DAMPs (fragmen molekul yang terkait dengan kerusakan), seperti protein sengatan panas, histones, amfoterin (HMGB1), dan protein pengikat kalsium S100, merupakan kelas molekul yang dilepaskan setelah cedera atau kematian sel 88, yang memediasi respons imun. Ada hubungan antara DAMPs dan tanda-tanda penuaan lainnya, telah diulas oleh Huang et al. 89.
Biomarker fenotipik penuaan.Mengikuti kriteria yang diusulkan oleh AFAR 3, kami mengklasifikasikan biomarker penuaan fenotipik. Sulit bagi biomarker fenotipik untuk mengontrol proses molekuler dasar yang mendasari proses penuaan, jadi kami mengikuti tiga standar: seorang biomarker harus memperkirakan laju penuaan, ia harus dapat diuji ulang tanpa merugikan orang tersebut, dan ia mengontrol satu atau lebih proses fisiologis.
Fungsi fisik dan antropometri adalah pengukuran paling praktis di antara biomarker penuaan fenotipik. Dalam hal ini, pengukuran seperti kecepatan berjalan, bangun dari kursi, keseimbangan berdiri, kekuatan kompresi tangan, indeks massa tubuh, lingkar pinggang dan massa otot sudah diketahui 90. Pengukuran fungsional fisik ini, meskipun sederhana, dapat benar-benar lebih baik. dari metilasi DNA, dalam hal sikap terhadap status kesehatan dalam studi populasi 91.
Fenotip kuantitatif fitur manusia eksternal juga menunjukkan hubungan yang signifikan dengan penuaan 92, 93. Fitur wajah kuantitatif berdasarkan gambar wajah tiga dimensi, seperti lebar mulut, lebar hidung, dan sudut mata, sangat terkait dengan usia. Bahkan, gambar wajah tiga dimensi dapat digunakan untuk mengukur usia biologis seseorang 92.Kesimpulan dan perspektifSeperti yang diharapkan karena sifat kompleks dari proses penuaan, biomarker penuaan adalah berlapis-lapis dan beragam dan terdiri dari serangkaian parameter yang memusingkan, yang dirangkum di bawah ini. Namun, ini tidak berarti bahwa keduanya sama-sama bermanfaat. Kita harus menunjukkan bahwa tidak semua faktor, meskipun mereka mungkin terlibat dalam proses penuaan biologis yang mengganggu, telah terbukti bermanfaat dalam hal mengukur penuaan manusia pada tahap ini.Lampiran 1. Biomarker penuaan.I. Biomarker molekuler.1. DNA dan kromosom.a) γ-H2AXb) panjang telomer leukositc) metilasi DNA.2. Transkripsi RNAi.a) heterogenitas CD38 dalam CD4 + CD27 + sel Tb) heterogenitas CD197 dalam CD4 + CD25 + sel Tc) mikroRNA sirkulasi (miR-34a, miR-21, miR-126-3p, miR-151a-3p, miR-181a-5p, miR-1248)d) RNA non-coding yang panjang (MIR31HG, AK156230, Meg3)3. Metabolismea) hormon pertumbuhan, insulin, IGF-1b) mTOR, pS6RPc) NAD +, SIRT1, SIRT2, SIRT3, SIRT6.d) karbamilasi proteine) produk akhir glikasi dan N-glikanse) trigliserida4. Stres oksidatif dan mitokondriaa) o-tirosin, 3-klorotirosin, 3-nitrotrosin,b) 8-isoprostanec) 8-hidroksi-2'- deoxyguanosined) 8-hydroxyguanosine5. Penuaan sela) beta-galactosidase yang terkait dengan penuaanb) protein p16INK4A.6. Peradangan dan komunikasi antar sel.a) fenotip sekretori terkait-penuaan (SASP)II. Biomarker fenotipik.1. Fungsi fisik dan antropometria) kecepatan berjalan, bangun dari kursi, keseimbangan berdiri, kekuatan kompresi tangan, massa ototb) indeks massa tubuh, lingkar pinggang.2. Fitur wajaha) lebar rongga mulutb) lebar hidungc) jarak dari mulut ke hidungd) kemiringan sudut mataDisiapkan oleh Alexei Rzheshevsky.Sumber:Xian Xia, Weiyang Chen, Joseph McDermott, dan Jing-Dong Jackie Hana. Biomarker molekuler dan fenotipik dari penuaan Versi 1. F1000Res. 2017; 6: 860.