Biomarcadores moleculares e fenotípicos do envelhecimento.1. IntroduçãoPara que servem os biomarcadores de envelhecimento?
O envelhecimento é um declínio funcional fisiológico dependente do tempo que afeta a maioria dos organismos vivos. E esse processo está diretamente relacionado a alterações moleculares. É também o fator de risco mais importante para muitas doenças não transmissíveis. Por um lado, a identificação de biomarcadores envelhecidos contribuirá para a diferenciação de pessoas com a mesma idade cronológica, mas com diferentes opções de envelhecimento. Os biomarcadores quantitativos do envelhecimento também podem constituir um grupo de dimensões para o "envelhecimento saudável" e, além disso, prever a expectativa de vida.
Por outro lado, os biomarcadores envelhecidos também podem ajudar os pesquisadores a restringir a pesquisa a aspectos biológicos específicos, na tentativa de explicar os processos biológicos associados ao envelhecimento e a doenças relacionadas à idade. Aqui, examinamos os biomarcadores fenotípicos e moleculares do envelhecimento.
Os biomarcadores fenotípicos podem ser não invasivos, panorâmicos e facilmente acessíveis, enquanto os biomarcadores moleculares podem refletir alguns dos mecanismos moleculares subjacentes à idade. Esta revisão considera principalmente os resultados obtidos em estudos com seres humanos (e em alguns casos raros com animais de laboratório (camundongos) e nemátodos).
Biomarcadores Moleculares do EnvelhecimentoEsta seção baseia-se em duas análises altamente eficazes com base no envelhecimento 1, 2. Como parte dessas análises, focamos nos eventos a partir de 2013. A Federação Americana de Pesquisa sobre o Envelhecimento (AFAR) propôs os seguintes critérios para um biomarcador de envelhecimento:
(1) ele deve prever a taxa de envelhecimento;
(2) ele deve controlar o processo subjacente ao processo de envelhecimento, não as conseqüências da doença;
(3) ele deve ser capaz de passar por novo teste sem causar danos à pessoa;
(4) deve ser algo que funcione em humanos e animais de laboratório.
É improvável que existam biomarcadores que atendam a todos os critérios propostos pela AFAR 3; portanto, na parte molecular desta revisão, seguimos os dois primeiros critérios: o biomarcador deve prever a taxa de envelhecimento e controlar o processo subjacente subjacente ao envelhecimento. Para o primeiro critério, tentamos correlacionar o biomarcador com o envelhecimento; para o segundo critério, organizamos a primeira parte desta revisão de acordo com as vias moleculares que prejudicam o envelhecimento.
DNA e cromossomos.Telômeros.Os telômeros representam complexos de ribonucleoproteínas no final dos cromossomos. Eles se tornam mais curtos após cada replicação, uma vez que a telomerase, a enzima responsável por sua replicação, não é regularmente expressa nas células somáticas 4. O comprimento dos telômeros nos leucócitos está associado ao envelhecimento e ao tempo de vida de 5, além de doenças relacionadas à idade, como doenças cardiovasculares 6, 7, câncer 8 e distúrbios neurológicos 9.
Recuperação de DNA.A relação entre dano e reparo do DNA está associada ao envelhecimento pelo acúmulo de 10 células ou rearranjos genômicos 11. Mais recentemente, essa relação foi diretamente demonstrada: a indução de quebras de DNA de fita dupla no fígado de camundongos causou patologias relacionadas à idade e expressão gênica 12. A imuno-histoquímica γ-H2AX é um quantitativo estabelecido biomarcador de envelhecimento, porque H2AX é uma variante da família das proteínas histonas H2A e H2AX fosforilado, γ-H2AX é o componente inicial e essencial dos focos danificados ADN Ia.
Portanto, pode ser considerado um marcador confiável do grau de dano ao DNA 13 - 15. Marcadores séricos de dano ao DNA, incluindo peptídeo antimicrobiano relacionado à catelina (CRAMP), fator de alongamento da tradução eucariótica EF-1a, estatina, N-acetil-β-D-glucosaminidase ( NAG) e quitinase também foram descritas 16.
Deve-se notar que os fibroblastos dérmicos de doadores centenários eram menos sensíveis aos danos ao DNA causados pelo peróxido de hidrogênio do que os fibroblastos de outros doadores, mais jovens 17. Tais experimentos ex vivo também podem ser potenciais biomarcadores do envelhecimento.
Modificações epigenéticas.Alterações relacionadas à idade na estrutura da metilação do DNA, em particular como um relógio epigenético, são um dos biomarcadores mais estudados do envelhecimento 18 - 20. A análise dos perfis de metilação no sangue mostrou que apenas três locais de CpG podem prever a idade com um desvio absoluto médio da idade cronológica inferior a 5 anos 21. A relação entre idade e metilação do DNA pode ser estendida a doenças relacionadas à idade, como o diabetes 22. Para uma revisão completa da regulação epigenética do envelhecimento, consulte Sen et al. 23
RNA e transcrição.
Perfis de transcrição . Com o rápido progresso na tecnologia de sequenciamento de RNA em todo o genoma (RNA-seq), tornou-se ativamente usado no estudo e na busca de biomarcadores antigos. Lu et al. recentemente mostraram que a alteração na expressão celular medida em células T sortidas pelo seqüenciamento de RNA seq-célula de célula única juntamente com citometria de fluxo está associada ao envelhecimento e à suscetibilidade a doenças 24.
Um estudo recente usou perfis de expressão gênica de sangue total retirados de 14.983 pessoas para identificar 1.457 genes com expressão diferencial dependente da idade. E então os dados obtidos os utilizaram para calcular a “idade transcriptômica” do indivíduo, sugerindo que as assinaturas do transcriptoma podem ser usadas para medir o envelhecimento 25.
RNA não codificante.Os microRNAs (miRNAs) são uma classe de pequenos RNAs não codificantes (21 a 23 nucleotídeos) que regulam uma ampla gama de processos biológicos, incluindo o metabolismo 26 e o envelhecimento 27. Entre eles estão os miRNAs circulantes que podem ser estáveis no plasma devido à presença de exossomos ou ligação a fatores de proteínas ou lipoproteínas, o que os torna acessíveis aos biomarcadores. O miR-34a foi o primeiro miRNA circulante observado com um padrão de expressão alterado durante o envelhecimento em camundongos28.
Verificou-se que sua expressão se correlaciona com a perda auditiva relacionada à idade em camundongos e humanos.29 miR-21 foi definido como um biomarcador inflamatório em um estudo de 365 miRNAs no plasma de indivíduos saudáveis e idosos 30. Níveis de miR-151a-3p, miR-181a-5p e miR Foi relatado que o -1248 diminui significativamente com a idade em humanos, e todos os três miRNAs também mostram uma conexão com a inflamação 31. Verificou-se que o miR-126-3p se correlaciona positivamente com a idade em 136 indivíduos saudáveis de 20 a 90 anos 32.
Por expressão de GFP, Pincus et al. descobriram que os níveis de mir-71, mir-246 e mir-239 no início da idade adulta diferem nos indivíduos e predizem a expectativa de vida 33. Uma revisão recente 27 resumiu as associações de outros tipos de pequenos RNAs não codificantes circulantes, como tRNA e YRNA.
Os RNAs não codificadores longos (lncRNAs) são uma classe heterogênea de RNAs não codificadores, definidos como transcritos com mais de 200 nucleotídeos, sem quadros óbvios de leitura aberta 34. As duas últimas revisões resumem o papel dos lncRNAs no envelhecimento 35, 36. A consideração dos vários mecanismos funcionais do lncRNA está além o escopo desta revisão, e os leitores podem ler a revisão recente sobre este tópico 37; aqui listamos os lncRNAs que funcionam durante o envelhecimento. Verificou-se que o lncRNA MIR31HG é ativado no envelhecimento induzido por oncogênio e é necessário para a replicação mediada pelo grupo polcombico do locus INK4A 38.
Ocorre uma diminuição no lncRNA de AK156230 no envelhecimento replicativo, e sua queda nos fibroblastos embrionários de camundongos induz o envelhecimento por desregulação das vias de autofagia e de ciclo celular, como mostra o perfil de expressão 39. Os níveis de Meg3 aumentam durante o envelhecimento cardiovascular, bem como no envelhecimento das veias umbilicais humanas. células 40.
Metabolismo.A restrição alimentar (restrição calórica) é o meio mais conservador de aumentar a expectativa de vida, de leveduras a mamíferos. 42 Estudos indicam o principal papel do metabolismo na regulação do envelhecimento e a possibilidade de fatores metabólicos atuarem como biomarcadores.
Sensibilidade aos nutrientes.A via de sinalização de insulina / IGF-1 (IIS), que está envolvida no consumo de glicose, é a maneira mais antiga e conhecida de combater a longevidade. Paradoxalmente, o IGF-1 é reduzido em camundongos do tipo selvagem ou em modelos de camundongos com envelhecimento prematuro, enquanto o enfraquecimento da atividade do IIS aumenta a expectativa de vida 43. Tais observações levaram à inclusão potencial de elementos da via IIS, como hormônio do crescimento e IGF-1, como biomarcadores Idade 44, 45.
A proteína alvo da rapamicina em mamíferos (mTOR) depende de altas concentrações de aminoácidos. A inibição do mTOR pode prolongar a vida útil 46. Ao contrário da via IIS, a atividade do mTOR aumenta com a idade no epitélio dos ovários de humanos e camundongos, o que contribui para alterações patológicas 47. A proteína ribossômica S6 fosforilada S6 (p-S6RP ou pS6) é um alvo a jusante, bem como um conhecido um marcador da sinalização ativa mTOR 47, 48 e é um potencial biomarcador do envelhecimento, conforme indicado em um estudo sobre o envelhecimento dos ovários 47.
Diferentemente das funções IIS e mTOR, a proteína quinase ativada por 5'-adenosina monofosfato (AMP) (AMPK) e as sirtuinas são sensíveis à deficiência de nutrientes em vez de abundantes. O AMPK detecta altos níveis de AMP, enquanto as sirtuínas são sensores de altos níveis de NAD +, e ambos indicam condições associadas a uma diminuição nos estoques de energia. O aumento da atividade da AMPK com metformina, um medicamento para diabetes tipo II, pode imitar alguns dos benefícios da restrição calórica; a metformina aumentou a expectativa de vida em camundongos 49. A AMPK aumenta com a idade no músculo esquelético 50.
As sirtuínas têm a capacidade de se ligar diretamente ao metabolismo do sinal celular (via NAD +) a modificações pós-traducionais da proteína por meio de uma reação química (desacetilação da lisina). Durante o envelhecimento, o NAD + diminui 51 e a atividade das sirtuínas é suprimida 52, 53. A análise dos fibroblastos dérmicos humanos primários mostrou uma diminuição na atividade de SIRT1 e SIRT6 54. Da mesma forma, os níveis de SIRT1, SIRT3 e SIRT6 detectados por Western blotting mostraram uma diminuição significativa na ovários de camundongos velhos 55. Nas células mononucleares do sangue periférico humano, o SIRT2 também diminui com a idade de 56 anos.
Metabolismo de proteínas.A carbamilação de proteínas é uma das modificações pós-traducionais não enzimáticas que ocorrem ao longo da vida do corpo, o que leva ao acúmulo de proteínas carbamiladas no tecido 57. O que é considerado um sinal de envelhecimento molecular e está associado a doenças relacionadas à idade, como as cardiovasculares 58.
Os produtos finais de glicação avançada (AGEs) são um grupo heterogêneo de moléculas bioativas que são formadas pela glicação não enzimática de proteínas, lipídios e ácidos nucleicos 59. O acúmulo de AGE nos tecidos durante o envelhecimento leva à inflamação 60, apoptose 61, obesidade 62 e outros desvios relacionados à idade 63. A idade pode ser detectada por cromatografia líquida de alta eficiência, espectrometria de massa por cromatografia em fase gasosa e métodos imunoquímicos 64. N-glicanos são uma classe de glicoproteínas com ca por cadeias encadeadas ligadas ao nitrogênio amida da asparagina.
O espectro de glicanos ligados a N (glicogênio N) agora pode ser investigado devido ao desenvolvimento de métodos de alto desempenho. O acúmulo de glicação ligada ao N em Asn297 da porção Fc da IgG (IgG-G0) pode contribuir para o estado pró-inflamatório no envelhecimento 65.
Metabolismo lipídico.Foi estabelecido que os níveis de triglicerídeos aumentam gradualmente com a idade e, portanto, podem ser um biomarcador do envelhecimento 66. Estudos de lipídios de fígados longos e apenas idosos demonstraram que os fosfo / esfingolipídios são marcadores putativos e moduladores biológicos do envelhecimento saudável 67. No entanto, o desenho desses estudos é questionável. que eles têm um grupo de idosos como "controle do envelhecimento não saudável", que se compara a um grupo de centenários "envelhecendo com sucesso" 67, 68. Mas esses dois grupos são obviamente idades muito diferentes. Portanto, não está claro se diferenças de idade ou envelhecimento saudável contribuíram para diferenças na lipidômica.
Estresse oxidativo e mitocôndrias.Os biomarcadores do estresse oxidativo são há muito considerados uma classe de biomarcadores de envelhecimento. Os produtos de danos oxidativos às proteínas incluem o-tirosina, 3-clorotirosina e 3-nitrotirosina. A 8-iso prostaglandina F2α é um biomarcador de dano fosfolipídico. A 8-hidroxi-2'-desoxigguanosina e a 8-hidroxiguanosina mostram danos oxidativos aos ácidos nucleicos69.
A concentração desses biomarcadores nos fluidos corporais pode ser detectada usando cromatografia líquida de alta eficiência e espectrometria de massa. Shen et al. construíram uma proteína fluorescente amarela rearranjada circularmente (cpYFP) expressa na matriz mitocondrial de Caenorhabditis elegans como um sensor de estresse oxidativo e alterações metabólicas 70.
Embora os radicais livres, uma fonte de estresse oxidativo, sejam produzidos principalmente nas mitocôndrias, as mitocôndrias disfuncionais podem contribuir para o envelhecimento, independentemente das formas ativas de oxigênio. Estratégias analíticas para perfil respirométrico baseadas no sangue e músculo 71 ou fenótipos como a velocidade de caminhada de 72 estão disponíveis para medir a função mitocondrial. Os componentes extracelulares das mitocôndrias podem funcionar como moléculas relacionadas a danos (DAMPs) (consulte também “Inflamação e comunicação intercelular”). Eles induzem neuroinflamação quando introduzidos no hipocampo de camundongos 73.
Envelhecimento celular.Acredita-se que o acúmulo gradual de células em envelhecimento nos tecidos mitóticos seja um dos fatores causais do envelhecimento entre 74 e 76. Assim, biomarcadores do envelhecimento celular também podem ser utilizados como marcadores. Tais biomarcadores foram resumidos em pesquisas recentes 77, 78. O marcador mais utilizado é a β-galactosidase (SAβ-gal) 79 associada ao envelhecimento e a proteína p16 INK4A 80, 81. A SAβ-gal reflete uma massa aumentada de 82 lisossomos, mas pode produzir falsos resposta devido à sua baixa especificidade 83. SAβ-gal é um marcador de dano celular, e p16INK4A é necessário para interromper completamente o ciclo celular 81.
Outros marcadores celulares envelhecidos incluem uma resposta ativada e sustentada a danos no DNA (consulte “Reparo no DNA”), encurtamento e disfunção de telômeros (consulte “Telômeros”) e um fenótipo secretório relacionado ao envelhecimento (SASP) (consulte “Inflamação e comunicação intercelular” ").
Inflamação e comunicação intercelular.O SASP é uma conseqüência do envelhecimento celular e pode ocorrer em células que ainda são metabolicamente ativas e secretam proteínas. O SASP funciona autócrino e parácrino 84, 85. Os principais componentes dos fatores SASP são fatores de sinalização solúveis, incluindo interleucinas, quimiocinas e fatores de crescimento. Proteínas associadas ao SASP, como interleucina-6, fator de necrose tumoral alfa, fator quimiotático monocítico-1 (MCP-1), metaloproteinases da matriz e proteínas de ligação ao IGF, contribuem para o envelhecimento tecidual em combinação com a inflamação 86.
Os catálogos abrangentes do SASP também incluem proteases segregadas e proteínas / componentes da matriz extracelular insolúvel segregada e são resumidos por Coppé et al. 87 e nos bancos de dados Reactome (http://www.reactome.org/content/detail/R-HSA-2559582).
Moléculas do grupo DAMPs (fragmento molecular associado a dano), como proteínas de choque térmico, histonas, anfoterina (HMGB1) e proteína de ligação ao cálcio S100, constituem uma classe de moléculas liberadas após lesão ou morte celular 88, que mediam a resposta imune. Existe um elo entre os DAMPs e outros sinais de envelhecimento, que foi revisado por Huang et al. 89
Biomarcadores fenotípicos do envelhecimento.Seguindo os critérios propostos pelo AFAR 3, classificamos os biomarcadores fenotípicos do envelhecimento. É difícil para os biomarcadores fenotípicos controlar o processo molecular básico subjacente ao processo de envelhecimento, por isso seguimos três padrões: um biomarcador deve prever a taxa de envelhecimento, deve poder ser testado novamente sem prejudicar a pessoa e controla um ou mais processos fisiológicos.
Funções físicas e antropometria são as medidas mais práticas entre os biomarcadores fenotípicos do envelhecimento. Nesse sentido, medidas como velocidade de caminhada, levantar da cadeira, equilíbrio em pé, força de compressão da mão, índice de massa corporal, circunferência da cintura e massa muscular são bem conhecidas 90. Essas medidas da função física, embora simples, podem ser realmente melhores. da metilação do DNA, em termos de atitudes em relação ao estado de saúde em estudos populacionais 91.
Fenótipos quantitativos de características humanas externas também mostram relações significativas com o envelhecimento 92, 93. As características faciais quantitativas baseadas em imagens faciais tridimensionais, como largura da boca, largura do nariz e ângulo dos olhos, estão fortemente relacionadas à idade. De fato, imagens faciais tridimensionais podem ser usadas para quantificar a idade biológica de uma pessoa 92.Conclusão e perspectivasComo esperado, devido à natureza complexa do processo de envelhecimento, os biomarcadores de envelhecimento são multicamadas e multifacetados e consistem em uma variedade estonteante de parâmetros, resumidos abaixo. Isso, no entanto, não significa que eles sejam igualmente úteis. Devemos ressaltar que nem todos os fatores, embora possam estar envolvidos no processo perturbador do envelhecimento biológico, provaram ser úteis em termos de medição do envelhecimento humano nesta fase.Apêndice 1. Biomarcadores do envelhecimento.I. Biomarcadores moleculares.1. DNA e cromossomos.a) γ-H2AXb) comprimento do telômero de leucócitosc) metilação do DNA.2. transcrição de RNAi.a) heterogeneidade de CD38 em células T CD4 + CD27 +b) heterogeneidade de CD197 em células T CD4 + CD25 +c) microRNAs circulantes (miR-34a, miR-21, miR-126-3p, miR-151a-3p, miR-181a-5p, miR-1248)d) RNAs não codificadores longos (MIR31HG, AK156230, Meg3)3. Metabolismoa) hormônio do crescimento, insulina, IGF-1b) mTOR, pS6RPc) NAD +, SIRT1, SIRT2, SIRT3, SIRT6.d) carbamilação de proteínase) produtos finais de glicação e N-glicanose) triglicerídeos4. Estresse oxidativo e mitocôndriasa) o-tirosina, 3-clorotirosina, 3-nitrotirosina,b) 8-isoprostanoc) 8-hidroxi-2'- desoxigguanosinae) 8-hidroxiguanosina5. Envelhecimento celulara) beta-galactosidase associada ao envelhecimentob) proteína p16INK4A.6. Inflamação e comunicação intercelular.a) fenótipo secretório relacionado ao envelhecimento (SASP)II. Biomarcadores fenotípicos.1. Funções físicas e antropometriaa) velocidade de caminhada, levantar-se de uma cadeira, equilíbrio em pé, força de compressão da mão, massa muscularb) índice de massa corporal, circunferência da cintura.2. Características faciaisa) a largura da cavidade oralb) a largura do narizc) a distância da boca ao narizd) a inclinação do canto do olhoPreparado por Alexei Rzheshevsky.Fonte:Xian Xia, Weiyang Chen, Joseph McDermott e Jing-Dong Jackie Hana. Biomarcadores moleculares e fenotípicos do envelhecimento Versão 1. F1000Res. 2017; 6: 860.