Транскриптомные маркеры старения могут быть полезны для изучения возрастных процессов и заболеваний. Однако транскрипты некодирующих повторяющихся элементов (ПЭ), которые могут играть важную роль в старении, обычно игнорируются в исследованиях транскриптома, и их потенциал в качестве транскриптомного маркера старения не оценивался. Учёные из сша использовали несколько наборов данных RNA-seq, полученных из образцов человека и Caenorhabditis elegans, и обнаружили, что большинство транскриптов ПЭ (а) накапливаются прогрессивно с возрастом; (б) может быть использован для точного прогнозирования возраста; и (с) может быть хорошим маркером биологического возраста. Наблюдаемые сильные корреляции между ПЭ и старением согласуются с растущими доказательствами того, что транскрипты ПЭ непосредственно влияют на старение и болезни.
Одна особенно большая и часто игнорируемая фракция человеческого генома (> 60%) состоит из повторяющихся элементов (ПЭ). К ним относятся: транспозоны 1 и 2 типа (ретротранспозоны и транспозоны ДНК соответственно), некоторые из которых могут самостоятельно копировать и повторно вставлять в новые места; терминальные повторы (на концах ретротранспозонов); и тандемные повторы (включая последовательности, общие для центромер, хроматина и других областей структурированного генома). Большинство ПЭ хроматизированы и подавлены, но некоторые ретротранспозоны остаются активными у людей и могут участвовать в старении. Действительно, исследования на мышах и других модельных организмах показали, что активные / преносимые ПЭ, в частности, способствуют процессу старения, хотя большинство доказательств указывает на активацию ПЭ на более поздних этапах жизни (например, при старении). Потенциал ПЭ в целом в качестве транскриптомного маркера старения не был исследован (особенно у людей), но и другие сообщали об общем накоплении транскриптов ПЭ в возрастных нейродегенеративных процессах. и болезней. Данные также указывают на то, что содержание хроматина снижается с возрастом, что может увеличить общую транскрипционную доступность ПЭ. Таким образом, связанные с возрастом изменения в глобальных уровнях транскриптов ПЭ могут быть хорошим механистическим маркером старения.
Чтобы определить, увеличиваются ли транскрипты ПЭ в глобальном масштабе с возрастом, учёные сначала изучили общий набор данных РНК-секв, полученных из дермальных фибробластов 133 здоровых субъектов в возрасте от 1 до 94 лет. Используя RepEnrich, признанный канал биоинформатики, мисследователи проанализировали ПЭ и обнаружили, что транскрипты большинства основных типов ПЭ увеличиваются с возрастом (Рисунок 1а). Некоторые из этих корреляций были сильнее, когда мы разделили ПЭ на семьи, почти все из которых были положительно связаны с возрастом доноров (Рисунок 1b). Интересно, что подмножество ПЭ семей сгруппировалось / коррелировало сильнее с возрастом; мы не наблюдали какой-либо определенной закономерности среди этих элементов, но отметили, что многие из них также коррелируют между собой, что еще больше подтверждает идею о том, что глобальное выражение ПЭ увеличивается с возрастом.
Рис. 1 Связанное с возрастом накопление транскриптов ПЭ прогнозирует возраст донора в фибробластах человека. (а) Корреляции между возрастом и различными типами транскриптов ПЭ. (б) Тепловая карта, показывающая корреляции между семьями и возрастом стенограммы ПЭ. (c) Линейная регрессия, прогнозирующая фактический возраст на основе индивидуальных показателей транскриптов ПЭ (синяя пунктирная линия представляет идеальную корреляцию для прогнозируемого возраста с истинным возрастом). (d) Линейная регрессия, предсказывающая фактический возраст на основе топ-1200 генов, наиболее дифференциально выраженных при старении. (e) Подтверждение флуоресцентной гибридизации in situ транскрипта ПЭ Charlie5 в молодых и старых человеческих фибробластах. (f) Экспоненциальная картина индивидуальных уровней транскриптов ПЭ с возрастом в фибробластах человека (например, транспозон Tigger19a, ПЭ наиболее сильно коррелирует с возрастом).
Может ли глобальное увеличение количества транскриптов ПЭ быть хорошим транскриптомным маркером возраста / старения? Чтобы исследовать эту возможность, группа специолистов более тщательно изучила отдельные транскрипты ПЭ. Мы обнаружили, что> 60% из них коррелируют с возрастом даже сильнее, чем ПЭ по классам / семьям, поэтому они спросили, можем ли мы предсказать возраст по этим индивидуальным транскриптам. В оригинальном исследовании, описанном выше, авторы разработали алгоритм машинного обучения для прогнозирования возраста по стандартному транскриптому (гены и некодирующие РНК). Однако, используя только транскрипты ПЭ и линейную регрессию, мы смогли более точно предсказать возраст ( R 2 = 0,93, рис. 1c).). Эти результаты значительно распространяются на предыдущие выводы. Другие сообщили о транскриптомных признаках старения у людей и модельных организмов, но ни один из них так близко не оценил возраст (большинство R 2 ≃ 0,6–0,8). Это может быть связано с тем, что функция транскриптома, которая изменяется последовательно и в одном и том же направлении, является лучшим маркером старения, чем паттерны экспрессии генов, которые могут увеличиваться и / или уменьшаться с возрастными процессами. В соответствии с этой идеей они обнаружили, что тысячи генов по-разному экспрессируются при старении в одном и том же наборе данных (рис. S1).), но даже если мы использовали наш тот же регрессионный подход для прогнозирования возраста на основе генов, наиболее отличающихся по возрасту, мы смогли достичь только R 2 = 0,83 (рис. 1d).
Важно отметить, что анализ ПЭ в данных RNA-seq по своей сути сложен и подвержен артефактам из-за множества копий ПЭ и их различных положений в геноме. Различные программы используют различные вычислительные подходы для решения этих проблем. Поэтому мы повторили наши вышеупомянутые анализы, используя TEtranscripts и SQuIRE, два других источника информации для обнаружения ПЭ в данных RNA-seq. В поддержку наших выводов мы достигли очень похожих результатов с обеими этими программами (Рисунок S1). Тем не менее, чтобы дополнительно подтвердить эти вычислительные анализы, мы получили несколько таких же биобанкованных фибробластов, на которых основаны эти данные RNA-seq, и мы провели флуоресцентную гибридизацию РНК in situ (RNA-FISH) для транскрипта Charlie5 (транспозон ДНК) который, по сообщениям, не активен, но сильно коррелирует с возрастом и достаточно велик для FISH). Мы обнаружили очень слабый сигнал Charlie5 FISH в молодых фибробластах, но заметное накопление этого транскрипта ПЭ в старых клетках (Виг. 1e). Интересно, что мы также отметили, что многие возрастные увеличения отдельных транскриптов ПЭ могут соответствовать экспоненциальной модели (рисунок 1f). Это может быть важным наблюдением, потому что маркеры биологического возраста (клеточное / организменное здоровье в сравнении с хронологическим возрастом в годах) можно ожидать по нелинейной траектории, отражающей риск смертности при старении (например, экспоненциальная модель или модель Гомперца).
Будущие исследования необходимы, чтобы определить, действительно ли возрастные транскрипты ПЭ отражают биологический возраст. Однако, чтобы обеспечить начальное понимание, учёные изучили данные РНК-секвера по фибробластам от пациентов с синдромом прогерисии Хатчинсона-Гилфорда (HGPS, синдром преждевременного старения) во вторичном наборе данных из исследования, описанного выше. Используя источник RepEnrich, который был наиболее чувствительным к ПЭ / возрастным тенденциям в первых анализах, мы обнаружили заметное увеличение транскриптов ПЭ с HGPS (рис. 2а), и наша регрессионная модель также предсказала, что эти пациенты с прогерией были в 3 раза старше, чем возрастные контроли. Этот факт предполагает, что экспрессия ПЭ может отражать биологический возраст. Однако подтверждение этого потребует дополнительного / будущего тестирования. Были доступны наборы данных RNA-seq о старении в фибробластах человека, и мы отмечаем, что на данные RNA-seq могут влиять многие технические факторы (например, методы подготовки библиотек), поэтому для разных наборов данных могут потребоваться разные модели регрессии / прогнозирования. В частности, в контексте HGPS наши результаты также могут быть связаны с дефектами хроматина, связанными с заболеванием. Поэтому мы затем спросили, наблюдается ли подобное возрастное увеличение ПЭ в классических органических моделях старения. Мы проанализировали набор данных RNA-seq о старении у C. elegans и обнаружили прогрессивное возрастное увеличение количества транскриптов ПЭ (рис. 2b), и они подтвердили, что это наблюдение в нечеловеческой модели воспроизводимо. Используя TEtranscripts (рисунок S1). Взятые вместе, эти результаты предполагают, что глобальная дисрегуляция транскриптов ПЭ действительно может быть ключом к консервативному механизму старения.
Рис. 2 ПЭ транскрипты могут быть транскриптомным маркером биологического возраста / старения. (a) График MA, показывающий связанное с прогерией увеличение транскриптов ПЭ (красные точки данных FDR <0,1) и прогнозы возраста, основанные на экспрессии ПЭ в фибробластах от сопоставимых по возрасту контролей и пациентов с прогеризацией Хатчинсона-Гилфорда (n = 10 на группу, * p <0.01 против контроля). (б) Графики MA, показывающие прогрессивное увеличение транскриптов ПЭ со старением у C. elegans (n = 3 на группу, красные точки данных FDR <0,1). (c) Процент транскриптов ПЭ по основным типам увеличился и уменьшился в фибробластах человека от пожилых (в возрасте 60–67 лет) по сравнению с молодыми (в возрасте 18–25 лет) донорами (n = 9 на группу, * p <.05). (d) Процент транскриптов ПЭ по основным типам увеличивался или уменьшался при воздействии ультрафиолетового излучения на фибробласты человека от доноров младшего и старшего возраста (n = 9 на группу, * p <0,05).
Наконец, для дальнейшего обоснования этих результатов и изучения возможности того, что экспрессия ПЭ может отражать биологический возраст, они проанализировали транскрипты ПЭ в дополнительном наборе данных фибробластов человека, включая клетки ягодиц и плеча (не подвергшиеся воздействию солнечного света) здоровых молодых и пожилых людей с использованием RepEnrich. Эти данные основаны на выбранных Poly(A)-библиотеках, которые могут не захватывать много ПЭ. Тем не менее, в соответствии с более ранними результатами, исследователи обнаружили, что транскрипты от основных типов ПЭ были увеличены в фибробластах от более старых и молодых субъектов (Фиг. 2c). Они также обнаружили, что транскрипты ПЭ были выше в образцах, полученных из плеч, и этот эффект был более выраженным у молодых людей (Рисунок 2d). Интересно, что авторы оригинального исследования не обнаружили сильных эффектов старения на стандартном транскриптоме. Таким образом, эти данные дополнительно демонстрируют, что глобальное возрастное увеличение транскриптов ПЭ происходит последовательно, воспроизводимо обнаруживается в разных наборах данных и может быть более чувствительным транскриптомным маркером старения, чем экспрессия генов. Они также предоставляют дополнительные доказательства того, что накопление транскриптов ПЭ может отражать биологический возраст (Потому что воздействие ультрафиолета может увеличить биологический возраст, но не ожидается, что оно напрямую повлияет на ПЭ).
Настоящие результаты могут быть важным дополнением к современному пониманию ПЭ в процессе старения. ДЭ-репрессия была задокументирована в стареющих клетках, а транскрипты ПЭ были вовлечены в воспаление и окислительный стресс, два ключевых фактора старения и болезни. Механизмы, с помощью которых транскрипты ПЭ стимулируют эти процессы, неясны, но могут включать активацию врожденных иммунных реакций. Например, недавние сообщения показывают, что специфические переносимые ПЭ (например, LINE) становятся активными при старении и способствуют воспалению, связанному со старением, а подавление активности LINE оказывает антивозрастное действие. Это важная область исследований, поскольку активные ПЭ могут быть особенно вредными для клетки - и в этом контексте могут быть полезны источники биоинформатики, которые обнаруживают их в данных RNA-seq. Однако в наших данных мы отметили, что активные / переносимые ПЭ (например, L1Hs) не коррелируют лучше, чем другие ПЭ с возрастом. Кроме того, увеличение экспрессии предположительно неактивного ПЭ, которое мы наблюдали (например, Charlie5), указывает на более базовую дисрегуляцию ПЭ клеткой. Наши данные свидетельствуют о том, что прогрессирующая глобальная дисрегуляция транскриптов ПЭ (т.е. не только активный / переносимый ПЭ в старении) может быть: (a) ключом к важному механизму и / или следствию старения; (б) маркер биологического возраста; и (с) новая тераевтическая мишень. Дальнейшие исследования необходимы, чтобы определить, как глобальное увеличение транскриптов ПЭ может способствовать старению как таковое, и может ли это быть целью in vivo.
Одно из возможных, терапевтически значимых объяснений наших выводов заключается в том, что возрастные изменения хроматина могут способствовать транскрипции ПЭ. Действительно, старение связано с истощением хроматин-организующих гистоновых белков и снижением эпигенетического / гистонового содержания. Кроме того, подавление связанных с возрастом изменений хроматина увеличивает продолжительность жизни модельных организмов, и многие антивозрастные вмешательства связаны с длительными изменениями хроматина. Альтернативная возможность состоит в том, что накопление транскрипта ПЭ во время старения является результатом снижения деградации транскрипта, что согласуется с наблюдением, что большинство путей рециркуляции клеток (например, аутофагия) снижаются со старением. Это тоже может быть перспективным направлением для дальнейшего изучения.
В более широком смысле, эти результаты могут быть полезны для тех, кто интересуется транскриптомными маркерами возраста / старения. Классические геномные маркеры, такие как длина теломер и эпигенетические часы, были полезны для изучения возраста и факторов, ускоряющих старение во многих условиях. Вопрос о том, являются ли транскрипты ПЭ добросовестным транскриптомным биомаркером биологического старения, еще предстоит определить, и может потребоваться разработка измерения транскриптов ПЭ, которое можно воспроизводить в различных исследованиях (например, общее количество транскриптов ПЭ), чтобы проверить эту идею. В любом случае, основываясь на существующих данных и наших текущих результатах в нескольких наборах данных и моделях, мы предполагаем, что увеличение экспрессии ПЭ будет связано с другими моделями и заболеваниями старения в ближайшем будущем.
Источник: Wiley Online Library
