Метилирование ДНК — присоединение метильной группы к цитозину, обычно в составе CpG-динуклеотида, или ее удаление, — регулирует активность генов. С возрастом регулировка самого метилирования нарушается, в результате происходят изменения в экспрессии генов, связанные со снижением функции органов и повышением восприимчивости к заболеваниям.
Международная группа исследователей провела метаанализ метиломов более 15 000 образцов 17 человеческих тканей, взятых у взрослых людей. Это дает наиболее полную на сегодняшний день картину того, как связано старение с метилированием (и экспрессией генов). Препринт статьи опубликован на Research Square. Среди ее авторов — создатель концепции эпигенетических часов Стив Хорват, Вадим Гладышев и многие другие специалисты в данной области.
Исследователи картировали изменения метилирования в 900 000 участков ДНК. «У нас были примеры людей в возрасте от 18 до 100 лет», — говорит первый автор статьи Нир Эйнон из Университета Монаша в Мельбурне. (В работе 2023 года, где он был последним автором, показано, что физические упражнения ассоциированы с более «молодыми» паттернами метилирования в скелетных мышцах человека.) Созданный по результатам исследования атлас эпигенетических маркеров, связанных с возрастом, размещен в открытом доступе.
«Зафиксированы множественные слои динамики метилирования — дифференциальное метилирование, вариабельность и энтропия», пишут авторы. Изменения в метилировании делятся на две группы — дифференциально метилированные позиции (ДМП), которые с возрастом изменяются предсказуемым образом у разных людей, и вариабельно метилированные позциии (ВМП), более разнообразные по статусу метилирования, но имеющие тенденцию к возрастному повышению его частоты. Фактически один и тот же сайт может относиться к обеим группам: например, двое людей могут иметь общую ДМП, но при этом различаться по стабильности метилирования данного участка и по его статусу в разных тканях. Наконец, есть и полностью случайные изменения, сайты, метилирование которых характеризуется шенноновской энтропией. Это наложение закономерных и случайных изменений изучено недостаточно, тем более, что чаще всего определяется метилом крови, а не других, менее доступных тканей.
Авторы установили, что средний уровень метилирования варьирует в разных органах: 35% в шейке матки, 48% в коже, 51% в мышцах, 53% в сердце, 57% в желудке и 63% в сетчатке. Связанные с возрастом ВПМ в тканях встречаются намного реже, чем ДМП; первые обнаружены в небольшом количестве только в мозге, буккальных мазках, шейке матки, легких и коже и продемонстрировали высокую тканеспецифичность.
С возрастом практически во всех тканях уровень метилирования ДНК повышается (а метилирование, как правило, подавляет активность генов). Исключение составляют скелетные мышцы и легкие, в которых наблюдается потеря метилирования. Тенденция к гиперметилированию и, вероятно, глобальному сайленсингу генов в разных тканях более выражена, чем стохастические изменения, отмечают авторы.
В мозге, печени, легких, скелетных мышцах и коже обнаружено значительное количество возрастных ДМП, что может указывать на реконфигурацию метилома или его уязвимость. В почках, предстательной железе, прямой кишке и желудке их, напротив, было мало, но авторы отмечают, что причиной может быть как стабильность эпигенетического ландшафта, так и недостаточный размер выборки. В разных органах паттерны старения отличаются, но перекрывания между ними указывают и на общие механизмы старения, характерные для всех типов тканей.
Метилирование некоторых генов оказались мощными биологическими маркерами старения в различных тканях. К ним относятся регуляторы развития HDAC4 и HOX, связь которых с возрастными изменениями известна, а также MEST, ассоциированный с диабетом и ожирением.
В разных тканях и органах старению сопутствует высокий уровень метилирования генов семейства протокадгерина гамма (PCDHG). Протокадгерины — белки клеточной адгезии, они обеспечивают как физическое взаимодействие клеток, так и внутриклеточную передачу сигналов. Протокадгерины, играет важную роль в поддержании структурной и сигнальной стабильности тканей и в организации синапсов. В других исследованиях было установлено, что гиперметилирование генов PCDHG связано с уменьшением объема белого вещества мозга.
Некоторые другие CpG, например, в генах ELOVL2, KLF14, FHL2, TBR1 и TRIM59, идентифицированных как биомаркеры старения в отдельных тканях, также оказались пантканевыми маркерами старения.
Результаты позволяют сделать вывод, что старение характеризуется не только стохастическими нарушениями метилирования — ремоделирование метилома происходит системно, тканеспефицически и зачастую направленно. Оно затрагивает пути, вовлеченные в развитие клеток и тканей, структуру синапсов нейронов, целостность цитоскелета и иммунную регуляцию.
Авторы статьи изучают функциональную значимость метилирования при возрастных изменениях, а не просто рассматривают его в качестве индикатора старения, как в эпигенетических часах. Подавляющее большинство выявленных изменений метилирования, судя по функции генов, способствует возрастным разрушениям, но некоторые могут и смягчать их. Затронутые ими механизмы могут быть целями для терапевтических вмешательств, например, биосинтез NAD⁺ через путь утилизации никотинамидрибозида. Известно. что метаболизм NAD⁺ важен для здорового старения и долголетия, снижение уровня NAD⁺ ассоциировано с митохондриальной дисфункцией и усилением повреждения ДНК, а его восстановление, в том числе с помощью никотинамидрибозида, противодействует возрастным изменениям.
Хольгер Бирхофф, эпигенетик из Института старения имени Лейбница – Института Фрица Липмана в Йене (Германия) в комментарии для Nature напоминает, что геном человека содержит примерно 30 млн участков с эпигенетическими модификациями, поэтому даже такое масштабное исследование не дает полной картины возрастного метилирования ДНК.