ИСТИНА

Мотивация и цель: В области исследования старения за последние годы наблюдаются значительные достижения, такие как разработка количественных молекулярных биомаркеров биологического возраста и продолжительности жизни [1,2], а также открытие различных интервенций, способных увеличить продолжительность жизни млекопитающих [3,4], как правило, путем воздействия на один или несколько установленных признаков старения [5]. Хотя молекулярные инструменты, такие как эпигенетические часы, продемонстрировали свою способность предсказывать возраст и смертность, всестороннее понимание точных механизмов, лежащих в основе этих предсказаний, остается туманным. В данной работе мы руководствовались целью деконструировать возраст-зависимые изменения генной экспрессии на функционально интерпретируемые ко-регулируемые составляющие. Методы и алгоритмы: Чтобы создать более интерпретируемую альтернативу традиционным эпигенетическим часам, наша лаборатория разработала транскриптомные часы. Эти модели предсказывают биологический возраст и ожидаемую смертность млекопитающих, используя данные об экспрессии генов из более чем 4 500 образцов, собранных из 26 тканей мышей и крыс разного возраста и пола, а также животных, подвергшихся различным вмешательствам, регулирующим продолжительность жизни, таким как прогерия, ограничение калорийности и применение рапамицина. Для того, чтобы получить ко-регулируемые наборы генов, мы использовали данные, использовавшиеся для построения общих часов, и кластеризовали гены по характеру изменения их экспрессии с помощью метода Weighted Gene Co-expression Network Analysis (WGCNA) [6]. Далее для каждого функционально интерпретируемого модуля генов были построены собственные транскриптомные часы, которые затем применялись к данным о генной экспрессии различных возраст-зависимых заболеваний. Результаты: Наш анализ выявил более 20 модулей генов, которые в значительной степени коррелируют со старением и смертностью, а также связаны с отдельными функциональными процессами клетки. Так, среди них были обнаружены модули, которые участвуют в воспалительной реакции, интерфероном ответе, клеточном дыхании, липидном обмене, клеточном цикле и организации внеклеточного матрикса. Используя выявленные подмножества ко-регулируемых генов, мы построили часы хронологического возраста, смертности и продолжительности жизни для отдельных компонентов транскриптома и применили их для характеристики молекулярных механизмов, ответственных за про- или антивозрастной эффект различных возраст-зависимых заболеваний мышей (болезнь Альцгеймера, диабет и другие). В согласии с предсказанием общих часов, большинство модульных часов показало статистически значимое увеличение биологического возраста в образцах болезней по сравнению с контрольными образцами того же хронологического возраста. Модулями, внесшими наибольший вклад в повышение возраста в большинстве моделей, оказались модули воспалительного ответа, интерферонового сигнального пути и энергетического метаболизма (окислительное фосфорилирование, клеточное дыхание). Интересно, что в данных по раку, несмотря на уменьшение общего транскриптомного возраста, мы наблюдали повышение возраста для отдельных модулей, в то время как модуль, связанный с организацией внеклеточного матрикса и дифференциацией клеток, показал противоположный эффект. Известно, что хотя рак тесно связан со старением, его фенотип включает в себя как признаки старого организма, так и черты молодых де-дифференцированных клеток, которые, как было неоднократно показано ранее, ассоциированы с уменьшением биологического возраста. В контексте таких многофакторных и гетерогенных состояний, как раковые опухоли, особенно важно иметь возможность деконструировать общую оценку биологического возраста на отдельные интерпретируемые компоненты, что и отображают разработанные нами модульные часы. Выводы: В нашей работе были идентифицированы функционально однородные ко-регулируемые модули генов, ассоциированные со старением и долголетием млекопитающих. Для этого эффективным оказалось использование метода WGCNA, благодаря которому удалось идентифицировать 26 кластеров, обогащенные генами, ответственными за воспалительный ответ, клеточное дыхание, организацию внеклеточного матрикса и другие функции. Для каждого из модулей были построены часы хронологического возраста и смертности, что позволяет деконструировать эффект композитных транскриптомных часов на отдельные функциональные компоненты и лучше интерпретировать эффект различных интервенций и заболеваний на различные механизмы старения. Список литературы 1. Lu AT, Fei Z, Haghani A, Robeck TR, Zoller JA, Li CZ, et al. Universal DNA methylation age across mammalian tissues. Nat Aging. 2023 Sep;3(9):1144–66. 2. Tyshkovskiy A, Ma S, Shindyapina AV, Tikhonov S, Lee SG, Bozaykut P, et al. Distinct longevity mechanisms across and within species and their association with aging. Cell. 2023 Jun 22;186(13):2929-2949.e20. 3. Strong R, Miller RA, Cheng CJ, Nelson JF, Gelfond J, Allani SK, et al. Lifespan benefits for the combination of rapamycin plus acarbose and for captopril in genetically heterogeneous mice. Aging Cell. 2022 Dec;21(12):e13724. 4. Miller RA, Harrison DE, Allison DB, Bogue M, Debarba L, Diaz V, et al. Canagliflozin extends life span in genetically heterogeneous male but not female mice. JCI Insight. 5(21):e140019. 5. López-Otín C, Blasco MA, Partridge L, Serrano M, Kroemer G. Hallmarks of aging: An expanding universe. Cell. 2023 Jan 19;186(2):243–78. 6. Langfelder P, Horvath S. WGCNA: an R package for weighted correlation network analysis. BMC Bioinformatics. 2008 Dec 29;9(1):559.