Un reloj epigenético es una prueba bioquímica que se puede utilizar para medir la edad. La prueba se basa en los niveles de metilación del ADN , midiendo la acumulación de grupos metilo en las moléculas de ADN.
Los fuertes efectos de la edad sobre los niveles de metilación del ADN se conocen desde finales de los años 1960. [1] Una amplia literatura describe conjuntos de CpG cuyos niveles de metilación del ADN se correlacionan con la edad. [2] [3] [4] [5] [6] La primera demostración sólida de que los niveles de metilación del ADN en la saliva podrían generar predictores de edad con una precisión promedio de 5,2 años fue publicada por un equipo de UCLA que incluía a Sven Bocklandt, Steve Horvath y Eric Vilain en 2011 (Bocklandt et al. 2011). [7] [8] Los laboratorios de Trey Ideker y Kang Zhang de la Universidad de California en San Diego publicaron el reloj epigenético de Hannum (Hannum 2013), [9] que constaba de 71 marcadores que estiman con precisión la edad en función de los niveles de metilación de la sangre. El primer reloj epigenético multitejido, el reloj epigenético de Horvath, fue desarrollado por Steve Horvath, profesor de genética humana y bioestadística en UCLA (Horvath 2013). [10] [11] Horvath pasó más de 4 años recopilando datos de metilación del ADN de Illumina disponibles públicamente e identificando métodos estadísticos adecuados. [12]
La historia personal detrás del descubrimiento apareció en Nature . [13] El estimador de edad se desarrolló utilizando 8000 muestras de 82 conjuntos de datos de matrices de metilación de ADN de Illumina, que abarcan 51 tejidos y tipos de células sanos. La principal innovación del reloj epigenético de Horvath reside en su amplia aplicabilidad: se utiliza el mismo conjunto de 353 CpG y el mismo algoritmo de predicción independientemente de la fuente de ADN dentro del organismo, es decir, no requiere ajustes ni compensaciones. [10] Esta propiedad permite comparar las edades de diferentes áreas del cuerpo humano utilizando el mismo reloj de envejecimiento. Poco después se desarrolló una derivación del reloj de Horvath, el IEAA (Intrinsic Epigenetic Age Acceleration), un estimador basado en la composición celular de la sangre.
Unos años más tarde surgió una segunda generación de relojes epigenéticos que mejoró a la primera en la estimación de la edad. Esto fue gracias a la incorporación no sólo de variantes epigenéticas como la metilación del ADN sino también de variantes ambientales como el tabaquismo o la edad cronológica. Entre estos relojes destacan los relojes PhenoAge y GrimAge. PhenoAge es un reloj epigenético que tiene en cuenta la edad cronológica, y GrimAge utiliza los riesgos de mortalidad de la edad junto con la variante de fumar, entre otros, como factor de riesgo. Tener en cuenta las variantes ambientales permite a GrimAge superar a cualquier otro reloj epigenético a la hora de "predecir la muerte".
Los relojes epigenéticos de tercera generación están diseñados para ser aplicables en múltiples especies simultáneamente. Específicamente, los relojes epigenéticos de todos los mamíferos determinan la edad de los tejidos de todas las especies de mamíferos mediante el análisis de la metilación de la citosina en regiones del ADN que están altamente conservadas. [14]
Continuamente se han desarrollado nuevas herramientas de estimación de la edad, que también facilitan el pronóstico de determinadas enfermedades.
Aún no se sabe qué se mide exactamente por la edad de metilación del ADN. Horvath planteó la hipótesis de que la edad de metilación del ADN mide el efecto acumulativo de un sistema de mantenimiento epigenético, pero se desconocen los detalles. El hecho de que la edad de metilación del ADN de la sangre predice la mortalidad por todas las causas en la vejez [15] [16] [17] [18] se ha utilizado para argumentar que se relaciona con un proceso que causa el envejecimiento. [15] Sin embargo, si un CpG en particular desempeñara un papel causal directo en el proceso de envejecimiento, la mortalidad que crearía haría menos probable que se observara en personas mayores, lo que haría menos probable que el sitio hubiera sido elegido como predictor; Por lo tanto, es probable que los CpG de 353 relojes no tengan ningún efecto causal. [19] Más bien, el reloj epigenético captura una propiedad emergente del epigenoma.
En 2010, se propuso un nuevo modelo unificador del envejecimiento y el desarrollo de enfermedades complejas, incorporando teorías clásicas del envejecimiento y la epigenética. [20] [21] Horvath y Raj [22] ampliaron esta teoría y propusieron una teoría del reloj epigenético del envejecimiento con los siguientes principios:
En general, se espera que los relojes biológicos de envejecimiento y los biomarcadores del envejecimiento encuentren muchos usos en la investigación biológica, ya que la edad es una característica fundamental de la mayoría de los organismos . Las medidas precisas de la edad biológica (relojes de envejecimiento biológico) podrían ser útiles para
En general, se espera que los relojes biológicos sean útiles para estudiar las causas del envejecimiento y qué se puede hacer contra él. Sin embargo, sólo pueden capturar los efectos de las intervenciones que afectan la tasa de envejecimiento futuro, es decir, la pendiente de la curva de Gompertz según la cual la mortalidad aumenta con la edad, y no los de las intervenciones que actúan en un momento determinado, por ejemplo, para reducir la mortalidad en todo el mundo. todas las edades, es decir, la intersección de la curva de Gompertz. [19]
El reloj se define como un método de estimación de la edad basado en 353 marcadores epigenéticos en el ADN. Los 353 marcadores miden la metilación del ADN de los dinucleótidos CpG . La edad estimada ("edad prevista" en el uso matemático), también conocida como edad de metilación del ADN, tiene las siguientes propiedades: primero, es cercana a cero para las células madre embrionarias y pluripotentes inducidas ; en segundo lugar, se correlaciona con el número de pases celulares ; tercero, da lugar a una medida altamente hereditaria de aceleración de la edad; y, en cuarto lugar, es aplicable a los tejidos de chimpancé (que se utilizan como análogos humanos con fines de pruebas biológicas). El crecimiento del organismo (y la división celular concomitante) conduce a una alta velocidad del reloj epigenético que se ralentiza a una velocidad constante (dependencia lineal) después de la edad adulta (20 años). [10] El hecho de que la edad de metilación del ADN de la sangre prediga la mortalidad por todas las causas en la vejez, incluso después de ajustar los factores de riesgo conocidos [15] [16] es compatible con una variedad de relaciones causales, por ejemplo, una causa común para ambas. De manera similar, los marcadores de aptitud física y mental están asociados con el reloj epigenético (capacidades más bajas asociadas con la aceleración de la edad). [23] Subestima sistemáticamente la edad de las personas mayores. [24]
Las características más destacadas del reloj epigenético de Horvath incluyen su aplicabilidad a un amplio espectro de tejidos y tipos de células. Dado que permite contrastar las edades de diferentes tejidos del mismo sujeto, se puede utilizar para identificar tejidos que muestran evidencia de edad acelerada debido a una enfermedad.
El reloj de Horvath, específicamente la variante IEAA, está asociado con varios genes relacionados con el envejecimiento:14
El enfoque básico es formar un promedio ponderado de los 353 CpG de reloj, que luego se transforma en edad de ADNm mediante una función de calibración. La función de calibración revela que el reloj epigenético tiene un ritmo alto hasta la edad adulta, después de lo cual se desacelera hasta un ritmo constante. Utilizando los conjuntos de datos de entrenamiento, Horvath utilizó un modelo de regresión penalizado ( regularización neta elástica ) para hacer una regresión de una versión calibrada de la edad cronológica en 21,369 sondas CpG que estaban presentes en las plataformas Illumina 450K y 27K y tenían menos de 10 valores faltantes. La edad del ADNm se define como edad estimada ("predicha"). El predictor de red elástica seleccionó automáticamente 353 CpG. 193 de los 353 CpG se correlacionan positivamente con la edad, mientras que los 160 CpG restantes se correlacionan negativamente con la edad. El software R y una herramienta basada en web disponible gratuitamente se pueden encontrar en la siguiente página web. [26]
El error medio de la edad estimada es de 3,6 años en un amplio espectro de tejidos y tipos de células, [10] aunque aumenta en personas mayores [24] El reloj epigenético funciona bien en tejidos heterogéneos (por ejemplo, sangre total, células mononucleares de sangre periférica , muestras cerebelosas, corteza occipital, epitelio bucal, colon, tejido adiposo, riñón, hígado, pulmón, saliva, cuello uterino, epidermis, músculo), así como en tipos de células individuales como células T CD4, monocitos CD14, células gliales, neuronas, Células B inmortalizadas, células estromales mesenquimales. [10] Sin embargo, la precisión depende hasta cierto punto de la fuente del ADN.
El reloj epigenético conduce a una predicción de la edad cronológica que tiene un coeficiente de correlación de Pearson de r = 0,96 con la edad cronológica (Figura 2 en [10] ). Por lo tanto, la correlación de edad está cerca de su valor de correlación máximo posible de 1. Otros relojes biológicos se basan en a) la longitud de los telómeros , b) los niveles de expresión de p16INK4a (también conocido como locus INK4a/ARF), [27] yc) mutaciones de microsatélites . [28] La correlación entre la edad cronológica y la longitud de los telómeros es r = −0,51 en mujeres y r = −0,55 en hombres. [29] La correlación entre la edad cronológica y los niveles de expresión de p16INK4a en las células T es r = 0,56. [30]
Al contrastar la edad de metilación del ADN (edad estimada) con la edad cronológica, se pueden definir medidas de aceleración de la edad. La aceleración de la edad se puede definir como la diferencia entre la edad de metilación del ADN y la edad cronológica. Alternativamente, se puede definir como el residuo que resulta de la regresión de la edad del ADNm en la edad cronológica. Esta última medida es atractiva porque no se correlaciona con la edad cronológica. Un valor positivo/negativo de la aceleración de la edad epigenética sugiere que el tejido subyacente envejece más rápido o más lento de lo esperado.
La heredabilidad en sentido amplio (definida mediante la fórmula de Falconer ) de la aceleración de la sangre con la edad en sujetos mayores es de alrededor del 40%, pero parece ser mucho mayor en los recién nacidos. [10] De manera similar, se encontró que la aceleración del tejido cerebral (corteza prefrontal) con la edad era del 41% en sujetos mayores. [31] Los estudios de asociación de todo el genoma (GWAS) de aceleración de la edad epigenética en muestras de cerebro post mortem han identificado varios SNP a un nivel de significancia de todo el genoma. [32] [33] Los GWAS de aceleración de la edad en la sangre han identificado varios loci genéticos importantes en todo el genoma, incluido el locus del gen de la transcriptasa inversa de la telomerasa ( TERT ). [34] Las variantes genéticas asociadas con una mayor longitud de los telómeros de los leucocitos en el gen TERT confieren paradójicamente una mayor aceleración de la edad epigenética en la sangre. [34]
En general, los factores del estilo de vida sólo tienen asociaciones débiles con la aceleración epigenética de la edad en la sangre. [35] [36] [37] Los estudios transversales de las tasas de envejecimiento epigenético extrínseco en la sangre muestran que el envejecimiento epigenético reducido se correlaciona con la educación superior, una dieta rica en plantas con carnes magras, un consumo moderado de alcohol y actividad física [36] y los riesgos. asociado con el síndrome metabólico . Sin embargo, los estudios sugieren que los niveles elevados de consumo de alcohol están asociados con el envejecimiento acelerado de ciertos relojes epigenéticos. [37]
El reloj epigenético se utilizó para estudiar la relación entre un índice de masa corporal (IMC) alto y las edades de metilación del ADN de la sangre, el hígado, los músculos y el tejido adiposo humanos. [38] Se pudo observar una correlación significativa (r = 0,42) entre el IMC y la aceleración epigenética de la edad en el hígado. Un tamaño de muestra mucho mayor (n = 4200 muestras de sangre) reveló una correlación débil pero estadísticamente significativa (r = 0,09) entre el IMC y la aceleración intrínseca de la sangre con la edad. [35] El mismo gran estudio encontró que varios biomarcadores del síndrome metabólico (glucosa, insulina, niveles de triglicéridos, proteína C reactiva, relación cintura-cadera ) estaban asociados con la aceleración epigenética de la edad en la sangre. [35] Por el contrario, los niveles altos de colesterol HDL se asociaron con una menor tasa de envejecimiento epigenético de la sangre. [35] Otra investigación sugiere asociaciones muy fuertes entre un mayor índice de masa corporal , relación cintura-cadera y circunferencia de la cintura y relojes epigenéticos acelerados, con evidencia de que la actividad física puede disminuir estos efectos. [36]
La edad del ADNm es mayor que la edad cronológica en el tejido mamario femenino adyacente al tejido del cáncer de mama. [10] Dado que el tejido normal adyacente a otros tipos de cáncer no muestra un efecto de aceleración de la edad similar, este hallazgo sugiere que el tejido mamario femenino normal envejece más rápido que otras partes del cuerpo. [10] De manera similar, se ha descubierto que las muestras de tejido mamario normal de mujeres sin cáncer son sustancialmente más antiguas que las muestras de sangre recolectadas de las mismas mujeres al mismo tiempo. [39]
En un estudio de tres relojes epigenéticos y el riesgo de cáncer de mama, se descubrió que la edad del ADNm se acelera en muestras de sangre de mujeres libres de cáncer, años antes del diagnóstico. [40]
Los tejidos cancerosos muestran efectos de aceleración de la edad tanto positivos como negativos. Para la mayoría de los tipos de tumores, no se puede observar una relación significativa entre la aceleración de la edad y la morfología del tumor (grado/estadio). [10] [41] En promedio, los tejidos cancerosos con TP53 mutado tienen una aceleración de la edad menor que aquellos sin él. [10] Además, los tejidos cancerosos con alta aceleración de la edad tienden a tener menos mutaciones somáticas que aquellos con baja aceleración de la edad. [10] [41] La aceleración de la edad está altamente relacionada con diversas aberraciones genómicas en los tejidos cancerosos. Las mutaciones somáticas en los receptores de estrógeno o de progesterona se asocian con una edad acelerada del ADN en el cáncer de mama. [10] Las muestras de cáncer colorrectal con una mutación BRAF (V600E) o hipermetilación del promotor del gen de reparación de errores de coincidencia MLH1 se asocian con una mayor aceleración de la edad. [10] La aceleración de la edad en muestras de glioblastoma multiforme está asociada de manera muy significativa con ciertas mutaciones en H3F3A . [10] Un estudio sugiere que la edad epigenética del tejido sanguíneo puede ser un pronóstico de la incidencia del cáncer de pulmón. [42]
El síndrome de Down implica un mayor riesgo de padecer muchas enfermedades crónicas que normalmente se asocian con la edad avanzada. Las manifestaciones clínicas del envejecimiento acelerado sugieren que la trisomía 21 aumenta la edad biológica de los tejidos, pero la evidencia molecular para esta hipótesis ha sido escasa. Según el reloj epigenético, la trisomía 21 aumenta significativamente la edad de la sangre y del tejido cerebral (una media de 6,6 años). [43]
Se descubrió que la aceleración epigenética de la corteza prefrontal humana por edad se correlaciona con varias mediciones neuropatológicas que desempeñan un papel en la enfermedad de Alzheimer [31]. Además, se encontró que está asociada con una disminución en el funcionamiento cognitivo global y el funcionamiento de la memoria entre personas con Alzheimer. enfermedad. [31] La edad epigenética de la sangre se relaciona con el funcionamiento cognitivo en las personas mayores. [23] En general, estos resultados sugieren fuertemente que el reloj epigenético se presta para medir la edad biológica del cerebro.
Ha sido difícil identificar tejidos que parecen evadir el envejecimiento debido a la falta de biomarcadores de edad tisular que permitan contrastar las edades de diferentes tejidos. Una aplicación del reloj epigenético a 30 sitios anatómicos de seis centenarios y sujetos más jóvenes reveló que el cerebelo envejece lentamente: es aproximadamente 15 años más joven de lo esperado en un centenario. [44] Este hallazgo podría explicar por qué el cerebelo exhibe menos características neuropatológicas de las demencias relacionadas con la edad en comparación con otras regiones del cerebro. En sujetos más jóvenes (por ejemplo, menores de 70 años), las regiones y las células del cerebro parecen tener aproximadamente la misma edad. [10] [44] Se han identificado varios SNP y genes que se relacionan con la edad epigenética del cerebelo. [32]
Se ha descubierto que la enfermedad de Huntington aumenta las tasas de envejecimiento epigenético de varias regiones del cerebro humano. [45]
La descendencia de semisupercentenarios (sujetos que alcanzaron una edad de 105 a 109 años) tiene una edad epigenética más baja que los controles de la misma edad (diferencia de edad = 5,1 años en sangre) y los centenarios son más jóvenes (8,6 años) de lo esperado según su edad. edad cronológica. [18]
La infección por el virus de la inmunodeficiencia humana-1 ( VIH ) se asocia con síntomas clínicos de envejecimiento acelerado, como lo demuestra el aumento de la incidencia y la diversidad de enfermedades relacionadas con la edad a edades relativamente jóvenes. Pero ha sido difícil detectar un efecto de envejecimiento acelerado a nivel molecular. Un análisis del reloj epigenético del ADN humano de sujetos VIH+ y controles detectó un efecto significativo de aceleración de la edad en el tejido cerebral (7,4 años) y sanguíneo (5,2 años) debido a la infección por VIH-1. [46] Estos resultados son consistentes con un estudio independiente que también encontró un avance de edad de 5 años en la sangre de pacientes con VIH y un fuerte efecto del locus HLA. [47]
Un estudio a gran escala sugiere que la sangre de los pacientes con Parkinson, en particular su proporción de granulocitos, presenta efectos de envejecimiento acelerado (relativamente débiles). [48]
Los niños con un trastorno muy raro conocido como síndrome X mantienen la fachada de rasgos persistentes parecidos a los de los niños pequeños mientras envejecen desde el nacimiento hasta la edad adulta. Dado que el desarrollo físico de estos niños se retrasa dramáticamente, estos niños parecen ser niños pequeños o, en el mejor de los casos, niños en edad preescolar. Según un análisis del reloj epigenético, el tejido sanguíneo de los casos del síndrome X no es más joven de lo esperado. [49]
Los siguientes resultados sugieren fuertemente que la pérdida de hormonas femeninas resultante de la menopausia acelera la tasa de envejecimiento epigenético de la sangre y posiblemente la de otros tejidos. [50] En primer lugar, se ha descubierto que la menopausia precoz está asociada con una mayor aceleración epigenética de la sangre por edad. [50] En segundo lugar, la menopausia quirúrgica (debido a ooforectomía bilateral ) se asocia con una aceleración de la edad epigenética en la sangre y la saliva. En tercer lugar, la terapia hormonal menopáusica , que mitiga la pérdida hormonal, se asocia con una aceleración negativa de la edad de las células bucales (pero no de las células sanguíneas). [50] En cuarto lugar, los marcadores genéticos que están asociados con la menopausia temprana también están asociados con una mayor aceleración de la edad epigenética en la sangre. [50]
Un aspecto confuso del envejecimiento biológico es la naturaleza y el papel de las células senescentes. No está claro si los tres tipos principales de senescencia celular, a saber, la senescencia replicativa, la senescencia inducida por oncogenes y la senescencia inducida por daños en el ADN, son descripciones del mismo fenómeno instigado por diferentes fuentes, o si cada uno de ellos es distinto y cómo están asociados. con el envejecimiento epigenético. Se encontró que la inducción de la senescencia replicativa (RS) y la senescencia inducida por oncogenes (OIS) estaban acompañadas por el envejecimiento epigenético de las células primarias, pero la senescencia inducida por daño al ADN no, a pesar de que RS y OIS activan la vía de respuesta al daño del ADN celular. [51] Estos resultados resaltan la independencia de la senescencia celular del envejecimiento epigenético. En concordancia con esto, las células inmortalizadas por la telomerasa continuaron envejeciendo (según el reloj epigenético) sin haber sido tratadas con ningún inductor de senescencia o agentes que dañen el ADN, reafirmando la independencia del proceso de envejecimiento epigenético de los telómeros, la senescencia celular y la vía de respuesta al daño del ADN. Aunque la disociación entre la senescencia y el envejecimiento celular parece a primera vista inconsistente con el hecho de que las células senescentes contribuyen a la manifestación física del envejecimiento del organismo, como lo demostraron Baker et al., donde la eliminación de las células senescentes ralentizó el envejecimiento. [52]
Sin embargo, el análisis del reloj epigenético de la senescencia sugiere que la senescencia celular es un estado al que las células se ven obligadas como resultado de presiones externas como el daño del ADN, la expresión de oncogenes ectópicos y la proliferación exhaustiva de células para reponer las eliminadas por factores externos/ambientales. [51] Estas células senescentes, en cantidades suficientes, probablemente provocarán el deterioro de los tejidos, lo que se interpreta como envejecimiento del organismo. Sin embargo, a nivel celular, el envejecimiento, medido por el reloj epigenético, es distinto de la senescencia. Es un mecanismo intrínseco que existe desde el nacimiento de la célula y continúa. Esto implica que si las presiones externas descritas anteriormente no empujan a las células a la senescencia, aún así continuarían envejeciendo. Esto es consistente con el hecho de que los ratones con telómeros naturalmente largos aún envejecen y eventualmente mueren a pesar de que la longitud de sus telómeros es mucho más larga que el límite crítico, y envejecen prematuramente cuando sus telómeros se acortan a la fuerza, debido a la senescencia replicativa. Por tanto, la senescencia celular es una vía por la que las células salen prematuramente del curso natural del envejecimiento celular. [51]
Los hombres envejecen más rápido que las mujeres según la aceleración epigenética de la edad en la sangre, el cerebro y la saliva, pero depende de la estructura que se investiga y del estilo de vida. [53] El método del reloj epigenético se aplica a todos los grupos raciales/étnicos examinados en el sentido de que la edad del ADN está altamente correlacionada con la edad cronológica. Pero la etnicidad puede estar asociada con la aceleración de la edad epigenética. [53] Por ejemplo, la sangre de los hispanos y los tsimané envejece más lentamente que la de otras poblaciones, lo que podría explicar la paradoja de la mortalidad hispana . [53]
El trasplante de células madre hematopoyéticas , que trasplanta estas células de un donante joven a un receptor de mayor edad, rejuvenece la edad epigenética de la sangre a la del donante. Sin embargo, la enfermedad de injerto contra huésped se asocia con una mayor edad de metilación del ADN. [54]
La progeria en adultos, también conocida como síndrome de Werner, se asocia con una aceleración epigenética de la edad en la sangre. [55] Las muestras de fibroblastos de niños con progeria Hutchinson-Gilford exhiben efectos de envejecimiento epigenético acelerado según el reloj epigenético de "piel y sangre", pero no según el reloj pantejido original de Horvath. [56]
Horvath planteó la hipótesis de que su reloj surge de una huella de metilación dejada por un sistema de mantenimiento epigenómico. [10]
Los daños endógenos al ADN ocurren con frecuencia, incluyendo alrededor de 50 roturas de ADN de doble cadena por ciclo celular [57] y alrededor de 10,000 daños oxidativos por día (consulte Daño al ADN (de origen natural) ). Durante la reparación de roturas de doble cadena se introducen muchas alteraciones epigenéticas y, en un porcentaje de los casos, las alteraciones epigenéticas permanecen después de que se completa la reparación, incluido el aumento de la metilación de los promotores de la isla CpG. [58] [59] [60] Recientemente se encontraron alteraciones epigenéticas similares, pero generalmente transitorias, durante la reparación de daños oxidativos causados por H 2 O 2 , y se sugirió que ocasionalmente estas alteraciones epigenéticas también pueden permanecer después de la reparación. [61] Estas alteraciones epigenéticas acumuladas pueden contribuir al reloj epigenético. La acumulación de alteraciones epigenéticas puede ser paralela a la acumulación de daños en el ADN no reparados que se propone causan el envejecimiento (ver Teoría del envejecimiento del daño al ADN ). De acuerdo con la acumulación estocástica de daño en el ADN, se ha observado que las alteraciones en la metilación del ADN relacionadas con la edad sufren predominantemente cambios estocásticos a medida que los individuos envejecen. [62] Esta acumulación de variación estocástica ha demostrado una capacidad suficiente para construir relojes que envejecen, lo que respalda aún más la idea de que los cambios epigenéticos pueden ser impulsados por la acumulación gradual de daño estocástico no programado. [63]