Aging-associated changes in the DNA methylome and characteristics of the epigenetic clock
Kananen, Laura (2018)
Tampere University Press
2018
Mikrobiologia ja Immunologia/molekylaarinen immunologia - Mikrobiology and Immunology/Molecular Immunology
Lääketieteen ja biotieteiden tiedekunta - Faculty of Medicine and Life Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2018-03-29
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-0669-4
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-0669-4
Tiivistelmä
Tausta: Ikääntyminen on jatkuva prosessi, jonka aikana organismin fysiologinen eheys heikkenee. Tämän seurauksena yksilön toimintakyky alentuu ja sairauksien sekä kuoleman riski kasvaa. Ikääntymisprosessiin vaikuttavat periytyvät komponentit ja ympäristö. Eri eliölajeilla, yksilöillä ja kudoksilla ikääntymisen etenemisnopeus on erilainen.
DNA:n metylaatiolla on merkittävä rooli genomisen stabiiliuden ylläpitäjänä, solujen erilaistumisessa ja yksilön kehityksessä. Nisäkkäiden genomissa esiintyy paljon 5-metyylisytosiineja eli metyloituja sytosiineja (5mC), jotka ovat useimmiten sekvenssissä CpG. Ikääntymisen aikana CpG-kohtien metylaatiossa tapahtuu sekä sattumanvaraisesti että systemaattisen kellomaisesti käyttäytyviä metylaatiotasomuutoksia, joihin molempiin vaikuttavat ympäristö- ja geneettiset tekijät. Kellomaisessa muutoksessa metylaatiotaso nousee tai laskee hyvin lineaarisesti ajan funktiona läpi elämän. Nämä kellomaisesti käyttäytyvät metylaatiokohdat muodostavat ns. epigeneettisen kellon. Yleisesti ottaen DNA-metylaatiossa nähtävät yksilöiden väliset erot kasvavat ikääntyessä, ja metylaatio on markkeri joka kuvastaa hyvinvointia eri tasolta kuin perinteiset ikääntymisen biomarkkerit. DNA-metylaation merkittävyys vanhenemiseen liittyvässä tutkimuksessa korostuu sen vuoksi, että metylaatiotasot muuttuvat ympäristötekijöiden johdosta, ja näillä DNA-metylaatiomuutoksilla on myös kyky palautua.
Kellomaisesti käyttäytyviä DNA:n metylaatiokohtia voidaan käyttää kronologisen iän estimointiin DNA-sokkonäytteestä huomattavalla tarkkuudella. Tätä epigeneettisen iän estimaattia eli epigeneettistä ikää on luonnehdittu biologisen iän mittariksi, joka voisi mahdollisesti kuvastaa ihmisten erilaista biologista ikääntymisnopeutta. Useat aiemmat tutkimukset ovat puoltaneet tätä oletusta yhdistäessään epigeneettisen iän fyysiseen toimintakykyyn, sairastavuuteen, kuolleisuuteen sekä pitkäikäisyyteen.
Tutkimustavoitteet: Tässä työssä hypoteesit koostuivat seuraavista kohdista. On huomattu, että raportoiduissa ikääntymiseen liitetyissä DNA:n metylaatiokohdissa on huomattavia eroja ja tätä epäyhdenmukaisuutta oli tarpeen tarkastella (I). Tämän lisäksi DNA-metylaatioprofiilin potentiaali kuolleisuuden ennustajana yli 90-vuotiailla on ollut epäselvää, ja lisäksi sen tehokkuus perinteisiin ennustajiin verrattuna oli tarpeen arvioida (IV). Väitöskirjatutkimuksessa keskityttiin myös siihen, miten epigeneettinen ikä sekä verisolualatyyppijakaumat käyttäyvät pitkittäisseurannassa (III). Tutkimuksessa tarkasteltiin lisäksi epigeneettisen ikäestimaatin yhteyttä immuunijärjestelmän ikääntymiseen liittyviin biomarkkereihin, joita olivat sytomegalovirusinfektio (II) ja verisolualatyyppien osuuksien muutokset (III).
Metodit: DNA:n metylaatiotasot mitattiin genominlaajuisella mikrosiruanalytiikalla ja tutkimushypoteesejä testattiin käyttäen muun muassa erityyppisiin regressiomalleihin ja korrelaatioon perustuvia analyysimenetelmiä. Epigeneettinen ikä estimoitiin Horvathin laskenta-algoritmillä. Aineistoina käytettiin kahta populaatiopohjaista tutkimusaineistoa, jotka yhdessä kattavat ikävuodet 15-94. Tutkimustietoa analysoitiin yhden (I, II) ja kahden aikapisteen (III, IV) perusteella. Seuranta-ajat olivat neljä tai 25 vuotta ja näytekoot vaihtelivat tutkimuskysymyksestä riippuen N=111 ja N=183 välillä. Väitöskirjatyön kaikissa osatöissä huomioitiin tutkimuksessa käytettyjen verisolunäytteiden heterogeenisyys.
Tarkemmin kuvattuna, väitöskirjatyössä kartoitettiin koko epigenomin laajuisesti ikääntymiseen (I) ja suurentuneeseen kuolleisuusriskiin (IV) liittyviä yksittäisissä DNA:n metylaatiokohdissa tapahtuvia metylaatiotasojen muutoksia. Tämän lisäksi tarkasteltiin laskennallisesti määritetyn DNA-metylomi-iän (kalenteri-iän ja epigeettisen iän erotus; Δ-cAge-DNAmAge) sekä verisoluosuusjakaumien käyttäytymistä pitkittäisseurannassa (III). Väitöskirjatyössä selvitettiin myös epigeneettisen ikäestimaatin vaihtelun yhteyttä sytomegalovirusinfektioon (II) ja verisolualatyyppien osuusjakaumiin (III) sekä potentiaalia kuolleisuuden ennustajana (IV). Soluosuusjakaumien vaihtelun merkitystä koko epigenomin laajuisessa ikäassosiaatioanalyysissä analysoitiin tarkemmin peilaamalla osatyössä I paikannettuja ikäassosiaatioita ja analyysimetodeja aiemmin julkaistuihin vastaaviin tutkimuksiin.
Tulokset ja johtopäätökset: Osatyössä I selvisi, että kellomaisesti käyttäytyviä DNA:n metylaatiokohtia voi havaita keski-ikäisistä koostuvassa poikkileikkaustutkimusaineistossa, jonka ikäjakauma on vain yhdeksän vuotta. Riippuen siitä oliko DNA:n metylaatiotason muutos kasvavaa vai vähenevää iän funktiona, muutokset olivat erilaisia piirteiltään, kun tarkasteltiin metylaatiokohtiin liitettyjä solun perustoimintoja tai niiden sijoittumista yksittäisiin geeneihin. Huomattiin myös, että assosiaatioanalyysien toistettavuuden kannalta oli merkittävää, että mahdollinen verisolunäytteen heterogeenisyys on huomioitu.
Osatyössä IV havaittiin, että kuolleisuutta ennustava DNA-metylaatioprofiili on tehokkaampi ennustaja kuin perinteiset kuolleisuuteen ja vanhenemiseen yhdistetyt biomarkkerit. Epigeneettinen ikä ei ollut yhteydessä kuolleisuuteen ja kuolleisuutta ennustava DNA:n metylaatioprofiili erosi yleisesti tunnetuista ikääntymiseen liitetyistä DNA:n metylaatiomuutoksista. Tässä työssä selvitetty kuolleisuutta ennustava DNA-metylomin profiili tukee genomisella tasolla NF-κB-geenin roolia ihmisen elinkaaren loppupäässä.
Osatyössä II huomattiin, että elämänsä aikana sytomegalovirusinfektion saaneilla tutkittavilla oli korkeampi epigeneettinen ikä verrattuna ei-infektoituneisiin tutkittaviin. Tämä tulos saattaa selittyä muutoksilla verisolupopulaatiossa, koska suuri osa eri verisoluosuuksista oli myös yhteydessä epigeneettisen iän vaihteluun (III). Merkittävimpiä DNA-metylaation variaatioon kytkeytyneitä soluosuuskorrelaatteja näyttivät olevan CD28- -tyyppiset T-solut (II, III), joita pidetään yleisesti immuunijärjestelmän kuormitustilan ja vanhenemisen markkereina. Havainnot osatyössä III osoittivat myös, että poikkileikkaustarkastelussa 90-vuotiailla verisoluosuusjakauma on selvästi erilainen kuin nuorilla aikuisilla. Seurantatuloksista nähtiin kuitenkin, että aikuisiässä ennen keski-ikää ja elinkaaren loppupäässä solualatyyppijakaumat ovat suhteellisen muuttumattomia. Tämä voisi viitata siihen, että suurin muutos solujakaumissa tapahtuu jossain keski-iän jälkeen ennen 90 vuoden ikää. Nämä tulokset korostavat entisestään verisolupopulaatioiden heterogeenisyyden huomioimisen merkitystä tämän tyyppisissä tutkimuksissa.
Seurantatutkimusaineisto antoi viitteitä, että kalenteri- ja epigeneettisen iän välinen erotus (Δ-cAge-DNAmAge) muuttuu aikuisiässä suhteellisen vähän useamman vuoden tai vuosikymmenen aikana (III). Kun tähän havaintoon yhdistetään aiemmat epigeneettisen iän seurantatutkimustulokset, missä on keskitytty erityisesti lapsuusikään, vaikuttaa sille, että tämä erotus asettuu ja vakiintuu pääasialliselle tasolleen jo ennen aikuisikää. Nämä havainnot ovat ajatuksia herättäviä, koska kiihtynyt epigeneettinen ikääntyminen on liitetty kasvaneeseen kuolleisuusriskiin aikuisilla. Nämä havainnot yhdessä korostavat entisestään lapsuudessa tapahtuvien epigeneettisten muutosten merkitystä myöhemmälle terveydelle elämän aikana.
DNA:n metylaatiolla on merkittävä rooli genomisen stabiiliuden ylläpitäjänä, solujen erilaistumisessa ja yksilön kehityksessä. Nisäkkäiden genomissa esiintyy paljon 5-metyylisytosiineja eli metyloituja sytosiineja (5mC), jotka ovat useimmiten sekvenssissä CpG. Ikääntymisen aikana CpG-kohtien metylaatiossa tapahtuu sekä sattumanvaraisesti että systemaattisen kellomaisesti käyttäytyviä metylaatiotasomuutoksia, joihin molempiin vaikuttavat ympäristö- ja geneettiset tekijät. Kellomaisessa muutoksessa metylaatiotaso nousee tai laskee hyvin lineaarisesti ajan funktiona läpi elämän. Nämä kellomaisesti käyttäytyvät metylaatiokohdat muodostavat ns. epigeneettisen kellon. Yleisesti ottaen DNA-metylaatiossa nähtävät yksilöiden väliset erot kasvavat ikääntyessä, ja metylaatio on markkeri joka kuvastaa hyvinvointia eri tasolta kuin perinteiset ikääntymisen biomarkkerit. DNA-metylaation merkittävyys vanhenemiseen liittyvässä tutkimuksessa korostuu sen vuoksi, että metylaatiotasot muuttuvat ympäristötekijöiden johdosta, ja näillä DNA-metylaatiomuutoksilla on myös kyky palautua.
Kellomaisesti käyttäytyviä DNA:n metylaatiokohtia voidaan käyttää kronologisen iän estimointiin DNA-sokkonäytteestä huomattavalla tarkkuudella. Tätä epigeneettisen iän estimaattia eli epigeneettistä ikää on luonnehdittu biologisen iän mittariksi, joka voisi mahdollisesti kuvastaa ihmisten erilaista biologista ikääntymisnopeutta. Useat aiemmat tutkimukset ovat puoltaneet tätä oletusta yhdistäessään epigeneettisen iän fyysiseen toimintakykyyn, sairastavuuteen, kuolleisuuteen sekä pitkäikäisyyteen.
Tutkimustavoitteet: Tässä työssä hypoteesit koostuivat seuraavista kohdista. On huomattu, että raportoiduissa ikääntymiseen liitetyissä DNA:n metylaatiokohdissa on huomattavia eroja ja tätä epäyhdenmukaisuutta oli tarpeen tarkastella (I). Tämän lisäksi DNA-metylaatioprofiilin potentiaali kuolleisuuden ennustajana yli 90-vuotiailla on ollut epäselvää, ja lisäksi sen tehokkuus perinteisiin ennustajiin verrattuna oli tarpeen arvioida (IV). Väitöskirjatutkimuksessa keskityttiin myös siihen, miten epigeneettinen ikä sekä verisolualatyyppijakaumat käyttäyvät pitkittäisseurannassa (III). Tutkimuksessa tarkasteltiin lisäksi epigeneettisen ikäestimaatin yhteyttä immuunijärjestelmän ikääntymiseen liittyviin biomarkkereihin, joita olivat sytomegalovirusinfektio (II) ja verisolualatyyppien osuuksien muutokset (III).
Metodit: DNA:n metylaatiotasot mitattiin genominlaajuisella mikrosiruanalytiikalla ja tutkimushypoteesejä testattiin käyttäen muun muassa erityyppisiin regressiomalleihin ja korrelaatioon perustuvia analyysimenetelmiä. Epigeneettinen ikä estimoitiin Horvathin laskenta-algoritmillä. Aineistoina käytettiin kahta populaatiopohjaista tutkimusaineistoa, jotka yhdessä kattavat ikävuodet 15-94. Tutkimustietoa analysoitiin yhden (I, II) ja kahden aikapisteen (III, IV) perusteella. Seuranta-ajat olivat neljä tai 25 vuotta ja näytekoot vaihtelivat tutkimuskysymyksestä riippuen N=111 ja N=183 välillä. Väitöskirjatyön kaikissa osatöissä huomioitiin tutkimuksessa käytettyjen verisolunäytteiden heterogeenisyys.
Tarkemmin kuvattuna, väitöskirjatyössä kartoitettiin koko epigenomin laajuisesti ikääntymiseen (I) ja suurentuneeseen kuolleisuusriskiin (IV) liittyviä yksittäisissä DNA:n metylaatiokohdissa tapahtuvia metylaatiotasojen muutoksia. Tämän lisäksi tarkasteltiin laskennallisesti määritetyn DNA-metylomi-iän (kalenteri-iän ja epigeettisen iän erotus; Δ-cAge-DNAmAge) sekä verisoluosuusjakaumien käyttäytymistä pitkittäisseurannassa (III). Väitöskirjatyössä selvitettiin myös epigeneettisen ikäestimaatin vaihtelun yhteyttä sytomegalovirusinfektioon (II) ja verisolualatyyppien osuusjakaumiin (III) sekä potentiaalia kuolleisuuden ennustajana (IV). Soluosuusjakaumien vaihtelun merkitystä koko epigenomin laajuisessa ikäassosiaatioanalyysissä analysoitiin tarkemmin peilaamalla osatyössä I paikannettuja ikäassosiaatioita ja analyysimetodeja aiemmin julkaistuihin vastaaviin tutkimuksiin.
Tulokset ja johtopäätökset: Osatyössä I selvisi, että kellomaisesti käyttäytyviä DNA:n metylaatiokohtia voi havaita keski-ikäisistä koostuvassa poikkileikkaustutkimusaineistossa, jonka ikäjakauma on vain yhdeksän vuotta. Riippuen siitä oliko DNA:n metylaatiotason muutos kasvavaa vai vähenevää iän funktiona, muutokset olivat erilaisia piirteiltään, kun tarkasteltiin metylaatiokohtiin liitettyjä solun perustoimintoja tai niiden sijoittumista yksittäisiin geeneihin. Huomattiin myös, että assosiaatioanalyysien toistettavuuden kannalta oli merkittävää, että mahdollinen verisolunäytteen heterogeenisyys on huomioitu.
Osatyössä IV havaittiin, että kuolleisuutta ennustava DNA-metylaatioprofiili on tehokkaampi ennustaja kuin perinteiset kuolleisuuteen ja vanhenemiseen yhdistetyt biomarkkerit. Epigeneettinen ikä ei ollut yhteydessä kuolleisuuteen ja kuolleisuutta ennustava DNA:n metylaatioprofiili erosi yleisesti tunnetuista ikääntymiseen liitetyistä DNA:n metylaatiomuutoksista. Tässä työssä selvitetty kuolleisuutta ennustava DNA-metylomin profiili tukee genomisella tasolla NF-κB-geenin roolia ihmisen elinkaaren loppupäässä.
Osatyössä II huomattiin, että elämänsä aikana sytomegalovirusinfektion saaneilla tutkittavilla oli korkeampi epigeneettinen ikä verrattuna ei-infektoituneisiin tutkittaviin. Tämä tulos saattaa selittyä muutoksilla verisolupopulaatiossa, koska suuri osa eri verisoluosuuksista oli myös yhteydessä epigeneettisen iän vaihteluun (III). Merkittävimpiä DNA-metylaation variaatioon kytkeytyneitä soluosuuskorrelaatteja näyttivät olevan CD28- -tyyppiset T-solut (II, III), joita pidetään yleisesti immuunijärjestelmän kuormitustilan ja vanhenemisen markkereina. Havainnot osatyössä III osoittivat myös, että poikkileikkaustarkastelussa 90-vuotiailla verisoluosuusjakauma on selvästi erilainen kuin nuorilla aikuisilla. Seurantatuloksista nähtiin kuitenkin, että aikuisiässä ennen keski-ikää ja elinkaaren loppupäässä solualatyyppijakaumat ovat suhteellisen muuttumattomia. Tämä voisi viitata siihen, että suurin muutos solujakaumissa tapahtuu jossain keski-iän jälkeen ennen 90 vuoden ikää. Nämä tulokset korostavat entisestään verisolupopulaatioiden heterogeenisyyden huomioimisen merkitystä tämän tyyppisissä tutkimuksissa.
Seurantatutkimusaineisto antoi viitteitä, että kalenteri- ja epigeneettisen iän välinen erotus (Δ-cAge-DNAmAge) muuttuu aikuisiässä suhteellisen vähän useamman vuoden tai vuosikymmenen aikana (III). Kun tähän havaintoon yhdistetään aiemmat epigeneettisen iän seurantatutkimustulokset, missä on keskitytty erityisesti lapsuusikään, vaikuttaa sille, että tämä erotus asettuu ja vakiintuu pääasialliselle tasolleen jo ennen aikuisikää. Nämä havainnot ovat ajatuksia herättäviä, koska kiihtynyt epigeneettinen ikääntyminen on liitetty kasvaneeseen kuolleisuusriskiin aikuisilla. Nämä havainnot yhdessä korostavat entisestään lapsuudessa tapahtuvien epigeneettisten muutosten merkitystä myöhemmälle terveydelle elämän aikana.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4924]