Cell-free DNA as a novel biomarker of aging - characterization and genetic regulation

Abstract

Ihmisen keskimääräinen elinikä on jatkuvassa nousussa, mikä tarkoittaa vanhojen ihmisten suhteellisen osuuden lisääntymistä väestössä. On kuitenkin epäselvää, kasvaako terveenä ja toimintakykyisenä elettyjen vuosien määrä samassa suhteessa eliniän odotteen kanssa, sillä vanhetessa monet keskeiset toiminnot, kuten immuunipuolustus, kognitiiviset kyvyt ja lihasvoima heikkenevät. Ihmisten välillä on myös eroja biologisen ikääntymisen vauhdissa, ja tiettyjen biologista vanhenemista kuvastavien biomarkkerien on havaittu ennustavan jäljellä olevaa elinikää, sairauksista ja muista riskitekijöistä riippumatta.

Biomarkkerien yhteys itse vanhenemisprosessiin on pitkälti vielä tuntematon; ei tiedetä, onko niillä itsenäinen vanhenemismuutoksia indusoiva rooli vai ovatko ne pelkästään muutoksia kuvaavia indikaattoreita. Tässä tutkimuksessa analysoimme plasman soluvapaan DNA:n käyttöä uutena vanhenemisen biomarkkerina. Tutkimuksen hypoteesi perustui soluvapaan DNA:n vapautumiseen verenkiertoon kudosvaurioiden ja solukuoleman seurauksena, jolloin sen pitoisuus heijastaa kollektiivisesti vanhenemismuutoksia eri puolella elimistöä. Lisäksi analysoimme soluvapaan DNA:n koostumusta ja määritimme kokonaispitoisuuden lisäksi siitä metyloimattoman DNA:n, mitokondrioperäisen DNA:n (mtDNA), sekä Alu toistojaksoja ja RNAasi P -geeniä koodaavan DNA:n määrän. Koska kyseessä on uusi ja monilta osin tuntematon markkeri, identifioimme myös soluvapaan DNA:n pitoisuuden säätelyyn osallistuvia tekijöitä genominlaajuisen assosiaatiotutkimuksen avulla.

Tutkimuksen tulokset osoittavat, että kohonnut soluvapaan DNA:n kokonaispitoisuus on itsenäinen vanhusten kuolleisuutta ennustava tekijä 4-vuotisseurannassa. Lisäksi havaitsimme, että soluvapaan DNA:n kokonaispitoisuus ja metyloimattoman DNA:n määrä ovat suoraan yhteydessä vanhusten kohonneeseen systeemiseen tulehdustasoon ja ns. frailty- eli hauraussyndroomaan. Kohonnut plasman mtDNA:n määrä puolestaan heijasti lihasvoiman heikkenemistä. Saimme tutkimuksessa myös viitteitä siitä, että korkea soluvapaan DNA kokonaispitoisuus ja korkea metyloimattoman DNA määrä ovat suoraan yhteydessä veren mononukleaarisolujen immunologiseen ja tulehdusreaktiiviseen aktivoitumiseen vanhuksilla, mutta ei nuorilla aikuisilla. Geneettinen assosiaatiotutkimus paljasti uuden, joskin mekanismiltaan vielä tuntemattoman UDP-glukuronosyylitransferaasi 1 polypeptidi A1 -geeniin kytkeytyneen säätelyreitin soluvapaan DNA:n metaboliassa.

Tulokset puoltavat soluvapaan DNA:n hyödynnettävyyttä vanhenemisen biomarkkerina ja antavat viitteitä sen roolista keskeisten vanhenemismuutosten synnyssä. Lisää tutkimuksia kuitenkin vaaditaan valottamaan niitä molekyylitason mekanismeja, jotka vastaavat soluvapaan DNA:n metaboliasta ja kytköksistä kudosten biologiseen vanhenemiseen.

Cell-free DNA (cf-DNA), which is released into circulation following cellular death and tissue injury, has recently emerged as a promising new indicator of the degree of the damage. In addition to assessing the quantities of circulating cf-DNA, qualitative features, such as the cf-DNA methylation level and fragment size distribution have been demonstrated to be useful diagnostic and prognostic markers in various pathologies. The fact that virtually every cell in the body can release cf- DNA makes this measure a highly sensitive indicator of homeostatic disturbances and alterations in the rate of cellular death. However, despite the growing utility of cf-DNA assessment, many aspects regarding the regulation of circulating cf-DNA levels and alterations in the composition of the total cf-DNA pool in physiological conditions, such as aging, are currently unknown. Likewise, it is unclear whether cf- DNA is merely a risk-indicating biomarker or whether it can acquire a pathogenic role in certain conditions.

In the studies comprising this dissertation, we aimed to examine the role of cf-DNA as a biomarker of different age-related phenomena using the Vitality 90+ study cohorts (n=258 and n=144). We investigated the utility of plasma total cf-DNA level to indicate age-associated inflammation and as a predictor of mortality in old age. To assess the composition of cf-DNA, the following different cf-DNA species were quantified: total, unmethylated, RNase P-coding and Alu repeat cf-DNA and the mitochondrial DNA (mtDNA) copy number. These cf-DNA species were also analyzed for their relationship to age-associated changes in the immune system and functional performance. In addition, we determined the immunological responses associated with plasma cf-DNA levels using the Vitality 90+ study nonagenarians and young control individuals. To elucidate the mechanisms that are responsible for cf-DNA metabolism and to determine the role of genetics in the regulation of serum cf-DNA levels, a genome-wide association study (GWAS) was preformed in the Cardiovascular Risk in Young Finns study cohort (n=1841).

Except for mtDNA copy number, the plasma levels of all of the cf-DNA species, exhibited age-associated increase, and the total cf-DNA level was an independent 4- year mortality predictor in the nonagenarians. The plasma levels of total and unmethylated cf-DNA correlated directly with the level of systemic inflammation and impairments in cognitive and physical performance. Moreover, the plasma mtDNA copy number correlated directly with the markers of physical impairment in the nonagenarians. The immune cell responses that were associated with the plasma levels of total and unmethylated cf-DNAs included the activation of various immunoinflammatory pathways with increasing concentrations of these cf-DNA species in the nonagenarians but not in the young controls. In the GWAS, single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the UDP-glucuronosyltransferase 1 polypeptide A1 gene region were associated with serum cf-DNA levels among the Young Finns study subjects. The result identifies a previously unrecognized mechanism in the regulation of cf-DNA levels. In conclusion, plasma levels of total cf-DNA and unmethylated cf-DNA and the mtDNA copy number appear to be compelling biomarkers for various essential age- accompanied impairments. However, additional research will be required to establish the immunostimulatory potential of plasma cf-DNA in aged individuals and to elucidate the basis of the genetic regulation of cf-DNA levels.