En 13-årig undersøgelse identificerer ungdommens kilde ved hjælp af genterapi

Resumé

Forfatterne af denne artikel brugte en velformuleret, billedrig metafor til at skitsere De centrale resultater i denne forholdsvis komplekse publikation:

• Pattedyrs genom kan betragtes som vores biologiske hardware.
• Epigenomet kan ses som vores software. Det ændrer ikke selve hardwaren, men bestemmer, hvordan vi bruger den.
• Indtil nu har vi troet, at en funktionsfejl i hardwaren (dvs. DNA-skader) er hovedårsagen til aldring.
• Resultaterne af denne undersøgelses eksperimenter tyder på det modsatte. Softwaren ser ud til at være drivkraften bag den biologiske aldringsproces.
• Forskerne forstyrrede laboratoriemusenes software, mens de sikrede, at hardwareen forblev upåvirket. Der blev observeret en fremskyndet aldringsproces. En banebrydende opdagelse!

Men det bliver endnu bedre:

• Derudover, de brugt genterapi for at gendanne musenes software til en tidligere, mere ungdommelig tilstand.
• De vidste ikke, at det virkede, men det gjorde det, og det tyder på, at musenes celler gemmer en backup af deres software.
• Hvis din software bliver beskadiget som følge af naturlige aldringsprocesser, kan vi ganske enkelt genoprette dens ungdommelighed ved hjælp af cellens sikkerhedskopi.

Alt i alt er det spændende nyheder, da det er langt nemmere at rette fejl i vores software end at reparere eller udskifte hardwaren.

Ordliste

For at få mest muligt ud af vores sammenfatning af undersøgelsen længere nede anbefaler vi, at du sætter dig ind i følgende begreber:

Baggrund for studiet

Denne international studie, med titlen »Tab af epigenetisk information som årsag til aldring hos pattedyr«, har været 13 år undervejs og blev endelig offentliggjort den 12. januar i tidsskriftet *Cell*. Artiklen er forfattet af et internationalt forskerteam, herunder David Sinclair, professor i genetik ved Harvard Medical School, der er kendt for sin banebrydende forskning i aldring og selv tager et dagligt kosttilskud på 1 gram NMN. Publikationen beskriver en lang række eksperimenter, der er blevet gennemført for at identificere årsagerne til aldring på molekylært niveau.

Hvilke kosttilskud tager Dr. Sinclair? Læs hans longevity-rutine

Tidligere resultater og RCM-hypotesen

• Forskere har knyttet aldring til brud på dobbeltstrenget DNA, som opstår i cirka 10 til 50 celler om dagen.
• I det seneste er der dog blevet stillet spørgsmålstegn ved, om DNA-mutationer rent faktisk er den primære årsag til aldring. Flere forskningsresultater tyder på, at der måske er mere bag historien.
  • Det viste sig, at forskellige typer af ældre celler havde meget få mutationer, og man har ikke konstateret, at nogle mus eller mennesker ældes for tidligt.
  • Desuden tyder resultaterne fra undersøgelser med gær fra 1997 på, at det er tabet af epigenetisk information – snarere end genetisk information – der muligvis kan forårsage aldring.
  • Senere blev epigenetiske forandringer også sat i forbindelse med aldring hos dyr som fluer, orme og nøgne muldrotter.

Dette fik dr. Sinclair og hans team til at fremsætte “RMC-hypotesen« (Relocalization of Chromatin Modifiers).

RCM-hypotesen går ud fra, at aldring i dyreceller skyldes tab af epigenetisk information og transkriptionsnetværk over tid. Den underliggende mekanisme, der forårsager dette, har udviklet sig til at medregulere vores reaktion på cellulære skader såsom dobbeltstrengede DNA-brud (DSB’er).

Sådan tester ICE RCM-hypotesen

For at teste denne hypotese udviklede forskerne metoder, der gjorde det muligt for dem først at nedbryde og derefter nulstille den epigenetiske information både in vitro (i celler) og in vivo (i mus).

Det vigtigste forsøg gik ud på at lave midlertidige brud i laboratoriemusenes DNA. Bruddene skulle ligne de små kromosombrud, der dagligt opstår i vores celler og i musenes celler over tid som følge af sollys, kemikalier, kosmisk stråling og andre miljøfaktorer.

Husk, at de ønsker at undersøge, hvordan epigenetiske ændringer påvirker aldringen, så disse brud blev udformet med det formål udelukkende at ændre epigenomet; de blev derfor ikke foretaget inden for musenes DNA’s kodende område for at forhindre genmutationer (dvs. ikke-mutagene brud)

Den nyudviklede metode til disse bevidste kromosombrydninger fik navnet ICE-systemet. Forsøgsdyrene fik det passende kælenavn ICE-mus.

Så hvis RCM-hypotesen holder stik, bør disse mutagene brud fremskynde den epigenetiske aldring hos ICE-musene og ligeledes fremskynde andre aldersrelaterede træk sammenlignet med deres nære slægtninge (kontrolgruppen, der ikke blev udsat for nogen brud).

Hvad skete der, efter at musene havde pådraget sig disse brud?

I starten var der ingen forskel i deres adfærd, aktivitetsniveau og fødeindtag sammenlignet med de negative kontrolgrupper. Efter at have været udsat for et brud skiftede de epigenetiske faktorer simpelthen fokus fra at regulere gener til at koordinere reparationen af DNA-bruddene. Da bruddet var blevet repareret, vendte de tilbage til deres tidligere opgave med at regulere gener.

Efter en måned med ICE begyndte der imidlertid at ske visse forandringer. ICE-musene udviklede hårtab og mistede pigmentet på næse, ører, fødder og hale. Disse fysiologiske forandringer ses typisk hos mus i middelalderen.

Efter 10 måneder havde ICE-musene også tabt kropsvægt, havde et lavere respirationsforhold og bevægede sig mindre i mørkefasen. Alt dette er typiske kendetegn, der indikerer alderdom hos mus. Fundene under mikroskopet stemte overens med disse observationer: Forskerne bemærkede, at de ovennævnte epigenetiske faktorer ikke vendte tilbage til deres normale funktion efter at have repareret DNA-brud. Dette resulterede i kaos og funktionsforstyrrelser i epigenomet.

Selvom vi allerede kan være temmelig sikre på, at ICE-musene faktisk ældedes hurtigere, gik forskerne et skridt videre og anvendte et værktøj udviklet af deres laboratorium, som gjorde det muligt for dem at måle musenes biologiske alder. DNA-methyleringsuret kan anvendes på celler, væv eller organismer. Den biologiske alder hos ICE-musene var markant højere sammenlignet med de ubehandlede negative kontrolgrupper.

Kort sagt viste forsøget, at de ikke-mutagene DNA-brud hos mus, som efterligner DNA-brud i hverdagen:

• Fremskynde aldringen, som det kommer til udtryk gennem fysiologiske forandringer, såsom hårtab, tab af pigmentering, lavere kropsvægt, mindre bevægelse i mørke perioder og et lavere RER (respiratorisk udvekslingsforhold).
• Fremskyndet aldring, som defineret ved DNA-methyleringsuret, der måler alder biologisk og ikke kronologisk.
• Det påvirkede det epigenetiske landskab negativt, da de epigenetiske faktorer ikke vendte tilbage til reguleringen af DNA'et efter at have reguleret reparationen af de inducerede DNA-brud.

Disse resultater underbygger de antagelser, der ligger til grund for RCM-hypotesen.

billede fra CellPress

Fornyelse af ICE-mus

På dette tidspunkt kunne forskerne dog endnu ikke med sikkerhed fastslå, at DNA-mutationer ikke var årsagen til disse effekter. For at udelukke denne mulighed måtte de nulstille epigenomet i både in vivo- og in vitro-forsøg.

For at gennemføre denne “genterapi” med henblik på at genoprette epigenomet indførte de tre gener, der kaldes Oct4, Sox2 og Klf4. Denne trio betegnes som OSK. Disse gener aktiveres normalt under fosterudviklingen og findes naturligt i stamceller. De hjælper modne celler med at vende tilbage til en mere ungdommelig tilstand.

Et sjovt faktum: I 2020 var Sinclairs laboratorium var i stand til at genoprette synet hos blinde laboratoriemus ved hjælp af disse tre gener

Resultaterne af denne genterapi

ICE-musenes væv og organer blev med succes genoprettet til en tidligere tilstand forbundet med ungdommelighed. Vi ved endnu ikke, hvordan OSK-baseret genterapi opnår dette, men alt, hvad vi ved, er, at det virker. Vi ved også, at en sikkerhedskopi er nødvendig for at gendanne data. Da sikkerhedskopien ikke kan være inde i OSK-generne, skal den være inden for pattedyrcellerne hos ICE-musene. Med andre ord: Musenes celler indeholder en potentiel ungdommens kilde, og vi fandt en måde at tappe ind i den på!

Hovedpunkterne

Forskerens omfattende sæt af eksperimenter bekræfter, at den primære årsag til aldring ikke er DNA-ændringer. I stedet ser det ud til, at aldring drives af ændringer i kromatinets struktur, som er en epigenetisk faktor, der er ansvarlig for dannelsen af kromosomer.

For forskere inden for anti-aging er disse nye resultater yderst opmuntrende og spændende, fordi det er langt nemmere at påvirke de molekyler, der styrer epigenetiske faktorer, end at vende DNA-mutationer. Undersøgelsen viste, at vi kan styre musenes alder præcist. Vi kan fremskynde, bremse eller vende aldringsprocessen, som vi ønsker.

Undersøgelsen viste desuden, at pattedyrceller fra mus gemmer en sikkerhedskopi af deres epigenetiske information. Ved hjælp af tre gener, der går under navnet OSK, blev epigenomet genoprettet til en ungdommelig tilstand ved hjælp af denne sikkerhedskopi.

Vil ICE- og OSK-genterapi virke hos mennesker?

Laboratoriemus har mange ligheder med mennesker, når det gælder genetik og fysiologi. Der er dog også væsentlige forskelle mellem de to arter, som man skal tage højde for, når man fortolker resultaterne af prækliniske undersøgelser.

En væsentlig forskel er, at mus lever væsentligt kortere end mennesker, hvilket kan påvirke udviklingen og forløbet af visse sygdomme. Derudover kan størrelsen og opbygningen af visse organer, såsom hjernen, variere mellem de to arter.

På trods af disse forskelle findes mange af de cellulære og molekylære processer, der forekommer hos mus, også hos mennesker, hvilket gør mus til nyttige modeller til undersøgelse af sygdomme hos mennesker. Da mennesker og mus er meget ens på celleniveau (begge er pattedyrceller), er det sandsynligt, at menneskeceller også har sikkerhedskopier af deres epigenom.

Fremad

ICE-metoden er en stor milepæl for forskningen i anti-aging. Fremtidige forsøg på musenes epigenom vil sandsynligvis blive billigere og hurtigere, da ICE-mus bliver ældre efter kun seks måneder i stedet for de sædvanlige 1,5 til 2 år.

Der bør gennemføres yderligere forsøg for at fastslå, hvordan OSK-genterapi udløser det bemærkelsesværdige “foryngelsesprogram”, der er observeret hos mus. Måske kan der identificeres andre, mere effektive måder at genoprette den epigenetiske sikkerhedskopi på.

Forskerne håber, at denne publikation ikke blot vil inspirere forskere til at udforske, hvordan vi kan regulere vores biologiske alder, men også til at forebygge sygdomme og lidelser, der er forbundet med høj alder, såsom type 2-diabetes, neurodegenerative sygdomme og hjerte-kar-sygdomme (den hyppigste dødsårsag i de fleste lande).

Et overbevisende klinisk forsøg med NMN-kosttilskud: Læs videre i denne lovende undersøgelse om NMN.