גלה כיצד שינויים בהיסטונים חושפים את סודות ההזדקנות האנושית, ומתחרים עם הדיוק של מתילציה של DNA בפענוח העידן הביולוגי.
מחקר: סימן גיל ההיסטון של רקמות אנושיות וסוגי תאים. קרדיט תמונה: peterschreiber.media / Shutterstock
במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת התקדמות המדעקבוצת חוקרים חקרה את התפקיד של שינויים בהיסטון בהזדקנות האדם על ידי פיתוח והערכת מודלים לחיזוי גיל ספציפי להיסטון על פני רקמות וסוגי תאים.
רֶקַע
ההזדקנות כרוכה בשינויים תאיים ומולקולריים מורכבים, כולל שינויים אפיגנטיים כמו מתילציה של חומצה Deoxyribonucleic (DNA) וסימני היסטון. מנבאי גיל, או "שעונים", פותחו תוך שימוש בנתוני מתילציה של DNA, תעתיקים וכימיה בדם, כאשר מודלים מבוססי מתילציה משיגים שגיאה מוחלטת חציונית של ~4 שנים.
בעוד שסימני ההיסטון מציעים מסגרת ניתנת לפירוש המבוססת על קוד ההיסטון, הפוטנציאל שלהם לבניית מנבאי גיל מדויקים נותר לא נחקר. מחקרים הראו שינויים הקשורים לגיל בשינויים ההיסטונים, מה שמצביע על התועלת שלהם במודל הזדקנות. עם זאת, המחקר מדגיש שגודל המדגם ממלא תפקיד קריטי בקביעת הדיוק והאמינות של מנבאים כאלה.
דרוש מחקר נוסף כדי להבין במלואו את תפקידם ולבסס שעונים מבוססי היסטון הדומים למנבאים מבוססי מתילציה קיימים.
על המחקר
חוקרים אספו 1,814 דגימות של רצף חיסוני של כרומטין של רקמות אנושיות (ChIP-seq) מפרויקט Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) בפורמט bigWig כדי ליצור ולפרש מנבאי גיל מבוססי היסטון.
הדגימות כללו שבעה שינויים בהיסטון: טרימתילציה של היסטון H3 ליזין 4 (H3K4me3), אצטילציה של היסטון H3 ליזין 27 (H3K27ac), טרימתילציה של היסטון H3 ליזין 27 (H3K27me3), מונומתילציה של היסטון H3 ליזין 4 (H3K4me3 היסטון H3K4me1), (H3K36me3), טרימתילציה של היסטון H3 ליזין 9 (H3K9me3), ואצטילציה של היסטון H3 ליזין 9 (H3K9ac).
עיבוד נתונים כלל ממוצע של לוגריתם בסיס 10 השלילי של אותות ערכי P על פני גופי גנים באמצעות הערות Homo sapiens משחרור 105 של Ensembl. דגימות עם תכונות חסרות משמעותיות נזרקו, וערכים חסרים הוצפנו כאפס.
אזורים גנומיים שונים נותחו, כולל אזורים בין-גניים ודינוקלאוטידים ציטוזין-פוספט-גואנין (CpG). דגימות עובריות קודד עם התאמות בשבוע ההריון, בעוד שדגימות אנונימיות מעל 90 הוקצו לגיל 90.
כדי לבדוק ביצועים במבחנה, נאספו 568 דגימות נוספות המשתרעות על פני 12 סימני היסטון. נתונים זקופים ממערך הנתונים של אבוקדו של ENCODE הוסיפו 1,379 דוגמאות, והעצימו את מערך ההדרכה. מנבאי גיל השתמשו בבחירת תכונה מבוססת רגולציה של Elastic Net, ניתוח רכיבים עיקריים (PCA) עם פירוק וקטור תמיכה קטוע, ורגרסית קביעת רלוונטיות אוטומטית, הכל מיושם ב-Python. הערכת ביצועים השתמשה באימות צולב פי 10 כדי למנוע מדדי דיוק מנופחים באופן מלאכותי, למעט דגימות סרטן.
מנבאים מבוססי היסטון הושוו למנבאים מבוססי מתילציה של DNA, כאשר המחקר מציין את ההשפעה של ההבדלים בגודל המדגם והתפלגות מערך הנתונים על ההשוואה. פרשנות מנבא כללה ניתוח העשרה של מערכי גנים (GSEA), בחירת גנים התורמים באופן משמעותי לדיוק חיזוי הגיל. ניתוחים סטטיסטיים השתמשו בחבילות Python, והבטיחו אימות.
תוצאות המחקר
תוך התמקדות בשבעה סימני היסטון (H3K4me3, H3K27ac, H3K9ac, H3K9me3, H3K27me3, H3K36me3 ו-H3K4me1), החוקרים השתמשו בנתונים מ-1,814 דגימות רקמות אנושיות המשתרעות על פני 82 רקמות וקבוצות גיל, החל מ-90 שנים ועד לשלבים עובריים. הדגימות ייצגו הקשרים ביולוגיים מגוונים ועובדו בשיטות סטנדרטיות כדי להבטיח עקביות ומהימנות.
כדי ליצור מנבאי גיל, החוקרים הפחיתו את הממדיות של הנתונים על ידי ממוצע של ערכי P שליליים שעברו טרנספורמציה של לוג עבור כל שינוי היסטון על פני גופי גנים. לאחר מכן, ערכים אלה שונו כדי לייצב את השונות. קירוב והשלכה אחיד של סעפת חלוקה (UMAP) ו-PCA חשפו צבירת מקבץ מובהקת על בסיס סוג היסטון, עם מגמות מסוימות הקשורות לגיל, במיוחד עבור דגימות מעל גיל 70.
סימני היסטון הראו מתאמים מובהקים עם הגיל, במיוחד הסימנים המדכאים H3K9me3 ו-H3K27me3, שפחתו עם הגיל, והסימן המפעיל H3K4me3, שעלה. יש לציין כי המחקר ראה ששונות האות עבור כל סימני ההיסטון גדלה עם הגיל, מה שהדגיש סחף אפיגנטי כגורם מפתח בירידה בוויסות. תצפיות אלו הודיעו על התפתחות מנבאי גיל רב-משתנים באמצעות ElasticNet לבחירת תכונה, ניתוח רכיבים עיקריים להפחתת רעש, ורגרסית קביעת רלוונטיות אוטומטית להערכת גיל.
מנבאי הגיל הספציפיים להיסטון הפגינו ביצועים חזקים, כאשר H3K4me3 השיג את הדיוק הגבוה ביותר (r=0.94 של פירסון, שגיאה מוחלטת חציונית = 4.31 שנים). השוואות עם מנבאים מבוססי מתילציה של DNA הצביעו על דיוק דומה, במיוחד עבור הפעלת סימני היסטון, אם כי המאמר מציין שלמנבא מתילציה של DNA יש לעתים קרובות הטיה צעירה יותר בהתפלגות גיל המדגם, מה שיכול להשפיע על השוואות ביצועים. ניסויים נוספים עם נתוני תאים זקופים וראשוניים אישרו את המהימנות והדיוק של מנבאי סימן ההיסטון.
ניתוחי GSEA ומסלולים הדגישו תהליכי התפתחות, ויסות תעתיק ומסלולים הקשורים לחומצה ריבונוקלאית (RNA) כתורמים מרכזיים לחיזוי גיל. גנים מקודדי היסטון וגנים הקשורים לגיל כגון Homeobox D8 (HOXD8), Thioredoxin Interacting Protein (TXNIP), ו- Period Circadian Regulator 1 (PER1) היו קשורים מאוד לשינויים בסימני ההיסטון.
המחקר גם הציג מנבא גיל פאן-היסטון, פאן-רקמות, הממנף מגמות משותפות הקשורות לגיל על פני סימני היסטון. מודל זה לא רק ביצע בהשוואה למנבאים ספציפיים להיסטון אלא גם הדגיש את הדפוסים האפיגנטיים המשותפים על פני הגנום העומדים בבסיס ההזדקנות.
מסקנות
מאז התפתחותם של מנבאי גיל המבוססים על מתילציה של DNA, הביו-הורולוגיה התרחבה במהירות, והציעה סמנים ביולוגיים כמו אורך הטלומרים, התעתיק והפרוטאומיקה. בעוד שעוני מתילציה של DNA מדויקים, פרשנותם היא לעתים קרובות מאתגרת בגלל אסוציאציות גנים מעורפלות. לעומת זאת, מנבאים מבוססי סימני היסטון חושפים גנים הקשורים להתפתחות, ויסות יממה והזדקנות. באמצעות נתוני ChIP-seq, החוקרים יצרו מנבאי גיל משבעה סימני היסטון.
באופן מכריע, המחקר הוכיח שמודלים שאומנו על סימן היסטון אחד יכולים לחזות גיל באמצעות אחר, תוך שימת דגש על המידע האפיגנטי המשותף על פני שינויים היסטונים. מחקר זה מדגיש את יכולת הפרשנות והפוטנציאל של מנבאים מבוססי סימן היסטון ככלי חזק להבנת ההזדקנות האפיגנטית ופיתוח מודלים להערכת גיל.
