การแก่ของอิพิเจเนติกส์และนาฬิกาชีวภาพอิพิเจเนติกส์

การแก่ของอิพิเจเนติกส์หมายถึงการเปลี่ยนแปลงอย่างเป็นระบบในอิพิเจโนม — ที่เห็นได้ชัดที่สุดคือรูปแบบการเมทิลเลชันของ DNA — ที่เกิดขึ้นพร้อมกับการแก่ตามลำดับเวลา นาฬิกาชีวภาพอิพิเจเนติกส์จะเปลี่ยนการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ให้เป็นการประมาณเชิงปริมาณของอายุทางชีวภาพ โดยใช้ระดับการเมทิลเลชัน ณ ตำแหน่งที่เลือกเพื่อทำนายอายุ และในบางกรณี เพื่อบ่งชี้การแก่ที่เร็วกว่าเมื่อเทียบกับอายุตามปฏิทิน

Definition

นาฬิกาชีวภาพอิพิเจเนติกส์คือแบบจำลองทางสถิติที่ประมาณอายุทางชีวภาพจากระดับการเมทิลเลชันของ DNA ณ ชุดของตำแหน่ง CpG ที่กำหนดไว้ ความแตกต่างระหว่างอายุที่ทำนาย (อิพิเจเนติกส์) กับอายุตามลำดับเวลา — การเร่งอายุทางอิพิเจเนติกส์ — ถูกศึกษาในฐานะเครื่องหมายบ่งชี้ที่เป็นไปได้ของการแก่ทางชีวภาพและความเสี่ยงต่อสุขภาพ

Scope

บทความนี้ครอบคลุมถึงการเปลี่ยนแปลงของเมทิลเลชันตามอายุ วิธีการสร้างและตีความนาฬิกาชีวภาพแบบหลายตำแหน่ง ความแตกต่างระหว่างตัวทำนายอายุตามลำดับเวลาและตัวบ่งชี้ทางชีวภาพที่เน้นการเสียชีวิต และตำแหน่งของการเปลี่ยนแปลงทางอิพิเจเนติกส์ในบรรดาคุณลักษณะสำคัญของการแก่ในวงกว้าง บทความนี้เป็นข้อมูลอ้างอิงทางวิทยาศาสตร์และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการประเมินสุขภาพส่วนบุคคลหรือการกล่าวอ้างเกี่ยวกับการชะลอวัย

Core questions

• เมทิลโลมมีการเปลี่ยนแปลงอย่างเป็นระบบตามอายุอย่างไร?
• นาฬิกาชีวภาพอิพิเจเนติกส์ถูกสร้างและตรวจสอบความถูกต้องในเนื้อเยื่อต่างๆ ได้อย่างไร?
• การเร่งอายุทางอิพิเจเนติกส์ทำนายอะไร และมีความน่าเชื่อถือเพียงใด?
• การแก่ของอิพิเจเนติกส์เป็นสาเหตุ ผลลัพธ์ หรือความสัมพันธ์ของการแก่?

Key concepts

• อายุการเมทิลเลชันของ DNA (DNAm age)
• การเร่งอายุทางอิพิเจเนติกส์
• นาฬิกาชีวภาพแบบหลายเนื้อเยื่อเทียบกับแบบเนื้อเยื่อเดียว
• นาฬิกาชีวภาพรุ่นแรกเทียบกับนาฬิกาชีวภาพที่อิงอัตราการเสียชีวิต
• การเปลี่ยนแปลงทางอิพิเจเนติกส์ในฐานะคุณลักษณะสำคัญของการแก่
• การเลือกตำแหน่ง CpG โดยการถดถอยแบบมีค่าปรับ

Mechanisms

เมื่ออายุมากขึ้น เมทิลโลมจะมีการเปลี่ยนแปลงที่โดดเด่น — การลดเมทิลเลชันทั่วทั้งจีโนมควบคู่ไปกับการเพิ่มเมทิลเลชันเฉพาะจุดที่ตำแหน่ง CpG ที่เฉพาะเจาะจง — และการเปลี่ยนแปลงทางอิพิเจเนติกส์เหล่านี้ได้รับการยอมรับว่าเป็นหนึ่งในคุณลักษณะสำคัญของการแก่ (López-Otín et al., 2013) นาฬิกาชีวภาพใช้ประโยชน์จากความสม่ำเสมอนี้โดยการเลือกตำแหน่ง CpG ที่การเมทิลเลชันติดตามอายุตามลำดับเวลา และรวมเข้ากับการถดถอยแบบมีค่าปรับ (penalized regression) เพื่อสร้างตัวทำนายอายุ นาฬิกาชีวภาพแบบหลายเนื้อเยื่อของ Horvath (2013) ประมาณอายุในเนื้อเยื่อหลายประเภทจาก CpG 353 ตำแหน่ง ในขณะที่นาฬิกาของ Hannum et al. (2013) ได้รับการพัฒนาในเลือด; นาฬิกาชีวภาพ 'รุ่นที่สอง' ในภายหลังได้รับการฝึกฝนจากอัตราการเสียชีวิตและผลลัพธ์ด้านสุขภาพมากกว่าอายุตามลำดับเวลาเพียงอย่างเดียว (Horvath & Raj, 2018) ปัจจัยทางชีวภาพที่เชื่อมโยงเครื่องหมายเหล่านี้กับกระบวนการแก่ยังคงอยู่ระหว่างการศึกษา

Clinical relevance

นาฬิกาชีวภาพอิพิเจเนติกส์เป็นเครื่องมือวิจัยสำหรับการศึกษาการแก่ทางชีวภาพและสุขภาพประชากร และการเร่งอายุทางอิพิเจเนติกส์มีความสัมพันธ์กับผลลัพธ์ด้านสุขภาพในการศึกษาเชิงสังเกตการณ์ บทความนี้อธิบายถึงวิทยาศาสตร์; ไม่ได้สนับสนุนการทดสอบอายุทางอิพิเจเนติกส์สำหรับการวินิจฉัย การพยากรณ์โรค หรือการแทรกแซงเพื่อชะลอวัยสำหรับแต่ละบุคคล

Epidemiology

นาฬิกาชีวภาพอิพิเจเนติกส์ถูกนำไปใช้ในกลุ่มประชากรขนาดใหญ่ ซึ่งการเร่งอายุทางอิพิเจเนติกส์แสดงความสัมพันธ์กับการเสียชีวิต โรคที่เกี่ยวข้องกับอายุ และปัจจัยเสี่ยง เช่น การสูบบุหรี่และโรคอ้วน แม้ว่าขนาดผลและประโยชน์ทางคลินิกจะแตกต่างกันไปตามนาฬิกาชีวภาพและประชากร (Horvath & Raj, 2018) การประมาณค่าขึ้นอยู่กับเนื้อเยื่อ แพลตฟอร์มอาร์เรย์ และผลลัพธ์ที่นาฬิกาชีวภาพได้รับการฝึกฝน

History

การเปลี่ยนแปลงการเมทิลเลชันที่เกี่ยวข้องกับอายุถูกสังเกตเห็นก่อนที่จะมีนาฬิกาชีวภาพ แต่การทำนายเชิงปริมาณเกิดขึ้นในปี 2013 ด้วยแบบจำลองสำคัญสองแบบ: นาฬิกาชีวภาพที่ใช้เลือดของ Hannum และคณะ และนาฬิกาชีวภาพแบบหลายเนื้อเยื่อของ Horvath (Hannum et al., 2013; Horvath, 2013) การกำหนดให้การเปลี่ยนแปลงทางอิพิเจเนติกส์เป็นคุณลักษณะสำคัญของการแก่ (López-Otín et al., 2013) ได้กำหนดบริบททางแนวคิด และบทความทบทวน 'ทฤษฎีนาฬิกาชีวภาพอิพิเจเนติกส์ของการแก่' ในภายหลังได้รวมสาขาวิชานี้ให้เป็นปึกแผ่น (Horvath & Raj, 2018)

Debates

อายุทางอิพิเจเนติกส์วัดการแก่เอง หรือเพียงแค่มีความสัมพันธ์กับการแก่?

นาฬิกาชีวภาพทำนายอายุตามลำดับเวลาได้อย่างแม่นยำ และการเร่งอายุมีความสัมพันธ์กับผลลัพธ์ แต่ยังไม่สามารถสรุปได้ว่าการเปลี่ยนแปลงการเมทิลเลชันที่เป็นพื้นฐานขับเคลื่อนการแก่ บันทึกการแก่แบบเฉื่อย หรือสะท้อนการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของเซลล์ ซึ่งจำกัดการตีความเชิงสาเหตุ

Key figures

• Steve Horvath
• Gregory Hannum
• Kang Zhang
• Kenneth Raj
• Carlos López-Otín

Seminal works

• hannum-2013
• horvath-2013
• horvath-raj-2018

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างอายุทางอิพิเจเนติกส์กับอายุตามลำดับเวลาคืออะไร?

อายุตามลำดับเวลาคือเวลาตั้งแต่เกิด ในขณะที่อายุทางอิพิเจเนติกส์คือการประมาณอายุทางชีวภาพที่ได้จากรูปแบบการเมทิลเลชันของ DNA; เมื่ออายุทางอิพิเจเนติกส์เกินอายุตามลำดับเวลา สิ่งนี้เรียกว่าการเร่งอายุทางอิพิเจเนติกส์ และถูกศึกษาในฐานะเครื่องหมายบ่งชี้ที่เป็นไปได้ของการแก่ทางชีวภาพที่เร็วขึ้น

นาฬิกาชีวภาพอิพิเจเนติกส์สามารถบอกได้หรือไม่ว่าใครจะอยู่ได้นานแค่ไหน?

ไม่ นาฬิกาชีวภาพอิพิเจเนติกส์อธิบายความสัมพันธ์ในระดับประชากรระหว่างการเร่งอายุกับผลลัพธ์ เช่น ความเสี่ยงต่อการเสียชีวิต; เป็นเครื่องมือวิจัยและไม่ได้ทำนายอายุขัยของแต่ละบุคคลหรือชี้นำการตัดสินใจด้านสุขภาพส่วนบุคคล