Den epigenetiske klokken GerIT 1. november 2016

Innledning – epigenetisk klokke Kort om meg selv Hvorfor er aldring viktig i indremedisin generelt? Aldring i perspektiv – aldring hos dyr Den epigenetiske klokken Prosjekt: transplantasjon og den epigenetiske klokken Jeg skal først si noe om hvorfor aldring og kunnskap om aldring er viktig i infeksjonsmedisin og indremedisin generelt. Jeg har jo vært en stund på geriatrisk avdeling også…. Så skal jeg snakke om den epigenetiske klokken som er en stor nyvinning innen forskning på aldring og som derfor er viktig for oss på indremedisin.

Kort om meg selv Arne Søraas, LIS nå på infeksjonsavdelingen på Ullevål Spesialist i indremedisin og snart infeksjonsmedisin Doktorgrad om resistente bakterier og ESBL Interesse for aldringsprosessen og den epigenetiske klokken etter å ha jobbet lenge på geriatri på Ullevål Har vært med på å starte et lite forskningsprosjekt om epigenetisk alder

Aldring og indremedisin Høy alder er den viktigste risikofaktoren for innleggelse ved indremedisinsk avdeling og død Alder er en så dominerende risikofaktor at det knapt finnes en studie som ikke korrigerer for alder Når vi korrigerer for alder i en studie «forsvinner» alder som risikofaktor slik at det er mulig å se på de andre – ofte mye mindre dominerende risikofaktorene. Ca 8 år for mennesker. Før jeg snakker mer om den epigenetiske klokken; den har med aldringsprosessen å gjøre, men for å lage litt perspektiv på det tenkte jeg å si litt om andre arter og aldring hos de. Antall per 100.000 mennesker som dør per år i USA fordelt på aldersgrupper

Aldring hos andre arter Det er mange måter å aldres på…

Forhold mellom vekt og levetid i fugler og pattedyr Relationships between body mass and maximum lifespan in birds and mammals. Silhouettes highlight a selection of species with much longer or shorter lifespans than expected given their body size. Kevin Healy et al. Proc. R. Soc. B 2014;281:20140298

Mus Vekt: 0,02 kg (20 g) Levetid: 2-3 år

Grønnlandshval Vekt: 100.000 kg Levetid: 200 år En mus dør av kreft. Jeg vet ikke hva Bowhead hval dør av, men den har altså 100 ganger å kort levetid og den veier 5 millioner ganger så lite. Man kunne forvente en 5 hundre millioner ganger større risiko for kreft enn mus, men det har den ikke. Grønnlandshval Vekt: 100.000 kg Levetid: 200 år

Hydra Schiable R, et al. PNAS 2015: «Constant mortality and fertility over age in Hydra»

Kråkebolle S. franciscanus: 100 år L. variegatus: 4 år To like arter med svært forskjellig levetid. S. franciscanus: 100 år L. variegatus: 4 år Aging (Albany NY). 2016 Feb; 8(2): 260–271.

Verdens eldste dyr: >400 år Et lite dyr som lever i 500 år. Dette viser at aldring i naturen er svært forskjellig fra hvordan den er hos mennesker. Den er også svært plastisk med enkle midler. http://voices.nationalgeographic.com/2014/02/04/6-of-the-worlds-longest-lived-animals Nielsen J, Science 2016

Relative mortality (red) and fertility (blue) as functions of age, from maturity to the age when only 5% of the adult population is still alive Levetid i naturen følger mange kurver – neste slide: mange er ganske rare! OR Jones et al. Nature (2013)

Hallmarks of cancer Sitert 24.000 ganger Hannan D, Cell, 2000

Kjennetegn ved aldring Manifestasjoner av normal aldring Skal kunne fremkalle aldringsliknende symptomer ved eksperimentell manifestering Skal kunne forsinke aldring ved eksperimentell fjerning Sitert 1400 ganger López-Otín C, Cell, 2013

Epigenetisk klokke Antakelig beste laboratoriemetoden i dag for å måle biologisk alder Publisert i 2013. Lite kjent i Norge. Kan være et anvendelig verktøy i mange situasjoner Kan gi mekanistisk informasjon om aldringsprosessen

Epigenetikk Alle celler i kroppen har samme DNA Årsaken til at de oppfører seg forskjellig er hvilke gener som er aktive i cellen I en hjerneceller er hjernegener aktive, mens i hud er hudgener aktive. Det er over 100 forskjellige typer celler i menneskekroppen. Det som styrer om gener er slått av eller på er epigenetiske merker på og rundt gensekvensene. Disse kopieres til dattercellene når en celle deler seg En ting som virkelig har manglet i aldringsforskning –spesielt på mennesker som lever svært lenge – er en mulighet til å måle biologisk alder. Hvis man kan måle alderen blir det svært mye lettere å se på effekt av eventuelle intervensjoner! Denne muligheten kom kanskje i 2013. <5% av gener gir proteiner – resten styrer når og hvor og hvor mye som skal lages.

Befruktet eggcelle Epigenetiske endringer Forskjellige typer celler. Samme gener. Forskjellig epigenetikk. Nervecelle Muskelcelle Levercelle Bilde fra: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2012/popular-medicineprize2012.pdf

Epigenetiske markører Det er mange typer epigenetiske markører som har forskjellige funksjoner. Et eksempel er DNA metylering der en metyl gruppe er koblet til C (cytosin) på DNA strengen. En C der det ofte kobles til en metyl-gruppe kalles et «CpG site» Metylering skjer ofte i områder som er med på å styre om gener uttrykkes og forekommer før, i eller etter genet. Genekspresjon endres med alderen, men «vet» cellen hvor gammel den er? De epigenetiske Kort om epigenetisk klokke Hvorfor denne er gunstig – måle aldring istedenfor mortalitet. Er cellene hos eldre fundamentalt annerledes enn hos yngre?

Måling av metylering Illumina Methylation450 Beadchip Måler metylering rundt 99% av gener ~488,000 CpG sites Angir hvor mange % av celler som er metylerte på hvert CpG site De fleste epigenetiske klokkene bygger på måling av metylering med denne chipen Kun på menneske RefSeq misses ~4,000 NCBI genes. Det finnes titalls millioner CpG sites I genomet. Bilde fra: https://sharedresources.fredhutch.org/services/microarrays

𝑫𝑵𝑨 𝒎𝒆𝒕𝒚𝒍𝒆𝒓𝒊𝒏𝒈𝒔𝒂𝒍𝒅𝒆𝒓=−15.7*cpg1 + 1.05*cpg2 + 3.87*cpg3 + ... DNA metyleringsalder Ved å se på bare noen titalls eller hundretalls CpG sites er det mulig å vite omtrent hvor gammel en person er – en «epigenetisk klokke» Den mest kjente klokken bruker 353 sites Laget på UCLA av statistikeren Steve Horvath ved å korrelere metyleringsdata og alder fra flere tusen personer 𝑫𝑵𝑨 𝒎𝒆𝒕𝒚𝒍𝒆𝒓𝒊𝒏𝒈𝒔𝒂𝒍𝒅𝒆𝒓=−15.7*cpg1 + 1.05*cpg2 + 3.87*cpg3 + ... 3000-4000 datasett. Horvath S, 2013

God sammenheng mellom kronologisk alder og DNA metyleringsalder Egenskaper: De fleste vev har omtrent samme biologiske alder. Lite avhengig av antall celledelinger. Horvath S, Genome Biology, 2013, with permission from the author

Stemmer godt i de fleste vev.

«Klokken» blir langsommere etter 20-års alder Horvath S, Genome Biology, 2013

Befruktet eggcelle – blir til en helt ny organisme Tid Befruktet eggcelle – blir til en helt ny organisme Epigenetiske endringer Forskjellige typer celler. Samme gener. Forskjellig epigenetikk. Ung Nervecelle Muskelcelle Levercelle Epigenetiske endringer Forskjellige typer celler. Samme gener. Forskjellig epigenetikk. Eldre Nervecelle Muskelcelle Levercelle Epigenetiske endringer Forskjellige typer celler. Samme gener. Forskjellig epigenetikk. Gammel Nervecelle Muskelcelle Levercelle Bilde fra: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2012/popular-medicineprize2012.pdf

Epigenetisk alder = biologisk alder? Bérénice A. Benayoun et al., 2015

DNA metyleringsalder er en uavhengig prediktor for mortalitet Hvis man har en raskere metylerings-”klokke” er man mer utsatt for både kreft, hjertesykdom og demens. Hvis du er slektning av noen som ble 100 har du ofte en langsommere klokke. Korrelert med frailty Mye tyder på at DNA metyleringsalder ligger nært på en “biologisk klokke” En markør for aldring MÅ også forutsi mortalitet og dette resultatet kom i 2015 der de så på en rekke større cohorter inkludert fra den berømte Framingham studien. Frailty: Lutz Philipp Breitling et al. 2016: +12 år hos 63 åringer øket en 34 punkts frailty index med 1 punkt. Marioni RE, et al. Genome biology 2015; 16: 25

Spørsmål! Hva viser egentlig den epigenetiske klokken? Hvordan kan én epigenetisk markør predikere så forskjellige sykdommer som demens, hjerte- og karsykdom og kreft? Forårsaker de epigenetiske forandringene andre sykdommer, er de en følge av aldringen eller begge deler? Er det mulig å endre den epigenetiske alderen og hva skjer da? Hvert CpG site endrer seg nokså lite gjennom livet – for eksmepel at 20-30% av cellene er metylert på det stedet fra ung til gammel. Lite variasjon mellom mennesker på disse stedene. Hver celle har to sites så den er altså 0, 50 eller 100% metylert. Dette er bakenforliggende biologi for alle de store sykdomsgruppene.

DNA metyleringsalder kan resettes Ved befruktning Når man lager en indusert pluripotent stamcelle (iPS) – Nobelpris i fysiologi 2012. En iPS har DNA metyleringsalder 0 år Oct4, Sox2, cMyc, og Klf4 Hudcelle iPS Forskjellige typer celler – nerve, muskel, lever… https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2012/popular-medicineprize2012.pdf

Heterokron parabiose - prinsipp God metode for å undersøke hvordan stoffer i blod hos et dyr påvirker et annet dyr. Ved parabiose mellom mus av forskjellig alder ser det ut til at de fleste organene hos de eldre musene bedrer sin funksjon.

Mikroskopi av muskel noen dager etter en skade Rødt er muskelceller som vokser Ung Gammel Gammel i parabiose med ung Conboy IM et al. Nature, 2005

Kognitive funksjoner bedres Plasma fra unge mus er i seg selv nok til å bedre hukommelse. Villeda SA et al, Nature Medicine, 2014

Eldre mus påvirker yngre mus negativt Stoffer i blodet til eldre mus hemmer vekst av nerveceller (mørkebrunt) i hjernen hos unge mus Nature 477, 90–94 (01 September 2011)

Parabiose – epigenetisk alder Det ser ut som parabiose reverserer flere kjennetegn ved aldring Påvirkes den epigenetiske alderen?

Vårt prosjekt Hvordan oppstår den epigenetiske alderen og hvordan kan den være nesten lik i alle vev? Sentral koordinering eller en «klokke» i hver celle? Lar det seg gjøre å endre epigenetisk alder hos voksne?

Prosjektskisse

Prosjektgruppen Samarbeid mellom John Arne Dahl ved laboratorium for genomreparasjon- og regulering og meg med avdelingene for benmargstransplantasjon ved Rikshospitalet (Tobias Gedde-Dahl og Jochen Buchener) REK godkjent høst – 15 Veldig godt mottat av flere forskergrupper i USA som vi nå samarbeider med: Steve Horvath ved UCLA Luigi Ferrucci ved NIA Shigemi Matsuyama (Case Western Reserve University) ++ Pilot med 5 pasient-donor par hos oss Helse Sør-Øst søknad - (ønsk oss lykke til!) Jeg var eneste nordmann.

Takk til Olav Raagholt og Gerd Meidel Raagholts stiftelse for forskning Spørsmål?

Økning i forventet levealder ved fødsel ved eliminasjon av bestemte dødsårsaker Nå har jeg sagt litt om urinveisinfeksjon, litt om aldring. Det har tidligere vært mer eller mindre umulig å måle aldring, men nå skal jeg si litt om dette feltet fordi det er nyttig for alle i indremedisin og kanskje spesielt forskning. National Vital Statistics Report, CDC, 2013

Forskning på aldringsprosessen Det er svært lite ressurser i forskning på aldringsbiologi selv om dette er den bakenforliggende årsaken til de fleste dødelige sykdommer.

1993 Rundormen C. elegans Cynthia Kenyon, nå visepresident for aldringsvitenskap, Calico (Alphabet/Google, https://abc.xyz) Allerede i 1993 skapte Cynthia Kenyon sensasjon ved å vise at en enkeltmutasjon i et gen hos C. elegans doblet levetiden uten å påvirke fruktbarheten. Slike mutasjoner er ikke funnet hos mennesker, men det finnes en mengde gener som kan legges til eller trekkes fra og som påvirker levetiden i stor grad. Lengre levetid gir oftest også bedre helse lengre. C. Elegans med en mutasjon i DAF-2 genet lever dobbelt så lenge som normalt og har samme fruktbarhet! Nature 366 (6454): 461–464

Det kan faktisk være mulig å få til noe! Mus levde 20-30% lengre når senesente celler ble fjernet (Nature 2016) Generelt for forsøk der gener fjernes eller legges til og endrer levetid er at den friske tiden av livet blir forlenget.

Nikotinamidribosid øker livslengden når det blir gitt til to år gamle mus Mus begynte behandling med nikotinamidribosid (NR) 2 år gamle og ble fulgt til de døde. Mus som fikk placebo (CD) levde kortest. Hongbo Zhang et al. Science 2016;352:1436-1443

Epigenetikk Mindre enn 5% av DNA hos mennesker koder for proteiner - «resten» brukes til å styre når og hvor mye proteiner som skal lages. Genekspresjon endres med alderen, men «vet» cellen hvor gammel den er? http://biomedicalcomputationreview.org/sites/default/files/u6/e_epigenetic_mechanisms_nature_1.jpg Robertson KD & Wolffe AP (Nat Rev Gen) 2000