Nowe badanie prowadzone przez USC Leonard Davis School podkreśla, w jaki sposób transpozony — powszechnie nazywane „skaczącymi genami” ze względu na ich zdolność do przemieszczania się do różnych części genomu — są powiązane z chorobami i schyłkiem związanymi z wiekiem, a także w jaki sposób dodatkowe geny regulujące transpozon ekspresja może pewnego dnia stać się celem terapeutycznym w walce ze starzeniem się.

Badanie zatytułowane „Podejście oparte na eQTL ujawnia potencjalnych regulatorów poziomów RNA LINE-1 w komórkach limfoblastoidalnych” opublikowano w czasopiśmie: Genetyka PLOS 7 czerwca 2024 r.

Transpozony stanowią około 45% ludzkiego DNA, a ich aktywność jest w dużej mierze tłumiona w młodszych, zdrowych komórkach. Jednak wraz z wiekiem geny te ulegają większej ekspresji i stają się bardziej mobilne, co koreluje z różnymi związanymi z wiekiem spadkami funkcji, stwierdziła Bérénice Benayoun, współautorka badania.

„Pytanie brzmi: «Czy zwiększona aktywność transpozonów jest jedynie produktem ubocznym starzenia się, czy też może faktycznie wpływać na pewne aspekty starzenia się?»” – stwierdziła.

Istniejące dane przynoszą nowe niespodzianki

Benayoun, profesor nadzwyczajny gerontologii, nauk biologicznych, biochemii i medycyny molekularnej, powiedział, że pandemia Covid-19 była jedną z inspiracji do przeprowadzenia badania.

Chociaż blokady oznaczały, że trudniej było znaleźć czas w laboratorium, Benayoun i jej zespół sięgnęli po „skarbnicę” istniejących danych o ludzkim genomie (które geny są obecne w DNA) i danych transkryptomu (które geny są aktywne i transkrybowane na RNA w celu produkujących białka), które można badać zdalnie za pomocą analizy komputerowej.

Zespół skupił się na długo rozproszonym elemencie 1 (LINE-1), rodzinie transpozonów, które łącznie stanowią około 17% ludzkiego genomu. Poprzednie badania wykazały, że podobnie jak inne transpozony, LINE-1 również wydaje się ulegać większej ekspresji wraz z wiekiem i chorobami związanymi ze starzeniem się.

Juan Bravo, doktorant w laboratorium Benayoun i pierwszy autor badania, zaprojektował analizę wykorzystującą dane sekwencjonowania DNA i RNA z ludzkich limfoblastów, rodzaju komórek odpornościowych. Stworzona przez niego analiza loci cech ilościowych i ilościowych (eQTL) wskazała kilka genów, które wpływają na stopień ekspresji LINE-1.

„Transpozony były historycznie ignorowane z kilku powodów, z których jednym jest dodatkowa i techniczna złożoność ilościowego oznaczania poziomów RNA transpozonów” – powiedział Bravo.

„Niemniej jednak, włączając do naszej analizy zarówno geny kodujące białka, jak i transpozony, byliśmy w stanie dodać do naszej analizy warstwę, w której mogliśmy zidentyfikować geny kodujące białka, których poziomy współzmieniały się z poziomami transpozonów i były potencjalnie regulowane”.

Oprócz zbadania aspektu regulacyjnego transpozonów podejście to umożliwiło także zbadanie potencjalnych, związanych z wiekiem skutków, jakie może mieć rozregulowanie transpozonów, powiedział.

„Dzięki pomocy naszych współpracowników byliśmy w stanie ustalić, czy zmienność genomowa powiązana z transpozonami była wcześniej powiązana przez innych badaczy z chorobami związanymi ze starzeniem się” – powiedział Bravo. – I rzeczywiście tak było.

Współpracując ze współpracownikami z Uniwersytetu Columbia, zespół porównał podejrzane geny z danymi transkryptomicznym i genomicznymi od ponad 400 osób. Wyniki dają jasny obraz związku między zwiększoną ekspresją LINE-1, ekspresją jego podejrzanych genów regulatorowych i oznakami przyspieszonego starzenia.

„To badanie wyznacza nowe ramy badania transpozonów i stanowi uzupełnienie materiału dowodowego wskazującego, że aktywacja elementów transpozycyjnych przyczynia się do starzenia się” – powiedział Benayoun.

Dodała, że ​​to badanie było również po części nowatorskie, ponieważ skupiło się na aktywności i regulacji transpozonów w komórkach somatycznych (ciała) w porównaniu z komórkami rozrodczymi lub komórkami nowotworowymi.

„Większość wszystkiego, co wiemy o regulacji transpozonów, pochodzi z komórek linii zarodkowych lub nowotworowych; niewiele zrobiono, aby przyjrzeć się regulacji transpozonów w normalnych komórkach somatycznych” – powiedziała.

Potwierdzenie w laboratorium identyfikuje potencjalne cele starzenia

Na poparcie swoich ustaleń Benayoun i jej zespół pracowali in vitro z komórkami ludzkimi, aby sprawdzić, jak nadekspresja podejrzanych genów regulatorowych wpływa na aktywność LINE-1. Inżynieria komórek w celu nadekspresji dwóch genów, IL16 i STARD5, znacznie zwiększyła ogólną ekspresję LINE-1. Ponadto traktowanie normalnych komórek krótkotrwałą ekspozycją na białko IL16 również indukowało wyższą ekspresję LINE-1.

„Są to nowe, zatwierdzone regulatory aktywności pierwiastków transpozycyjnych, które stanowią potencjalne cele starzenia się” – powiedział Benayoun.

Regulacja genów skoków to nowy zakres zadań obu tych genów, ale ich potencjalne powiązanie ze starzeniem się ma sens – stwierdził Bravo. STARD5 bierze udział w przemieszczaniu cholesterolu w komórkach i jego poziom ulega zwiększeniu w odpowiedzi na stres w retikulum endoplazmatycznym (ER) – organelli zaangażowanej w syntezę białek i metabolizm lipidów.

„Starzeniu się często towarzyszą zmiany, które mogą sprzyjać stresowi ER. Biorąc pod uwagę jego rolę, możliwe jest, że STARD5 bierze udział w zmianach związanych z wiekiem” – powiedział Bravo. „Co ciekawe, zaobserwowaliśmy, że zwiększenie poziomu STARD5 doprowadziło do zwiększenia poziomu IL16, co sugeruje, że może istnieć między nimi synergia w aktywacji transpozonów”.

IL16 jest znana głównie ze swojej roli w regulowaniu odpowiedzi immunologicznej na infekcję, choć odkryli, że jej poziom we krwi wzrasta wraz z wiekiem. Powiązania między skaczącą aktywnością genów a odpowiedzią immunologiczną nie są zbyt naciągane — badania z zakresu biologii ewolucyjnej wykazały, że transpozony są potomkami starożytnych wirusów, które osiedliły się w komórkach, wyjaśnił Benayoun.

Ponadto przewlekłe zapalenie o niskim stopniu nasilenia jest jedną z oznak starzenia biologicznego, które można powiązać z odpowiedzią immunologiczną na ekspresję transpozonów.

Ponadto poprzednie badania wykazały możliwą rolę w chorobach związanych ze starzeniem się innego z genów podkreślonych w tej analizie, a mianowicie odmiany genu HLA; jednakże obecne ograniczenia techniczne uniemożliwiły walidację eksperymentalną obok STARD5 i IL16, wyjaśnił Benayoun. W każdym razie badanie to służy również jako dowód na to, że tego typu analiza jest nową, potężną techniką w badaniach nad starzeniem się – dodała.

„Udało nam się znaleźć nowe, ekscytujące wyniki, korzystając ze zbioru danych sprzed 15 lat” – powiedział Benayoun.

„To podejście można zastosować w przypadku większych kohort danych, co otwiera drzwi do znalezienia większej liczby takich regulatorów. Na tej podstawie być może będziemy w stanie zidentyfikować wykonalne cele terapeutyczne w przypadku starzenia się i chorób z nim związanych”.