La pérdida de información epigenética acelera el proceso de envejecimiento

La base de la vida descansa en la compleja interacción de la información almacenada en el genoma, el genoma y la maquinaria celular. Se cree que este es el software y el hardware biológicos. Sin embargo, aún no se sabe si los bloqueos del software o del hardware provocan el envejecimiento. En la década de 1950, Szilard y Medawar propusieron de forma independiente que el envejecimiento era causado por la pérdida de información genética como resultado del daño en el ADN. La rotura del ADN de doble cadena (DSB) se asocia más comúnmente con el envejecimiento. Sin embargo, en los últimos años se ha puesto en duda la suposición de que las mutaciones juegan un papel importante en el envejecimiento.

estancia: Pérdida de información epigenética como causa del envejecimiento de los mamíferos Crédito de la imagen: picmedical/Shutterstock

Se sabe que las estructuras de cromatina y las redes transcripcionales determinan la identidad celular durante el desarrollo y que dirigen las células a los valles metacarpianos del paisaje de Waddington. Las células deben conservar su identidad mediante la preservación de la información epigenética y un estado de baja entropía de Shannon para mantener una función óptima. Los estudios de levadura en la década de 1990 informaron que la pérdida de información epigenética en comparación con la herencia puede causar envejecimiento. Algunos otros estudios también han confirmado que los cambios epigenéticos no son solo un biomarcador sino una causa de la senescencia en las levaduras.

Los cambios epigenéticos asociados con el envejecimiento incluyen cambios en los patrones de metilación del ADN (DNAme), H3K27me3, H3K9me3 y H3K9me3. Se ha observado que muchos cambios epigenéticos siguen un patrón específico. Sin embargo, aún se desconoce la causa de los cambios en el epigenoma de los mamíferos. Se pueden obtener algunas pistas de la levadura, donde DSB es un factor importante cuya reparación requiere los reguladores epigenéticos Esa1, Gcn5, Rpd3, Hst1 y Sir2. De acuerdo con la hipótesis de ‘RCM’ y ‘Information Theory of Aging’, el envejecimiento en eucariotas es causado por la pérdida de información epigenética y redes transcripcionales en respuesta al daño celular como lesión por colisión o DSB.

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Un nuevo estudio en la revista. célula tiene como objetivo determinar si los cambios epigenéticos son la causa del envejecimiento de los mamíferos.

sobre estudiar

El estudio incluyó un sistema que comprende una fusión I-PpoI (endonucleasa de Policéfalo de Visarum) al extremo C del gen del dominio del receptor de estrógeno mutante (TAM) regulado por tamoxifeno (ERT2), un gen de recombinación CR regulado por TAM (Cre-ERT2) aguas arriba del promotor de la ubiquitina y el casete transcripcional loxP-STOP-loxP . Los ratones transgénicos con heterocigotos Cre-ERT2 y ERT2-I-PpoI se describieron como cambios inducibles en el epigenoma o ratones ICE, mientras que Cre, IPpoI y tipo salvaje (WT) fueron controles negativos.

El análisis de transferencia Western se realizó utilizando células de fibroblastos embrionarios (MEF) y muestras de tejido, mientras que la transferencia Southern se realizó utilizando ADN genómico. El ensayo Surveyor se realizó mediante la amplificación de las regiones objetivo de I-PpoI del ADN genómico, seguido del marcaje metabólico de los MEF. A continuación, se midieron la síntesis de proteínas y DSB. La relación de intercambio respiratorio (RER), la producción de dióxido de carbono (VCO2), el consumo de oxígeno (VO2), la actividad ambulatoria y la ingesta de alimentos se midieron mediante termometría indirecta.

Se realizó una PCR cuantitativa multicolor seguida de una evaluación del índice de deterioro (FI). El registro de la puntuación de opacidad del cristalino se realizó junto con imágenes micro-CT, cuantificación de axones del nervio óptico, cuantificación del grosor subcutáneo, inmunohistoquímica de piel de ratón, inmunohistoquímica cerebral, así como la medición de mtDNA y ATP. Luego, se realizaron varias pruebas, incluida la prueba de condicionamiento del miedo contextual, la prueba del laberinto de Barnes, la prueba de la cinta rodante, la prueba de fuerza de agarre y la medición de lactato y la actividad ambulatoria.

Los patrones de marcha se midieron utilizando la marcha forzada en una cinta rodante. La densidad capilar, la tinción con citocromo oxidasa (COX) y la microscopía electrónica se realizaron utilizando músculos aislados de ratones. Se realizó la cuantificación de la densidad de podocitos, seguida del análisis de la lesión glomerular y la transición de células epiteliales parietales a mesenquimatosas. A continuación, se utilizaron tinción con 5-etinil-2′-desoxiuridina (EdU), imágenes, microscopía de riñones, inmunohistoquímica y b-galactosidasa asociada a la senescencia (SA-b-Gal). Se realizó una reprogramación neuronal impulsada por moléculas pequeñas, seguida de PCR cuantitativa en tiempo real para transcribir elementos repetidos y determinar la frecuencia de mutación de 28SrDNA.

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Además, se produjeron y transfectaron virus adenoasociados, seguidos de clasificación de RNA-seq y clasificación de células ganglionares de la retina (RGC). También se realizó inmunoprecipitación de cromatina seguida de secuenciación de ADN (ChIP-seq), Hi-C, HiChIP y secuenciación del genoma completo. Además, se analizaron relojes epigenéticos para fibroblastos, músculo y sangre. Finalmente, se realizó espectrometría de masas de histonas.

Resultados

Los resultados indicaron que se detectó HA-I-PpoI en los núcleos de las células ICE después de la adición de TAM, pero no en las células de control. Se observó que el número de focos H2AX (gH2AX) que contenían serina-139 fosforilada, que es un marcador de DSB, alcanzó un valor de referencia de 4 veces en 24 horas en células ICE. No se observaron cambios en el perfil del ciclo celular, la senescencia, la apoptosis, la frecuencia de mutación, la eficiencia de traducción general o los niveles de ARN durante y después de la inducción de I-PpoI. Se ha informado que las células ICE son aproximadamente 1,5 veces más antiguas que las células de control Cre.

Después del tratamiento posterior, las células ICE fueron más susceptibles a los agentes que dañan el ADN que el grupo de control. También hubo un aumento en los índices de senescencia celular en las células tratadas. Se ha observado que ICE causa ciertas heridas in vivo pero no produjo mutagenicidad ni efectos adversos inmediatos. Además, 10 meses después de la inducción de I-PpoI, se observó que los ratones ICE mostraban signos de envejecimiento. Además, los signos de envejecimiento de la piel, el cerebro, los músculos y los riñones fueron bastante evidentes en los ratones ICE después de 10 meses de tratamiento.

Además, se ha informado que la tasa de envejecimiento epigenético es aproximadamente un 50 por ciento más rápida que la de los ratones de control. Se observaron cantidades más altas de H3K122ac mientras que cantidades más bajas de H3K56ac y H3K27ac en las células tratadas con ICE. Además, se ha observado que los efectos de DSB sobre la expresión de los genes homobox (Hox) del factor de transcripción del desarrollo no dependen del sitio de rotura del ADN. Además, DSB rompe los contactos de cromatina espacial alterados.

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Se ha informado que los fibroblastos ICE después del tratamiento pierden su capacidad para mantener su identidad celular y diferenciarse en otros tipos de células. Las regiones con niveles bajos de H3K27ac en ratones ICE después del tratamiento se enriquecieron para las firmas de tejido muscular, mientras que las regiones con niveles más altos de H3K27ac se enriquecieron para potenciadores de las células inmunitarias. Finalmente, se demostró que la expresión de los factores Oct4, Sox2, Klf4 y Myc (OSKM) de Yamanaka invierte los cambios relacionados con la edad en ratones ICE después del tratamiento.

Por lo tanto, el estudio actual demuestra que DSB conduce a una pérdida de información epigenética, lo que acelera aún más el envejecimiento y las enfermedades relacionadas con la edad. Sin embargo, los mamíferos parecen tener un respaldo de información epigenética joven que puede ayudar a restaurar las funciones de los tejidos antiguos.

determinantes

El estudio tiene ciertas limitaciones. Primero, el estudio no identificó qué factores de cromatina se transfirieron. En segundo lugar, no incluyó el análisis de las conexiones de cromatina in vivo. En tercer lugar, no se han realizado análisis epigenéticos a nivel de una sola célula. En cuarto lugar, la ICE no se indujo de manera específica de tejido. En quinto lugar, algunos de los efectos del estudio pueden deberse al corte del locus de ARN.

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