Entropie metylačních stavů DNA jako základ pro epigenetické hodiny

Entropie a stárnutí: Jak náhodnost v DNA odhaluje náš biologický věk

Entropie je jedním z těch vědeckých pojmů, které mají více významů v různých oblastech – v termodynamice, informační teorii nebo biologii. V jádru ale všechny tyto významy spojuje jedna věc: míra nepořádku nebo náhodnosti. A právě takto se na entropii dívají vědci v novém výzkumu, který ukazuje, že ji lze využít i jako ukazatel biologického věku.

V tomto článku se podíváme na to, jak se entropie používá k hodnocení změn DNA methylace – důležitého epigenetického procesu, který hraje zásadní roli při regulaci genové aktivity a zároveň odráží proces stárnutí.

Co je DNA methylace a proč na ní záleží?

DNA v našich buňkách není jen pevně daný kód – její aktivita závisí na mnoha faktorech. Jedním z nich je, zda jsou na určitých místech (tzv. CpG místa) přítomné malé chemické značky zvané methylové skupiny. Pokud je místo methylované, gen v této oblasti je obvykle „vypnutý“.

Tyto methylace se mění s věkem, a proto se dnes používají v tzv. epigenetických hodinách – nástrojích, které dokážou odhadnout biologický věk člověka na základě methylace vybraných částí DNA. Dosavadní přístupy přitom pracují s průměrnou hodnotou methylace – tedy kolik procent buněk v daném vzorku má dané místo methylované.

Nový přístup: Místo průměru míra chaosu

V aktuální studii se ale vědci rozhodli jít jinou cestou. Místo toho, aby sledovali, zda jsou CpG místa spíše methylovaná nebo ne, měřili náhodnost rozložení methylace – tedy entropii.

Pokud je CpG místo ve všech buňkách stejné (všechny methylované nebo všechny nemethylované), entropie je nízká – tedy předvídatelnost vysoká. Pokud je rozložení různorodé (například polovina methylovaná, polovina ne), entropie je vysoká – tedy informace je chaotická a těžko předvídatelná.

Tento přístup odráží zajímavý jev: s věkem se v těle zvyšuje náhodnost genové regulace. DNA methylace se nestává jen více nebo méně častou – ale více nepořádnou. Tento „epigenetický šum“ může být důležitou součástí samotného procesu stárnutí.

Jak výzkum probíhal?

Vědci získali vzorky slin (bukální stěry) od 100 lidí ve věku od 7 do 84 let. Pomocí metody cílené bisulfitové sekvenace analyzovali 3000 specifických oblastí DNA, o kterých se ví, že souvisejí se stárnutím a jsou součástí běžně používaných epigenetických hodin.

Pro každé místo spočítali tři ukazatele:

  1. Průměrnou methylaci – kolik buněk má místo methylované.
  2. CHALM (Cellular Heterogeneity-Adjusted cLonal Methylation) – metoda, která zohledňuje buněčnou heterogenitu při určení stavu methylace.
  3. Entropii methylace – míru náhodnosti methylace ve čtyřech CpG místech v rámci každé oblasti, podle tzv. Shannonovy entropie.

Díky vysokému pokrytí (v průměru 293 čtení na vzorek) měli vědci velmi přesná data k analýze.

Co výzkum ukázal?

Při porovnání těchto tří metod se ukázalo:

  • Průměrná methylace a CHALM byly silně korelované – tedy v podstatě říkaly totéž.
  • Entropie ale vykazovala jiné chování – některé oblasti měly s věkem vyšší náhodnost, jiné nižší, nezávisle na tom, zda samotná methylace rostla nebo klesala.

Tím vědci prokázali, že entropie zachycuje jiný typ informací, než pouhý průměr nebo celkový trend methylace.

Epigenetické hodiny založené na entropii

Dále vědci vytvořili nový typ epigenetických hodin, které vycházely pouze z hodnot entropie. A výsledek byl překvapivě dobrý: i s malým počtem CpG míst dokázaly tyto hodiny odhadnout věk s průměrnou odchylkou pouhých 5,2 let, což je lepší než u mnoha tradičních metod založených na průměrné methylaci.

To naznačuje, že entropie methylace by mohla být novým, přesnějším biomarkerem biologického stárnutí.

Co z toho plyne?

Tato studie otevírá novou kapitolu ve výzkumu stárnutí. Nejde už jen o to, kolik methylace v DNA máme, ale jak je rozložená. A právě rostoucí nepořádek v epigenetické informaci se může stát klíčem k pochopení toho, co se děje v těle během stárnutí – a jak bychom mohli procesy zpomalit nebo zvrátit.

Diskuse o tzv. transkripčním šumu – tedy náhodnosti v tom, jak se geny přepisují do RNA – už nějakou dobu probíhá. Tato studie ukazuje, že bychom se měli začít bavit také o epigenetickém šumu jako důležitém jevu stárnutí.

Zdroje: