Development of epigenetic aging clocks by novel targeted sequencing approaches

Yang, Han; Wagner, Wolfgang (Thesis advisor); Zenke, Martin (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Die altersassoziierte DNA-Methylierung (DNAm) ist zwischen Individuen in hohem Maße reproduzierbar und stellt einen vielversprechenden Biomarker für das Altern dar, nämlich eine "epigenetische Uhr". Während bisherige epigenetische Uhren, die auf genomweiten DNAm-Profilen basieren, robuste Altersvorhersagen anhand zahlreicher CG-Dinukleotide (CpGs) ermöglichen, bieten gezielte DNAm-Tests, die sich auf nur wenige CpGs konzentrieren, bessere Alternativen mit höherer Effizienz und einfacher Standardisierung. In dieser Arbeit haben wir die DNAm neuer Sätze altersassoziierter CpGs aus genomweiten Profilen gemessen und dann epigenetische Uhren sowohl bei Menschen als auch bei Mäusen unter Verwendung verschiedener gezielter Ansätze entwickelt. Obwohl alle diese Methoden eine ähnlich robuste Altersvorhersagegenauigkeit bieten wie genomweite Uhren, scheinen Pyrosequenzierung und Droplet Digital PCR (ddPCR) genauer zu sein. Insbesondere die ddPCR könnte die Amplifikationsverzerrung von Bisulfit-konvertierten DNA- Sequenzen weitgehend reduzieren und somit eine vielversprechende Methode für die ortsspezifische DNAm-Analyse sein. Mit der barcodierten Bisulfit-Amplikon- Sequenzierung (BBA-seq) lässt sich DNAm innerhalb mehrerer Amplikons parallel und mit Einzelstrangauflösung nachweisen, was es uns ermöglicht, die Regulierung der epigenetischen Alterung zu untersuchen. Interessanterweise fanden wir heraus, dass benachbarte altersassoziierte CpGs auf stochastische Weise reguliert zu werden scheinen. Eine weitere Korrelationsanalyse der DNAm-Spiegel mit dem Alter an benachbarten CpG-Stellen zeigt eine glockenförmige Kurve, die häufig mit einer CCCTC-Bindungsstelle (CTCF) verbunden ist. Wir konnten auch zeigen, dass einzelne BBA-seq-Reads in der Lage sind, das Alter des Spenders vorherzusagen und somit die Heterogenität der altersassoziierten DNAm widerspiegeln. Zahlreiche Studien haben bestätigt, dass Ernährungsmaßnahmen das biologische Alter verringern und den Alterungsprozess verlangsamen können. Wir konnten jedoch bei Mäusen, die 12 Wochen lang eine fett- und proteinreiche Ernährung erhielten, keine signifikanten Veränderungen der metabolischen Gesundheit oder der epigenetischen Uhr feststellen, außer dass eine fettreiche Ernährung zu einer deutlichen Gewichtszunahme führte. Dies zeigt, dass kurzfristige diätetische Eingriffe möglicherweise nicht ausreichen, um den Stoffwechsel- und Alterungsstatus zu verändern, und dass daher längere Eingriffe unerlässlich sind, um signifikante Behandlungseffekte zu erzielen. Insgesamt haben wir verschiedene epigenetische Uhren durch neuartige gezielte Sequenzierungsansätze optimiert und ihre robuste Altersvorhersage für Menschen und Mäuse nachgewiesen, was eine standardisierte und kosteneffiziente epigenetische Hochdurchsatz-Altersvorhersage in forensischen und diagnostischen Anwendungen besser unterstützen könnte. Darüber hinaus sollten diese Uhren auch bessere Einblicke in die Entschlüsselung der Mechanismen der Biologie des Alterns ermöglichen.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• [811002-3]