Rychlost zkracování telomer předpovídá délku života druhu

• telomery
• délka života
• druh

Lidé mají relativně krátké telomery o délce 5 až 15 kb (1⇓-3), a přesto mají lidé mnohem delší délku života než myši, které mohou začínat s délkou telomer kolem 50 kb (4, 5). Předchozí studie naznačily, že rychlost zkracování telomer spíše než počáteční délka telomer je rozhodující proměnnou, která určuje délku života jednotlivých druhů (4, 6⇓⇓⇓-10). Konkrétně jsme dříve ukázali, že lidské telomery se zkracují rychlostí ∼70 bp za rok (1), což je v souladu s rychlostí publikovanou jinými autory (3, 11⇓⇓-14), zatímco myší telomery se zkracují rychlostí 7 000 bp za rok (4). Tyto rozdílné rychlosti zkracování telomer u lidí a myší by mohly vysvětlit rozdílnou délku života myší a lidí. Rychlost zkracování telomer však byla dosud zkoumána jen u několika málo druhů (4, 6⇓⇓⇓-10, 15, 16) a za použití různých technik, což znemožnilo vzájemné porovnání rychlosti zkracování telomer u fylogeneticky vzdálených druhů s různou velikostí těla a délkou života.

Pro řešení otázky, zda by délka telomer a/nebo rychlost jejich zkracování mohly vysvětlit druhovou dlouhověkost, jsme paralelně měřili délku telomer v mononukleárních buňkách periferní krve jedinců různých druhů ptáků a savců v různém věku a vypočítali rychlost zkracování telomer za rok u každého druhu. Longitudinální studie délky telomer zde nebyla uvažována vzhledem k velmi rozdílné délce života druhů zahrnutých do této studie. Budoucí studie si tento typ analýzy zaslouží, aby bylo možné pochopit dynamiku telomer na individuální úrovni. K měření délky telomer jsme zde použili vysoce výkonnou techniku kvantitativní fluorescenční in situ hybridizace (HT Q-FISH), která umožňuje kvantifikovat signály jednotlivých telomer na úrovni jedné buňky (1) a poskytuje údaje jak o průměrné délce telomer, tak o signálech jednotlivých telomer (příloha SI, tabulka S1 a obr. 1) (17, 18). Konkrétně jsme paralelně měřili telomery laboratorních myší (Mus musculus) (obr. 1A), delfínů skákavých (Tursiops truncatus) (obr. 1B), koz (Capra hircus) (obr. 1C), sobů (Rangifer tarandus) (obr. 1C) a dalších zvířat (obr. 1C). 1D), plameňáků amerických (Phoenicopterus ruber) (obr. 1E), supů bělohlavých (Gyps fulvus) (obr. 1F), racků Audouinových (Larus audouinii) (obr. 1G) a slonů sumaterských (Elephas maximus sumatranus) (obr. 1H). Jako kontrola byly zařazeny laboratorní myši, u kterých jsme již dříve prokázali rychlost zkracování telomer přibližně 7 000 bp za rok, což je 100krát rychleji než u lidí (4). Počáteční délka telomer u jednotlivých studovaných druhů byla odhadnuta pomocí lineární regrese (obr. 1). Všimněte si, že hodnota počáteční délky telomer je pouze odhad a dynamika délky telomer nemusí být v raných fázích života lineární (19). Nejprve jsme potvrdili velmi vysokou rychlost zkracování telomer v naší současné kohortě myší, a to 6 420 bp za rok (obr. 1A), podobnou námi dříve popsané rychlosti (4). Delfíni skákaví vykazovali rychlost zkracování telomer 766 bp za rok (příloha SI, tabulka S1 a obr. 1B) a odhadovanou počáteční délku telomer kolem 90,7 kb (obr. 1B). Kozy vykazovaly rychlost zkracování telomer 363 bp za rok (obr. 1C) a odhadovanou počáteční délku telomer kolem 10,4 kb. U sobů byla rychlost zkracování telomer 531 bp za rok (obr. 1D) a odhadovaná počáteční délka telomer ∼ 19,8 kb. Plameňáci američtí vykazovali rychlost zkracování telomer 105 bp za rok (obr. 1E) a odhadovanou počáteční délku telomer kolem 21,0 kb. Supi bělohlaví vykazovali rychlost zkracování telomer 209 bp za rok (obr. 1F) a odhadovanou počáteční délku telomer kolem 19,8 kb. U racků Audouinových činila rychlost zkracování telomer 771 bp za rok (obr. 1G) a odhadovaná počáteční délka telomer se pohybovala kolem 35 kb. Sloni sumaterští mají rychlost zkracování telomer 109 bp za rok (obr. 1H) a odhadovanou počáteční délku telomer kolem 36,3 kb. V případě supů bělohlavých a slonů sumaterských jsme byli omezeni na několik málo dostupných jedinců v Zoo Madrid; v těchto případech je tedy třeba získané hodnoty považovat za první aproximaci rychlosti zkracování telomer u těchto druhů.

Dále jsme zkoumali vztahy mezi délkou telomer, rychlostí zkracování telomer a délkou života druhu. Pro určení maximální délky života druhu jsme použili databázi AnAge (20). Průměrné délky života jsme získali z různých zdrojů (příloha SI, tabulka S1). Nejprve jsme nezjistili žádnou korelaci mezi odhadovanou počáteční délkou telomer a délkou života druhu (obr. 2 A-D). Konkrétně graf závislosti maximální délky života druhu na odhadnuté počáteční délce telomer vedl k hodnotě R2 0,0190 při lineární regresní křivce (obr. 2A) a k hodnotě R2 0,0407 při regresní křivce podle mocninného zákona (obr. 2B). Graf průměrné délky života druhu v závislosti na odhadované počáteční délce telomer vedl k hodnotě R2 0,125 s lineární regresní křivkou (obr. 2C) a k hodnotě R2 0,145 s regresní křivkou mocninného zákona (obr. 2D). Všimněte si, že při právě zmíněných nízkých hodnotách R2 a záporných sklonech rovnic regresní přímky (obr. 2 A-D) existuje dokonce trend pro kratší délku života s delší počáteční délkou telomer. Všimněte si také, že inverzní korelace mezi průměrnou délkou života a počáteční délkou telomer (R2 = 0,125; obr. 2C) byla lepší než korelace mezi maximální délkou života a počáteční délkou telomer (R2 = 0,019; obr. 2A). Tato zjištění se shodují s předchozí studií, která porovnávala délku telomer u více než 60 různých druhů (21). Ačkoli v této studii nebyla měřena rychlost zkracování telomer, autoři dospěli k závěru, že z počáteční délky telomer nelze předpovědět délku života daného druhu a že existuje tendence, aby krátkověké druhy měly delší telomery (21).

Zajímavé je, že když jsme vynesli do grafu maximální délku života v závislosti na rychlosti zkracování telomer pro různé druhy, získali jsme křivku mocninného zákona s hodnotou R2 0,829 (obr. 2E). Rovnici z této křivky lze použít k předpovědi délky života druhu při dané rychlosti zkracování telomer bez použití informací o počáteční délce telomer s hodnotou R2 0,782 (obr. 2F). Stejné grafy lze vytvořit i při použití průměrné délky života namísto maximální délky života (obr. 2 G a H) a v tomto případě je hodnota R2 křivky mocninného zákona 0,934. Pozorování, že závislost délky života na rychlosti zkracování telomer odpovídá křivce mocninného zákona, je ve shodě s mnoha přírodními jevy, které odpovídají buď mocninnému zákonu, nebo exponenciální křivce, jako je mimo jiné růst populace, ochlazování/ohřívání, velikost měst, vymírání druhů, tělesná hmotnost, individuální příjmy a počet spojení uzlů v bezškálové síti (22⇓⇓-25).

Alternativně lze lineárnější předpovědi délky života provádět pomocí počáteční délky telomer i rychlosti jejich zkracování. V tomto případě se zdá nepravděpodobné, že by druhy zemřely, když jsou jejich telomery zcela erodovány, protože délka života předpovězená na základě úplné eroze telomer je delší než pozorovaná délka života u většiny druhů (příloha SI, tabulka S1). Místo toho zde zjišťujeme, že délka telomer, když druhy umírají ve věku maximální délky života, se zdá být ∼50 % původní délky telomer pro daný druh, pokud vezmeme v úvahu průměr všech měřených druhů (SI Appendix, Tabulka S2). Zajímavé je, že při zohlednění časového bodu průměrné délky života se délka telomer jeví jako ∼75 % původní délky (příloha SI, tabulka S2). Můžeme tedy vypočítat délku života druhu, pokud předpokládáme, že telomery se zkracují konstantní lineární rychlostí a že čas smrti nastane, jakmile se telomery zkrátí na 50 % nebo 75 % původní délky telomer. Rovnice odhadované délky života, pokud se telomery zkrátí na 50 % původní délky, je následující: ((Původní délka telomer) – (Původní délka telomer) × 0,5)/Míra zkrácení telomer. Graf odhadované délky života při 50% původní délce telomer vs. maximální délka života poskytuje R2 0,565 (obr. 3A). Odhadovaná délka života při 50 % původní délky telomer vs. průměrná délka života dává R2 0,694 (obr. 3B). Podobné grafy jsou uvedeny pro 75 % původní délky telomer (obr. 3 C a D). U tohoto souboru dat poskytuje graf se 75 % původní délky telomer vs. průměrná délka života nejpřesnější výsledky s R2 0,694. Ačkoli hodnota R2 je stejná jako hodnota na obr. 3B, tento graf má také sklon blíže k hodnotě 1, což naznačuje menší posun mezi skutečnou a odhadovanou délkou života. Všimněte si, že lepších korelačních koeficientů dosahují regresní křivky mocninného zákona využívající rychlost zkracování telomer bez zohlednění počáteční délky telomer (obr. 2 E-H).

Dalším znakem, který koreluje s délkou života, je tělesná hmotnost (26). Obecně platí, že větší druhy, jako jsou sloni a velryby, mají delší délku života než malé druhy, jako jsou myši a králíci. Jedno šetření porovnávalo hmotnost a délku života 1456 různých druhů a zjistilo trend delší délky života s větší hmotností (R2 = 0,397) (26). U druhů v našem souboru dat jsme také pozorovali korelaci mezi hmotností a délkou života (příloha SI, tabulka S3). Rychlost zkracování telomer u jednotlivých druhů také korelovala s tělesnou hmotností s R2 0,413 (SI Appendix, Fig. S1). Druhy s vyšší tělesnou hmotností mají tendenci mít nižší míru zkracování telomer a delší délku života.

Někteří autoři prokázali inverzní korelaci mezi délkou života a srdeční frekvencí, což je proměnná související s metabolismem organismu (27, 28), i když rozsáhlejší studie tuto představu zřejmě nepotvrzují (29). Zde jsme se rozhodli zabývat se potenciální korelací mezi srdeční frekvencí a délkou telomer. Nejprve jsme u našeho souboru dat pozorovali korelaci mezi délkou života a srdeční frekvencí (příloha SI, tabulka S3). Zjistili jsme také lineární korelaci mezi rychlostí zkracování telomer a srdeční frekvencí s R2 0,974 (příloha SI, obr. S2 A a B).

Následujícím krokem bylo zkoumání vlivu více proměnných na délku života při jejich kombinaci do jednoho modelu, provedli jsme vícerozměrnou lineární regresi. Vstupní proměnné rychlost zkracování telomer, počáteční délka telomer, tělesná hmotnost a srdeční frekvence byly přizpůsobeny buď průměrné délce života, nebo maximální délce života. Údaje použité pro regresi jsou uvedeny v příloze SI, tabulce S4. Pro regresi byla místo původních hodnot použita logaritmická hodnota všech datových bodů. Každá proměnná oproti průměrné délce života nebo maximální délce života měla buď vyšší lineární korelační koeficient R2 při použití logaritmicky transformovaných dat, nebo nedošlo k žádné znatelné změně korelačního koeficientu v případě proměnné původní délky telomer. Výsledkem přizpůsobení modelu průměrné délce života byla hodnota R2 0,997 a upravená hodnota R2 0,992 (příloha SI, tabulka S5), což dokazuje, že tyto proměnné mohou předpovídat průměrnou délku života. Hodnoty P (uvedené ve sloupci Pr(>|t|)) byly pro všechny proměnné statisticky významné. Míra zkracování telomer byla statisticky nejvýznamnější proměnnou (P = 0,000422). Výsledkem fitování modelu na maximální délku života byla hodnota R2 0,950 a upravená hodnota R2 0,884 (příloha SI, tabulka S6), což ukazuje, že proměnné mohou předpovídat i maximální délku života. V tomto případě byla statisticky významná pouze proměnná rychlost zkracování telomer (P = 0,0218). Opět jsme zjistili inverzní vztah mezi průměrnou délkou života a počáteční délkou telomer s hodnotou P = 0,0302, přičemž krátkověké druhy měly počáteční telomery delší (SI Appendix, Table S5). Také ve vícerozměrné analýze nebyl vztah mezi počáteční délkou telomer a maximální délkou života významný ve shodě se slabší inverzní korelací mezi počáteční délkou telomer a maximální délkou života ve srovnání s průměrnou délkou života (obr. 2 A a C). Tato zjištění tedy potvrzují, že rychlost zkracování telomer (negativní korelace), počáteční délka telomer (negativní korelace), tělesná hmotnost (pozitivní korelace) a srdeční frekvence (negativní korelace) mohou předpovídat druhovou délku života a že z těchto proměnných má největší schopnost předpovídat délku života rychlost zkracování telomer.

Nakonec, jedním z varování studií se zvířaty různého věku je, že může dojít k efektu, kdy stará zvířata s krátkými telomerami selektivně zmizí v důsledku smrti, a tyto telomery nejsou následně měřeny ve vyšším věku. Délka telomer by proto mohla být ve vyšším věku uměle vysoká, protože v tomto věku přežívají pouze zvířata s delšími telomerami. Nicméně skutečnost, že zkracování telomer s věkem odpovídá lineární regresi u většiny studovaných druhů, naznačila, že tento jev není v naší současné studii příliš zkreslující. Také by se očekávalo, že k takovému vymizení zvířat dojde až ve velmi pozdním věku, a většina zvířat v této studii nebyla extrémně stará (Metody).

.