Telomerverkürzungsrate sagt Lebensspanne von Arten voraus

• Telomere
• Lebensspanne
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Menschen haben relativ kurze Telomerlängen von 5 bis 15 kb (1⇓-3), und dennoch haben Menschen eine viel längere Lebensspanne als Mäuse, die mit Telomerlängen um 50 kb beginnen können (4, 5). Frühere Studien haben gezeigt, dass die Telomerverkürzungsrate und nicht die anfängliche Telomerlänge die entscheidende Variable ist, die die Lebensspanne der Arten bestimmt (4, 6⇓⇓⇓-10). Insbesondere haben wir zuvor gezeigt, dass sich die menschlichen Telomere mit einer Rate von ∼70 bp pro Jahr verkürzen (1), was mit der von anderen Autoren veröffentlichten Rate übereinstimmt (3, 11⇓⇓-14), während sich die Telomere von Mäusen mit einer Rate von 7.000 bp pro Jahr verkürzen (4). Diese unterschiedlichen Raten der Telomerverkürzung bei Mensch und Maus könnten die unterschiedliche Lebenserwartung von Mäusen und Menschen erklären. Allerdings wurde die Telomerverkürzungsrate bisher nur bei wenigen Arten (4, 6⇓⇓⇓-10, 15, 16) und mit unterschiedlichen Techniken untersucht, was einen direkten Vergleich der Telomerverkürzungsraten bei phylogenetisch weit entfernten Arten mit unterschiedlichen Körpergrößen und Lebensspannen verhindert hat.

Um herauszufinden, ob die Telomerlänge und/oder die Telomerverkürzungsrate die Langlebigkeit einer Spezies erklären könnte, haben wir die Telomerlänge in mononukleären Zellen des peripheren Blutes von Individuen verschiedener Vogel- und Säugetierarten in verschiedenen Altersstufen parallel gemessen und die Telomerverkürzungsrate pro Jahr bei jeder Spezies berechnet. Eine Längsschnittstudie der Telomerlänge wurde hier aufgrund der sehr unterschiedlichen Langlebigkeit der in diese Studie einbezogenen Arten nicht berücksichtigt. Zukünftige Studien gewährleisten diese Art der Analyse, um die Telomerdynamik auf individueller Ebene zu verstehen. Zur Messung der Telomerlänge verwendeten wir hier eine quantitative Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierungstechnik mit hohem Durchsatz (HT Q-FISH), die es ermöglicht, individuelle Telomersignale auf Einzelzellebene zu quantifizieren (1) und so Daten sowohl über die durchschnittliche Telomerlänge als auch über individuelle Telomersignale zu liefern (SI-Anhang, Tabelle S1 und Abb. 1) (17, 18). Im Einzelnen haben wir parallel die Telomere von Labormäusen (Mus musculus) (Abb. 1A), Großen Tümmlern (Tursiops truncatus) (Abb. 1B), Ziegen (Capra hircus) (Abb. 1C), Rentieren (Rangifer tarandus) (Abb. 1D), Amerikanische Flamingos (Phoenicopterus ruber) (Abb. 1E), Gänsegeier (Gyps fulvus) (Abb. 1F), Audouin-Möwen (Larus audouinii) (Abb. 1G) und Sumatra-Elefanten (Elephas maximus sumatranus) (Abb. 1H). Als Kontrolle dienten Labormäuse, bei denen wir zuvor eine Telomerverkürzung von etwa 7.000 bp pro Jahr festgestellt hatten, was 100-mal schneller ist als beim Menschen (4). Die anfängliche Telomerlänge der verschiedenen untersuchten Arten wurde durch lineare Regression geschätzt (Abb. 1). Dabei ist zu beachten, dass es sich bei der anfänglichen Telomerlänge nur um einen Schätzwert handelt und die Dynamik der Telomerlänge in den frühen Lebensstadien möglicherweise nicht linear verläuft (19). Zunächst bestätigten wir in unserer aktuellen Mauskohorte eine sehr hohe Telomerverkürzungsrate von 6.420 bp pro Jahr (Abb. 1A), ähnlich der von uns zuvor beschriebenen (4). Große Tümmler zeigten eine Telomerverkürzungsrate von 766 bp pro Jahr (SI-Anhang, Tabelle S1 und Abb. 1B) und eine geschätzte anfängliche Telomerlänge von etwa 90,7 kb (Abb. 1B). Ziegen zeigten eine Telomerverkürzungsrate von 363 bp pro Jahr (Abb. 1C) und eine geschätzte ursprüngliche Telomerlänge von etwa 10,4 kb. Rentiere zeigten eine Telomerverkürzungsrate von 531 bp pro Jahr (Abb. 1D) und eine geschätzte ursprüngliche Telomerlänge von ∼ 19,8 kb. Amerikanische Flamingos zeigten eine Telomerverkürzungsrate von 105 bp pro Jahr (Abb. 1E) und eine geschätzte anfängliche Telomerlänge von etwa 21,0 kb. Gänsegeier hatten eine Telomerverkürzungsrate von 209 bp pro Jahr (Abb. 1F) und eine geschätzte ursprüngliche Telomerlänge von etwa 19,8 kb. Audouin-Möwen hatten eine Telomerverkürzungsrate von 771 bp pro Jahr (Abb. 1G) und eine geschätzte ursprüngliche Telomerlänge von etwa 35 kb. Sumatra-Elefanten haben eine Telomerverkürzungsrate von 109 bp pro Jahr (Abb. 1H) und eine geschätzte ursprüngliche Telomerlänge von etwa 36,3 kb. Im Falle der Gänsegeier und der Sumatra-Elefanten waren wir auf die wenigen verfügbaren Individuen im Madrider Zoo beschränkt; daher sollten die erhaltenen Werte in diesen Fällen als eine erste Annäherung an die Telomerverkürzungsraten bei diesen Arten betrachtet werden.

Als Nächstes untersuchten wir die Beziehungen zwischen Telomerlänge, Telomerverkürzungsrate und Lebensspanne der Arten. Für die maximale Lebensdauer der Arten verwendeten wir die AnAge-Datenbank (20). Die durchschnittlichen Lebensspannen wurden aus verschiedenen Quellen entnommen (SI-Anhang, Tabelle S1). Zunächst konnten wir keine Korrelation zwischen der geschätzten ursprünglichen Telomerlänge und der Lebensdauer der Arten feststellen (Abb. 2 A-D). Insbesondere ergab eine grafische Darstellung der maximalen Lebensdauer der Arten gegenüber der geschätzten ursprünglichen Telomerlänge einen R2-Wert von 0,0190 bei einer linearen Regressionskurve (Abb. 2A) und einen R2-Wert von 0,0407 bei einer Potenzgesetz-Regressionskurve (Abb. 2B). Eine grafische Darstellung der durchschnittlichen Lebensdauer der Arten gegenüber der geschätzten ursprünglichen Telomerlänge ergab einen R2-Wert von 0,125 bei einer linearen Regressionskurve (Abb. 2C) und einen R2-Wert von 0,145 bei einer Potenzgesetz-Regressionskurve (Abb. 2D). Man beachte, dass es sogar einen Trend zu einer kürzeren Lebensspanne mit einer längeren ursprünglichen Telomerlänge gibt, mit den gerade erwähnten niedrigen R2-Werten und negativen Steigungen in den Regressionsgleichungen (Abb. 2 A-D). Zu beachten ist auch, dass die umgekehrte Korrelation zwischen durchschnittlicher Lebensspanne und anfänglicher Telomerlänge (R2 = 0,125; Abb. 2C) besser war als die zwischen maximaler Lebensspanne und anfänglicher Telomerlänge (R2 = 0,019; Abb. 2A). Diese Ergebnisse stimmen mit einer früheren Studie überein, in der die Telomerlänge bei mehr als 60 verschiedenen Arten verglichen wurde (21). Obwohl die Telomerverkürzungsrate in dieser Studie nicht gemessen wurde, kamen die Autoren zu dem Schluss, dass die Lebensdauer einer Art nicht aus der anfänglichen Telomerlänge vorhergesagt werden kann und dass es einen Trend gibt, dass kurzlebige Arten längere Telomere haben (21).

Interessanterweise erhielten wir, als wir die maximale Lebensspanne gegen die Telomerverkürzungsrate für die verschiedenen Arten auftrugen, eine Potenzgesetzkurve mit einem R2-Wert von 0,829 (Abb. 2E). Die Gleichung aus dieser Kurve kann zur Vorhersage der Lebensdauer einer Spezies verwendet werden, wenn die Telomerverkürzungsrate gegeben ist, ohne dass Informationen über die ursprüngliche Telomerlänge verwendet werden, mit einem R2-Wert von 0,782 (Abb. 2F). Die gleichen Diagramme können unter Verwendung der durchschnittlichen Lebensdauer anstelle der maximalen Lebensdauer erstellt werden (Abb. 2 G und H), und in diesem Fall beträgt der R2-Wert der Potenzgesetzkurve 0,934. Die Beobachtung, dass die Lebensspanne im Verhältnis zur Telomerverkürzungsrate einer Potenzgesetzkurve entspricht, stimmt mit vielen natürlichen Phänomenen überein, die entweder einer Potenzgesetz- oder einer Exponentialkurve entsprechen, wie z. B. Bevölkerungswachstum, Temperaturabkühlung/-erwärmung, Stadtgröße, Artensterben, Körpermasse, individuelles Einkommen und die Anzahl der Verbindungen zu Knoten in einem skalenfreien Netzwerk (22⇓⇓-25).

Alternativ können linearere Vorhersagen über die Lebensspanne gemacht werden, indem man sowohl die anfängliche Telomerlänge als auch die Rate der Telomerverkürzung verwendet. In diesem Fall scheint es unwahrscheinlich, dass Arten sterben, wenn ihre Telomere vollständig erodiert sind, da die durch die vollständige Telomererosion vorhergesagte Lebensspanne länger ist als die beobachtete Lebensspanne der meisten Arten (SI Anhang, Tabelle S1). Stattdessen stellen wir hier fest, dass die Länge der Telomere bei Arten, die im Alter der maximalen Lebensspanne sterben, ∼50 % der ursprünglichen Telomerlänge für die jeweilige Art zu betragen scheint, wenn man den Durchschnitt aller gemessenen Arten betrachtet (SI-Anhang, Tabelle S2). Interessanterweise scheint die Telomerlänge ∼75 % der ursprünglichen Länge zu betragen, wenn man den Zeitpunkt der durchschnittlichen Lebensspanne betrachtet (SI-Anhang, Tabelle S2). Daher können wir die Lebensdauer einer Spezies berechnen, wenn wir davon ausgehen, dass sich die Telomere mit einer konstanten linearen Rate verkürzen und dass der Zeitpunkt des Todes eintritt, wenn die Telomere auf 50 % oder 75 % der ursprünglichen Telomerlänge verkürzt sind. Die Gleichung für die geschätzte Lebensspanne bei einer Verkürzung der Telomere auf 50 % der ursprünglichen Länge lautet wie folgt: ((Ausgangs-Telomerlänge) – (Ausgangs-Telomerlänge) × 0,5)/Telomerverkürzungsrate. Ein Diagramm der geschätzten Lebensspanne bei 50 % der ursprünglichen Telomerlänge im Vergleich zur maximalen Lebensspanne ergibt ein R2 von 0,565 (Abb. 3A). Die geschätzte Lebensspanne bei 50 % ursprünglicher Telomerlänge gegenüber der durchschnittlichen Lebensspanne ergibt ein R2 von 0,694 (Abb. 3B). Ähnliche Diagramme werden für 75 % ursprüngliche Telomerlänge dargestellt (Abb. 3 C und D). Bei diesem Datensatz liefert das Diagramm mit 75 % ursprünglicher Telomerlänge im Vergleich zur durchschnittlichen Lebensspanne die genauesten Ergebnisse mit einem R2 von 0,694. Obwohl der R2-Wert dem Wert in Abb. 3B entspricht, liegt die Steigung dieses Diagramms näher am Wert 1, was auf eine geringere Verschiebung zwischen der tatsächlichen und der geschätzten Lebensspanne hinweist. Man beachte, dass bessere Korrelationskoeffizienten mit den Potenzgesetz-Regressionskurven unter Verwendung der Telomerverkürzungsrate ohne Berücksichtigung der ursprünglichen Telomerlänge erzielt werden (Abb. 2 E-H).

Ein weiteres Merkmal, das mit der Lebensspanne korreliert, ist die Körpermasse (26). Im Allgemeinen haben größere Arten wie Elefanten und Wale eine längere Lebensspanne als kleine Arten wie Mäuse und Kaninchen. In einer Untersuchung wurden die Masse und die Lebensdauer von 1 456 verschiedenen Tierarten verglichen, und es wurde ein Trend zu einer längeren Lebensdauer bei größerer Masse festgestellt (R2 = 0,397) (26). Bei den Arten in unserem Datensatz beobachteten wir ebenfalls eine Korrelation zwischen Masse und Lebensspanne (SI-Anhang, Tabelle S3). Die Telomerverkürzungsrate der Arten korrelierte auch mit dem Körpergewicht mit einem R2 von 0,413 (SI-Anhang, Abb. S1). Arten mit höherem Körpergewicht haben tendenziell niedrigere Telomerverkürzungsraten und eine längere Lebensdauer.

Einige Autoren haben eine umgekehrte Korrelation zwischen der Lebensdauer und der Herzfrequenz, einer Variable, die mit dem Stoffwechsel des Organismus zusammenhängt, nachgewiesen (27, 28), obwohl umfangreichere Studien diese Vorstellung nicht zu unterstützen scheinen (29). In dieser Studie wollten wir eine mögliche Korrelation zwischen Herzfrequenz und Telomerlänge untersuchen. Zunächst stellten wir in unserem Datensatz eine Korrelation zwischen Lebensspanne und Herzfrequenz fest (SI-Anhang, Tabelle S3). Wir fanden auch eine lineare Korrelation zwischen der Telomerverkürzungsrate und der Herzfrequenz mit einem R2 von 0,974 (SI-Anhang, Abb. S2 A und B).

Nächste, um die Wirkung der mehreren Variablen auf die Lebensdauer zu untersuchen, wenn sie im selben Modell kombiniert werden, führten wir eine multivariate lineare Regression durch. Die Eingangsvariablen Telomerverkürzungsrate, anfängliche Telomerlänge, Körpermasse und Herzfrequenz wurden entweder an die durchschnittliche Lebensspanne oder die maximale Lebensspanne angepasst. Die für die Regression verwendeten Daten sind im SI-Anhang, Tabelle S4, aufgeführt. Für die Regression wurde der logarithmische Wert aller Datenpunkte anstelle der Originalwerte verwendet. Jede Variable im Vergleich zur durchschnittlichen Lebensspanne oder zur maximalen Lebensspanne hatte entweder einen höheren linearen R2-Korrelationskoeffizienten, wenn log-transformierte Daten verwendet wurden, oder es gab keine merkliche Veränderung des Korrelationskoeffizienten im Fall der ursprünglichen Telomerlänge. Die Modellanpassung an die durchschnittliche Lebensspanne ergab einen R2-Wert von 0,997 und einen bereinigten R2-Wert von 0,992 (SI-Anhang, Tabelle S5), was zeigt, dass diese Variablen die durchschnittliche Lebensspanne vorhersagen können. Die P-Werte (aufgeführt in der Spalte Pr(>|t|)) waren für alle Variablen statistisch signifikant. Die Telomerverkürzungsrate war die statistisch signifikanteste Variable (P = 0,000422). Die Modellanpassung an die maximale Lebensspanne ergab einen R2-Wert von 0,950 und einen bereinigten R2-Wert von 0,884 (SI-Anhang, Tabelle S6), was zeigt, dass die Variablen auch die maximale Lebensspanne vorhersagen können. In diesem Fall war nur die Variable Telomerverkürzungsrate statistisch signifikant (P = 0,0218). Auch hier fanden wir einen umgekehrten Zusammenhang zwischen der durchschnittlichen Lebensdauer und der anfänglichen Telomerlänge mit einem P-Wert von P = 0,0302, wobei kurzlebige Arten anfänglich längere Telomere aufwiesen (SI-Anhang, Tabelle S5). Auch in der multivariaten Analyse war die Beziehung zwischen der anfänglichen Telomerlänge und der maximalen Lebensspanne nicht signifikant, in Übereinstimmung mit einer schwächeren inversen Korrelation zwischen der anfänglichen Telomerlänge und der maximalen Lebensspanne im Vergleich zur durchschnittlichen Lebensspanne (Abb. 2 A und C). Somit bestätigen diese Ergebnisse, dass die Telomerverkürzungsrate (negative Korrelation), die anfängliche Telomerlänge (negative Korrelation), das Körpergewicht (positive Korrelation) und die Herzfrequenz (negative Korrelation) die Lebensspanne der Spezies vorhersagen können und dass unter diesen Variablen die Telomerverkürzungsrate die Variable mit der größten Vorhersagekraft für die Lebensspanne ist.

Ein Vorbehalt bei Studien mit Tieren unterschiedlichen Alters ist schließlich, dass ein Effekt auftreten kann, bei dem alte Tiere mit kurzen Telomeren selektiv durch den Tod verschwinden und diese Telomere folglich in älteren Jahren nicht gemessen werden. Daher könnte die Telomerlänge in den höheren Altersstufen künstlich hoch sein, da nur die Tiere mit längeren Telomeren in diesen Altersstufen überleben. Die Tatsache, dass die Verkürzung der Telomere mit dem Alter bei der Mehrzahl der untersuchten Arten einer linearen Regression entspricht, deutet jedoch darauf hin, dass dieses Phänomen in unserer aktuellen Studie nicht sehr verzerrend ist. Außerdem wäre ein solches Verschwinden von Tieren nur in sehr hohem Alter zu erwarten, und die Mehrheit der Tiere in dieser Studie war nicht extrem alt (Methoden).