Il tasso di accorciamento dei telomeri predice la durata della vita delle specie

• telomero
• durata della vita
• specie

Gli esseri umani hanno una lunghezza dei telomeri relativamente breve, da 5 a 15 kb (1⇓-3), eppure hanno una durata di vita molto più lunga dei topi, che possono iniziare con telomeri di circa 50 kb (4, 5). Studi precedenti hanno suggerito che il tasso di accorciamento dei telomeri piuttosto che la lunghezza iniziale dei telomeri è la variabile critica che determina la durata della vita della specie (4, 6⇓⇓⇓-10). In particolare, abbiamo precedentemente dimostrato che i telomeri umani si accorciano ad un tasso di ∼70 bp per anno (1), che è in linea con il tasso pubblicato da altri autori (3, 11⇓⇓-14), mentre i telomeri dei topi si accorciano ad un tasso di 7.000 bp per anno (4). Questi diversi tassi di accorciamento dei telomeri tra umani e topi potrebbero spiegare la diversa longevità di topi ed esseri umani. Tuttavia, il tasso di accorciamento dei telomeri è stato studiato finora in poche specie (4, 6⇓⇓⇓-10, 15, 16), e utilizzando tecniche diverse, il che ha impedito confronti side-by-side dei tassi di accorciamento dei telomeri in specie filogeneticamente distanti con diverse dimensioni del corpo e durata di vita.

Qui, per capire se la lunghezza dei telomeri e/o i tassi di accorciamento dei telomeri possano spiegare la longevità delle specie, abbiamo misurato la lunghezza dei telomeri nelle cellule mononucleate del sangue periferico di individui di diverse specie di uccelli e mammiferi a diverse età in parallelo, e abbiamo calcolato il tasso di accorciamento dei telomeri per anno in ogni specie. Uno studio longitudinale della lunghezza dei telomeri non è stato preso in considerazione a causa delle longevità molto diverse delle specie incluse in questo studio. Studi futuri garantiscono questo tipo di analisi per comprendere le dinamiche telomeriche a livello individuale. Per misurare la lunghezza dei telomeri, abbiamo utilizzato una tecnica di ibridazione quantitativa in situ ad alta produttività (HT Q-FISH), che permette di quantificare i segnali telomerici individuali a livello di singola cellula (1), fornendo dati sia sulla lunghezza telomerica media che sui segnali telomerici individuali (Appendice SI, Tabella S1 e Fig. 1) (17, 18). In particolare, abbiamo misurato, in parallelo, i telomeri di topi da laboratorio (Mus musculus) (Fig. 1A), tursiopi (Tursiops truncatus) (Fig. 1B), capre (Capra hircus) (Fig. 1C), renne (Rangifer tarandus) (Fig. 1D), fenicotteri americani (Phoenicopterus ruber) (Fig. 1E), grifoni (Gyps fulvus) (Fig. 1F), gabbiani di Audouin (Larus audouinii) (Fig. 1G), ed elefanti di Sumatra (Elephas maximus sumatranus) (Fig. 1H). I topi di laboratorio sono stati inclusi come controllo, in quanto avevamo precedentemente dimostrato un tasso di accorciamento dei telomeri di circa 7.000 bp per anno, che è 100 volte più veloce di quello riportato negli esseri umani (4). La lunghezza telomerica iniziale delle diverse specie in studio è stata stimata mediante regressione lineare (Fig. 1). Si noti che il valore della lunghezza telomerica iniziale è solo una stima e la dinamica della lunghezza telomerica potrebbe non essere lineare durante le prime fasi della vita (19). In primo luogo, abbiamo confermato un tasso molto elevato di accorciamento dei telomeri nella nostra attuale coorte di topi di 6.420 bp per anno (Fig. 1A), simile a quello precedentemente descritto da noi (4). I tursiopi hanno mostrato un tasso di accorciamento dei telomeri di 766 bp per anno (Appendice SI, Tabella S1 e Fig. 1B) e una lunghezza telomerica iniziale stimata intorno ai 90,7 kb (Fig. 1B). Le capre hanno mostrato un tasso di accorciamento dei telomeri di 363 bp per anno (Fig. 1C) e una lunghezza telomerica iniziale stimata intorno ai 10,4 kb. Le renne hanno mostrato un tasso di accorciamento telomerico di 531 bp per anno (Fig. 1D) e una lunghezza telomerica iniziale stimata di ∼ 19,8 kb. I fenicotteri americani hanno mostrato un tasso di accorciamento dei telomeri di 105 bp per anno (Fig. 1E) e una lunghezza telomerica iniziale stimata di circa 21,0 kb. I grifoni avevano un tasso di accorciamento dei telomeri di 209 bp per anno (Fig. 1F) e una lunghezza telomerica iniziale stimata intorno a 19,8 kb. I gabbiani di Audouin avevano un tasso di accorciamento dei telomeri di 771 bp per anno (Fig. 1G) e una lunghezza telomerica iniziale stimata intorno ai 35 kb. Gli elefanti di Sumatra hanno un tasso di accorciamento dei telomeri di 109 bp per anno (Fig. 1H) e una lunghezza telomerica iniziale stimata intorno ai 36,3 kb. Nel caso dei grifoni e degli elefanti di Sumatra, ci siamo limitati ai pochi individui disponibili allo zoo di Madrid; quindi, in questi casi i valori ottenuti devono essere considerati come una prima approssimazione dei tassi di accorciamento dei telomeri in queste specie.

Allora abbiamo studiato le relazioni tra lunghezza dei telomeri, tasso di accorciamento dei telomeri e durata della vita della specie. Per la durata massima della vita della specie, abbiamo usato il database AnAge (20). Le durate medie di vita sono state ottenute da varie fonti (Appendice SI, Tabella S1). In primo luogo, non abbiamo trovato alcuna correlazione tra la lunghezza iniziale stimata dei telomeri e la longevità della specie (Fig. 2 A-D). In particolare, un grafico della durata massima della vita della specie rispetto alla lunghezza telomerica iniziale stimata ha dato come risultato un valore R2 di 0,0190 con una curva di regressione lineare (Fig. 2A), e un valore R2 di 0,0407 con una curva di regressione power law (Fig. 2B). Un grafico della vita media della specie rispetto alla lunghezza iniziale stimata dei telomeri ha dato come risultato un valore R2 di 0,125 con una curva di regressione lineare (Fig. 2C), e un valore R2 di 0,145 con una curva di regressione con legge di potenza (Fig. 2D). Si noti che c’è anche una tendenza per la durata della vita più breve con lunghezze telomeriche iniziali più lunghi con i valori bassi R2 appena citato, e pendenze negative nelle equazioni della linea di regressione (Fig. 2 A-D). Si noti inoltre che la correlazione inversa tra la durata media della vita e la lunghezza iniziale dei telomeri (R2 = 0,125; Fig. 2C) era migliore di quella tra la durata massima della vita e la lunghezza iniziale dei telomeri (R2 = 0,019; Fig. 2A). Questi risultati concordano con uno studio precedente che ha confrontato la lunghezza dei telomeri in più di 60 specie diverse (21). Anche se il tasso di accorciamento dei telomeri non è stato misurato in quello studio, gli autori hanno concluso che la durata della vita di una specie non poteva essere prevista dalla lunghezza iniziale dei telomeri e che c’era una tendenza delle specie a vita breve ad avere telomeri più lunghi (21).

Interessante, quando abbiamo tracciato la durata massima della vita contro il tasso di accorciamento dei telomeri per le diverse specie, abbiamo ottenuto una curva legge di potenza con un valore R2 di 0,829 (Fig. 2E). L’equazione di questa curva può essere utilizzata per predire la durata della vita di una specie quando viene dato il tasso di accorciamento dei telomeri senza utilizzare alcuna informazione sulla lunghezza iniziale dei telomeri con un valore R2 di 0,782 (Fig. 2F). Gli stessi grafici possono essere fatti usando la durata media della vita invece della durata massima della vita (Fig. 2 G e H), e in questo caso il valore R2 della curva della legge di potenza è 0,934. L’osservazione che la durata della vita rispetto al tasso di accorciamento dei telomeri si adatta ad una curva di legge di potenza è in accordo con molti fenomeni naturali che si adattano ad una legge di potenza o ad una curva esponenziale come la crescita della popolazione, il raffreddamento/riscaldamento della temperatura, le dimensioni delle città, l’estinzione delle specie, la massa corporea, i redditi individuali e il numero di connessioni ai nodi in una rete senza scala, tra gli altri (22⇓⇓-25).

In alternativa, si possono fare previsioni più lineari sulla durata della vita utilizzando sia la lunghezza iniziale dei telomeri che il tasso di accorciamento dei telomeri. In questo caso, sembra improbabile che le specie muoiano quando i loro telomeri sono completamente erosi, poiché le durate di vita previste dalla completa erosione dei telomeri sono più lunghe di quelle osservate per la maggior parte delle specie (Appendice SI, Tabella S1). Invece, troviamo qui che la lunghezza dei telomeri quando le specie muoiono all’età della durata massima della vita sembra essere ∼50% della lunghezza originale dei telomeri per quella particolare specie, quando si considera la media di tutte le specie misurate (Appendice SI, Tabella S2). È interessante notare che, quando si considera il punto temporale della durata media della vita, la lunghezza dei telomeri sembra essere ∼75% della lunghezza originale (Appendice SI, Tabella S2). Pertanto, possiamo calcolare la durata della vita di una specie se assumiamo che i telomeri si accorciano con un tasso lineare costante e che il momento della morte si verifichi quando i telomeri si sono accorciati al 50% o al 75% della lunghezza telomerica originale. L’equazione della durata della vita stimata se i telomeri si sono accorciati al 50% della lunghezza originale è la seguente: ((Lunghezza telomerica iniziale) – (Lunghezza telomerica iniziale) × 0,5)/Tasso di accorciamento dei telomeri. Un grafico della durata della vita stimata al 50% della lunghezza telomerica originale contro la durata massima della vita produce un R2 di 0.565 (Fig. 3A). La durata della vita stimata al 50% della lunghezza originale dei telomeri rispetto alla durata media della vita produce un R2 di 0,694 (Fig. 3B). Grafici simili sono presentati per il 75% di lunghezza telomerica originale (Fig. 3 C e D). Con questo set di dati, il grafico con il 75% di lunghezza originale dei telomeri rispetto alla durata media della vita fornisce i risultati più accurati con un R2 di 0,694. Anche se il valore di R2 è lo stesso di quello della Fig. 3B, questo grafico ha anche una pendenza che è più vicina al valore di 1, indicando uno spostamento minore tra la durata della vita reale e quella stimata. Si noti che migliori coefficienti di correlazione si ottengono con le curve di regressione della legge di potenza utilizzando il tasso di accorciamento dei telomeri senza prendere in considerazione la lunghezza telomerica iniziale (Fig. 2 E-H).

Un altro tratto che correla con la durata della vita è la massa corporea (26). In generale, le specie più grandi come gli elefanti e le balene hanno una durata di vita più lunga delle specie piccole come i topi e i conigli. Un’indagine ha confrontato la massa e la durata della vita di 1.456 specie diverse, e ha trovato una tendenza per una durata di vita più lunga con una massa maggiore (R2 = 0,397) (26). Con le specie del nostro set di dati, abbiamo anche osservato una correlazione tra la massa e la durata della vita (Appendice SI, Tabella S3). Il tasso di accorciamento dei telomeri della specie è anche correlato al peso corporeo con un R2 di 0,413 (Appendice SI, Fig. S1). Le specie con pesi corporei più elevati tendono ad avere tassi di accorciamento dei telomeri più bassi e durate di vita più lunghe.

Alcuni autori hanno mostrato una correlazione inversa tra la durata della vita e la frequenza cardiaca, una variabile legata al metabolismo dell’organismo (27, 28), anche se studi più ampi non sembrano sostenere questa nozione (29). Qui, abbiamo impostato per affrontare una potenziale correlazione tra la frequenza cardiaca e la lunghezza dei telomeri. In primo luogo, abbiamo osservato una correlazione tra la durata della vita e la frequenza cardiaca con il nostro set di dati (Appendice SI, Tabella S3). Abbiamo anche trovato una correlazione lineare tra il tasso di accorciamento dei telomeri e la frequenza cardiaca con un R2 di 0,974 (Appendice SI, Fig. S2 A e B).

In seguito, per studiare l’effetto delle variabili multiple sulla durata della vita quando combinate nello stesso modello, abbiamo eseguito una regressione lineare multivariata. Le variabili di input del tasso di accorciamento dei telomeri, della lunghezza iniziale dei telomeri, della massa corporea e della frequenza cardiaca sono state adattate alla durata media della vita o alla durata massima della vita. I dati utilizzati per la regressione sono presentati nell’appendice SI, tabella S4. Il valore logico di tutti i punti di dati è stato utilizzato per la regressione invece dei valori originali. Ogni variabile rispetto alla durata media o massima della vita ha avuto un coefficiente di correlazione lineare R2 più alto quando si sono usati i dati trasformati in log, o non c’è stato alcun cambiamento notevole nel coefficiente di correlazione nel caso della variabile iniziale della lunghezza dei telomeri. Il modello adattato alla durata media della vita ha prodotto un valore R2 di 0,997 e un valore R2 corretto di 0,992 (Appendice SI, Tabella S5), dimostrando che queste variabili possono prevedere la durata media della vita. I valori P (elencati nella colonna Pr(>|t|)) erano statisticamente significativi per tutte le variabili. Il tasso di accorciamento dei telomeri era la variabile statisticamente più significativa (P = 0,000422). Il modello adattato alla durata massima della vita ha prodotto un valore R2 di 0,950 e un valore R2 corretto di 0,884 (Appendice SI, Tabella S6), dimostrando che le variabili possono anche predire la durata massima della vita. In questo caso, solo la variabile del tasso di accorciamento dei telomeri era statisticamente significativa (P = 0,0218). Di nuovo, abbiamo trovato una relazione inversa tra la durata media della vita e la lunghezza iniziale dei telomeri con un valore P = 0,0302, con le specie a vita breve che hanno telomeri iniziali più lunghi (Appendice SI, Tabella S5). Inoltre, nell’analisi multivariata, la relazione tra la lunghezza telomerica iniziale e la durata massima della vita non era significativa in accordo con una più debole correlazione inversa tra la lunghezza telomerica iniziale e la durata massima della vita rispetto alla durata media della vita (Fig. 2 A e C). Quindi, questi risultati confermano che il tasso di accorciamento dei telomeri (correlazione negativa), la lunghezza iniziale dei telomeri (correlazione negativa), il peso corporeo (correlazione positiva) e la frequenza cardiaca (correlazione negativa) possono predire la durata della vita della specie e che, tra queste variabili, la variabile con il maggior potere di predire la durata della vita è il tasso di accorciamento dei telomeri.

Infine, un avvertimento degli studi con animali di età diverse è che può verificarsi un effetto in cui gli animali vecchi con telomeri corti scompaiono selettivamente a causa della morte, e questi telomeri non vengono di conseguenza misurati in età più avanzata. Pertanto, la lunghezza dei telomeri potrebbe essere artificialmente alta nelle età più avanzate, poiché solo gli animali con telomeri più lunghi continuano a sopravvivere a queste età. Tuttavia, il fatto che l’accorciamento dei telomeri con l’età si adatta ad una regressione lineare nella maggior parte delle specie studiate indica che questo fenomeno non è molto distorsivo nel nostro studio attuale. Inoltre, ci si aspetterebbe che tale scomparsa di animali si verifichi solo in età molto avanzata, e la maggior parte degli animali in questo studio non erano estremamente vecchi (Metodi).