En ny studie ledd av USC Leonard Davis School belyser hur transposoner – som ofta kallas ”hoppande gener” på grund av deras förmåga att flytta till olika delar av genomet – är förknippade med åldersrelaterade sjukdomar och nedgång, samt hur ytterligare gener som styr transposonuttryck en dag kan vara terapeutiska mål för åldrande.
Studien, ”An eQTL-based approach reveals candidate regulators of LINE-1 RNA levels in lymphoblastoid cells”, publicerades i PLOS Genetics den 7 juni 2024.
Transposoner utgör cirka 45% av människans DNA, och deras aktivitet är till stor del undertryckt i yngre, friska celler. Men med åldern uttrycks dessa gener mer och blir mer rörliga, vilket korrelerar med olika åldersrelaterade funktionsnedgångar, säger Bérénice Benayoun, studiens korresponderande författare.
”Frågan är om den ökade transposonaktiviteten bara är en biprodukt av åldrandet eller om den faktiskt kan driva olika aspekter av åldrandet?”, säger hon.
Befintliga data ger nya överraskningar
Benayoun, docent i gerontologi, biovetenskap, biokemi och molekylärmedicin, säger att covid-19-pandemin var en del av inspirationen till studien.
Medan nedstängningarna innebar att det var svårare att få tid i laboratoriet vände sig Benayoun och hennes team till en ”skattkista” av befintliga data om det mänskliga genomet (vilka gener som finns i DNA) och transkriptomet (vilka gener som är aktiva och transkriberas till RNA för att producera proteiner) som kunde studeras på distans med datoranalys.
Teamet fokuserade på long interspersed element 1 (LINE-1), en familj av transposoner som tillsammans utgör ca 17% av det mänskliga genomet. Tidigare studier har visat att LINE-1, i likhet med andra transposoner, också verkar uttryckas mer med åldern och vid åldersrelaterade sjukdomar.
Juan Bravo, postdoktor i Benayoun-laboratoriet och studiens försteförfattare, utformade en analys med hjälp av DNA- och RNA-sekvenseringsdata från mänskliga lymfoblaster, en typ av immunceller. Den eQTL-analys (expression quantitative trait loci) som han skapade pekade ut flera gener som påverkar hur mycket LINE-1 uttrycks.
”Transposoner har historiskt sett ignorerats av flera skäl, varav ett är den ytterligare och tekniska komplexiteten i att kvantifiera transposon-RNA-nivåer”, säger Bravo.
”Genom att inkludera både proteinkodande gener och transposoner i vår analys kunde vi dock lägga till ett lager i vår analys där vi kunde identifiera proteinkodande gener vars nivåer samvarierade med, och potentiellt reglerade, transposonnivåerna.”
Förutom att studera regleringsaspekten av transposoner gjorde metoden det också möjligt att studera potentiella åldersrelaterade effekter som dysreglering av transposoner kan ha, säger han.
”Med hjälp av våra medarbetare kunde vi avgöra om transposonkopplade genomiska variationer tidigare hade kopplats till åldersrelaterade sjukdomar av andra forskare”, säger Bravo. ”Och det hade den faktiskt varit.”
I samarbete med medarbetare vid Columbia University korsrefererade teamet de misstänkta generna med transkriptomiska och genomiska data från mer än 400 individer. Resultaten ger en tydlig bild av förhållandet mellan ökat uttryck av LINE-1, uttryck av dess misstänkta regulatoriska gener och tecken på accelererat åldrande.
”Den här studien sätter en ny ram för studier av transposoner och bidrar till den mängd bevis som visar att aktivering av transposabla element bidrar till åldrandet”, säger Benayoun.
Hon tillade att denna studie också var ny, delvis för att den fokuserade på transposonaktivitet och reglering i somatiska celler (kroppsceller), jämfört med reproduktiva celler eller cancerceller.
”Majoriteten av allt vi vet om transposonreglering kommer från könsceller eller cancerceller; det finns inte mycket som har gjorts för att titta på transposonreglering i normala somatiska celler”, säger hon.
Bekräftelse i labbet identifierar potentiella mål för åldrande
Som stöd för sina resultat arbetade Benayoun och hennes team med mänskliga celler in vitro för att se hur överuttryck av de misstänkta regulatoriska generna påverkade LINE-1:s aktivitet. Genom att konstruera celler så att de överuttryckte två av generna, IL16 och STARD5, ökade det totala LINE-1-uttrycket markant. Dessutom ledde behandling av normala celler med en kortvarig exponering för IL16-protein också till ett högre uttryck av LINE-1.
”Det här är nya validerade regulatorer av aktiviteten hos transposabla element, och de är potentiella mål för åldrande”, säger Benayoun.
Att reglera hoppande gener är en ny arbetsbeskrivning för båda dessa gener, men deras potentiella kopplingar till åldrande är vettiga, säger Bravo. STARD5 är involverad i att flytta kolesterol inom cellerna och uppregleras som svar på stress i det endoplasmatiska retiklet (ER) – en organell som är involverad i proteinsyntes och lipidmetabolism.
”Åldrande åtföljs ofta av förändringar som kan främja ER-stress. Med tanke på STARD5:s roll är det möjligt att det är inblandat i åldersrelaterade förändringar”, säger Bravo. ”Intressant nog observerade vi att en uppreglering av STARD5 ledde till en uppreglering av IL16, vilket tyder på att det kan finnas en synergi mellan de två när det gäller att aktivera transposoner.”
IL16 är främst känt för sin roll i regleringen av immunförsvarets reaktion på infektioner, men forskarna fann att dess blodnivåer ökar med åldern. Kopplingarna mellan genaktivitet och immunförsvar är inte långsökta – evolutionsbiologisk forskning har visat att transposoner är ättlingar till gamla virus som tog plats i cellerna, förklarar Benayoun.
Dessutom är kronisk låggradig inflammation ett av tecknen på biologiskt åldrande, vilket kan vara kopplat till immunsvar på transposonuttryck.
Dessutom har tidigare studier indikerat en möjlig roll i åldrandets sjukdomar för en annan av de gener som lyfts fram i denna analys, en variation av genen HLA; nuvarande tekniska begränsningar förhindrade dock experimentell validering tillsammans med STARD5 och IL16, förklarade Benayoun. I vilket fall som helst fungerar denna studie också som ett principbevis för att denna typ av analys är en kraftfull ny teknik inom åldrandeforskningen, tillade hon.
”Vi kunde hitta nya spännande resultat med hjälp av ett 15 år gammalt dataset”, säger Benayoun.
”Det här tillvägagångssättet kan användas på större datakohorter, vilket öppnar dörren för att hitta fler av dessa regulatorer. Därefter kanske vi kan identifiera användbara terapeutiska mål för åldrande och åldersrelaterade sjukdomar.”
Ytterligare information: Juan I. Bravo et al, An eQTL-based approach reveals candidate regulators of LINE-1 RNA levels in lymphoblastoid cells, PLOS Genetics (2024). DOI: 10.1371/journal.pgen.1011311
