《Communications biology》丨环境>遗传! 揭秘哪些因素影响端粒长度

随着全球人口日益老龄化，与年龄相关的疾病对临床护理和社会经济构成了巨大负担。健康老龄化是应对这一趋势的目标。有人提出了几种早衰或延缓衰老的标志物，包括端粒长度、DNA甲基化和胸腺功能。端粒是位于染色体末端的重复DNA结构，与相关蛋白质一起在染色体稳定性中发挥着重要作用。端粒随着年龄的增长而减少是多种因素的结果，包括端粒酶活性、末端复制问题、末端处理和氧化应激。基因和环境因素都会影响端粒长度。一些基因位点与端粒长度有关，遗传率估计在34%到82%之间。然而，遗传效应往往无法区分真正的遗传决定因素和早期生活因素，如父母或环境暴露，可能影响成年期端粒长度。

端粒长度可能具有重要的生理后果。有人提出，端粒长度可能调节基因表达，但基因表达也可能直接导至端粒长度磨损或保持。鉴于观察到的端粒长度随细胞群的变化，可以想象这与细胞类型特异性表达模式有关，迄今为止尚未对其进行研究。

近日，来自世界各地，包括荷兰、加拿大、俄罗斯、德国等地的研究团队在杂志Communications biology上发表了一篇题为“Genetic, parental and lifestyle factors influence telomere length”的文章。在文章中，研究团队使用Flow-FISH端粒长度测量法在Lifelines Deep（LLD）人群中探索端粒变异。研究团队在1046名参与者中测量了六种不同细胞类型的端粒长度。通过将这些数据与LLD参与者可用的遗传信息以及丰富的表型信息相结合，包括62名个体的血细胞计数和免疫标记物、自我报告的疾病、出生相关表型、父母疾病和行为、表观基因组学特征和单细胞表达模式，确定了端粒长度变化的主要贡献者。具体来说，研究包括了（1）六种血细胞类型端粒长度的差异，（2）白细胞端粒长度与其他衰老标记物之间的关系，（3）端粒衰老标记物与生化、亲代和临床表型及死亡率的相关性，（4）遗传和非遗传因素对端粒长度变化的贡献；（5）与特异性端粒长度变异相关的基因表达变化，这可能精确定位与端粒变异相关的主要功能途径。

图片来源：Communications biology

LLD是一个来自荷兰北部的人群队列，包括年龄范围广泛（平均43.9岁±13.7 sd，最小18.0，最大81.4）的参与者，且具有丰富的表型和分子信息。在1046名LLD参与者中，使用Flow FISH测量了六种血细胞类型的端粒长度：粒细胞、淋巴细胞、B细胞（CD45RA+CD20+）、幼稚T细胞（CD45RA+CD20−), 记忆T细胞（CD45RA−) 和NK细胞/完全分化的T细胞（CD45RA+CD57+）。研究发现，所有六种细胞类型特异性端粒长度均随年龄增加而减少，并且在整个年龄范围内，男性的端粒长度平均比女性短。

接下来将端粒长度与其他生物年龄标记物进行比较，包括基于甲基化的Hannum年龄指数和sjTRECs表达，其代表了给定个体的胸腺TCR成熟，结果显示，甲基化年龄和sjTREC与年龄的关系比端粒长度的关系更密切，两者都不与端粒长度高度相关。总的来说，这些发现表明端粒长度捕捉了除年龄以外的生物学变化，并且与其他衰老标记物相比，这种变化的来源是不同的，特别是甲基化年龄和胸腺功能。

端粒长度捕捉了除年龄以外的变化。图片来源：Communications biology

为了探索遗传学在多大程度上可以解释端粒长度的变化，研究团队首先进行了遗传力分析。分析结果支持遗传因素显著影响端粒长度的观点，并可以部分解释个体间的变异性。

为了进一步探索基因对端粒长度的贡献，研究团队还进行了一项全基因组关联研究（GWAS），研究了每种细胞类型中约750万个SNP与端粒长度的关联。

研究团队成功重复出了部分以前发表的位点关联，并且确定了一个de novo的重要关联：

位于端粒酶逆转录酶（TERT）基因内含子中的rs33961405的A等位基因与T细胞端粒长度减少有关。

端粒长度的遗传决定因素。图片来源：Communications biology

研究团队利用了LLD研究参与者可用的大量表型信息，以揭示哪些环境因素与端粒长度相关。表型信息由90个不同的参数组成，包括血液参数（例如白细胞计数）、人体测量（例如BMI）、生理参数（例如血压）、各种预先存在的疾病（例如高血压或癌症）和生活方式因素（例如吸烟），以及父母表型和习惯，包括父母疾病，吸烟与参与者出生时的父母年龄。

几个亲本因素与不同细胞的端粒长度一致相关。吸烟表型，如“任何父母吸烟”、“童年时期父亲吸烟”和“怀孕期间母亲吸烟”与几乎所有细胞类型（NK细胞除外）的端粒长度呈负相关。“出生时父亲的年龄”和“出生时母亲的年龄”与四种细胞类型的端粒长度呈正相关。

最后，研究团队评估了不归因于参与者年龄的端粒长度变化中有多少可以由内在、父母和遗传因素解释。结果表明，大多数变异性是由性别、BMI、腰围和细胞计数（从3.2%到8%）来解释的。最后，在大多数细胞中，遗传学（平均3.7%）的贡献低于内在因素（平均5.9%，考虑到性别是内在因素而不是遗传因素），这与在遗传力分析中观察到的环境效应的更大影响相一致。

一些研究报告了父母年龄和吸烟对孩子“甲基化年龄”的影响。因此还研究了亲本表型对端粒长度的影响是否可以通过甲基化水平的变化来介导。结果显示，与父系年龄效应相比，母系年龄效应更可能是通过甲基化介导。

非遗传因素导至端粒变异。 图片来源：Communications biology

为了研究端粒长度变化与基因表达变化之间的关系，研究团队使用了来自62名LLD供体的PBMC单细胞RNA测序数据，测量了六种细胞类型的端粒长度，在单细胞分辨率（sc-DEA）下进行端粒长度差异基因表达分析。研究团队鉴定了97个独特的DE基因，并探索了解释端粒长度与97个基因表达相关的潜在机制。

由于许多已识别的DE基因不属于（端粒位置效应）TPE或（端粒远端位置效应）TPE-OLD类别，研究团队进行了功能富集分析，来识别的DE基因是否属于类似的信号通路，从而可以突出端粒和基因表达之间的生物相互作用。在CD4T细胞中，JAK-STAT信号通路与端粒长度呈负相关。在所有T细胞中，研究团队发现了26条与端粒长度负相关的基因富集途径，其中许多与翻译相关，包括肽链延长、真核翻译延长或终止和启动等。此外，在T细胞中的一组负富集途径也揭示了无义介导的衰变（NMD）途径（包括PAMPC1表达），该途径最近被提出用于调节对端粒功能重要的特异性mRNA的水平。

端粒长度异常最明显的含义可能是其对发病率和死亡率的影响。根据自LLD数据收集开始以来8年的全因死亡率数据，发现端粒较短与所有死亡风险较高存在一致的相关性。除NK细胞外，所有细胞类型的端粒长度均达到统计学意义，表明端粒长度的影响在所有死亡预测中独立于年龄的影响。

端粒重复序列（TL）的平均长度随着年龄的增长而下降，被认为是生物衰老的标志物。在这里，研究团队使用Flow-FISH方法测量了1046名个体的六种血细胞类型的TL，在TL中发现了显著的细胞类型特异性变异。宿主遗传学、环境、父母和内在因素（如性别、父母年龄和吸烟）与TL的变异有关。通过分析基因组范围的甲基化模式，研究发现母亲而非父亲的年龄与TL之间的关联是由表观遗传学介导的。除了父母年龄外，还发现了一种新的端粒与父母习惯的关系，即父母吸烟与端粒长度呈负相关。这种影响可能发生在产前或早期。结合所有已确定的内在、父母和遗传因素（年龄除外），至少在两种细胞类型中具有显著影响，估计平均只有10%的观察到的端粒长度变异可以解释，只有约3.7%归因于遗传学（不考虑导至性别差异的遗传学因素）。这些发现表明，环境和内在效应对端粒长度变异的影响大于遗传学。