エピジェネティック年齢予測のための新しい標的アプローチ

New targeted approaches for epigenetic age predictions.

抄録

背景:

加齢に伴うDNAメチル化の変化は、老化プロセスの有望なバイオマーカーとなる。ゲノムワイドなDNAメチル化プロファイルは、加齢に関連する多くのCGジヌクレオチド（CpG）を統合することにより、頑健な年齢予測を可能にするが、標準化された費用対効果の高いハイスループット解析をよりよくサポートする、特定のCpGに的を絞った測定のための様々な代替アプローチが存在する。

BACKGROUND: Age-associated DNA methylation changes provide a promising biomarker for the aging process. While genome-wide DNA methylation profiles enable robust age-predictors by integration of many age-associated CG dinucleotides (CpGs), there are various alternative approaches for targeted measurements at specific CpGs that better support standardized and cost-effective high-throughput analysis.

結果:

本研究では、パイロシーケンスに基づく信頼性の高い年齢予測を容易にするCpG部位を選択するために、血液中の4647個のイルミナビーズチッププロファイルを利用した。液滴デジタルPCR（ddPCR）により、DNAメチル化測定の精度がさらに向上することを実証した。これと比較して、バイサルファイトバーコードアンプリコンシーケンス（BBA-seq）では、年代と個々のCpGにおけるDNAメチル化との相関がわずかに低かったが、年齢予測は全体的に比較的正確であった。さらに、BBA-seqのデータから、隣接するCpG部位における年齢とメチル化レベルの相関は、しばしばCTCF結合部位と関連するベル型の曲線を描くことが明らかになった。我々は、個々のBBA-seqリードにおいて、隣接するCpGにおけるDNAメチル化は首尾一貫して変化するのではなく、確率的パターンを示すことを示した。これに基づき、個々のリードにおけるメチル化部位と非メチル化部位のバイナリ続編に基づくエピジェネティック年齢予測のための新しいアプローチを開発し、サンプル内のエピジェネティック老化の不均一性を反映した。

RESULTS: In this study, we utilized 4647 Illumina BeadChip profiles of blood to select CpG sites that facilitate reliable age-predictions based on pyrosequencing. We demonstrate that the precision of DNA methylation measurements can be further increased with droplet digital PCR (ddPCR). In comparison, bisulfite barcoded amplicon sequencing (BBA-seq) gave slightly lower correlation between chronological age and DNA methylation at individual CpGs, while the age-predictions were overall relatively accurate. Furthermore, BBA-seq data revealed that the correlation of methylation levels with age at neighboring CpG sites follows a bell-shaped curve, often associated with a CTCF binding site. We demonstrate that within individual BBA-seq reads the DNA methylation at neighboring CpGs is not coherently modified, but reveals a stochastic pattern. Based on this, we have developed a new approach for epigenetic age predictions based on the binary sequel of methylated and non-methylated sites in individual reads, which reflects heterogeneity in epigenetic aging within a sample.

結論:

パイロシーケンス、BBA-seq、特にddPCRによる、年齢に関連する少数のCpGにおける標的DNAメチル化解析は、エピジェネティック年齢予測を高い精度で行うことを可能にする。さらに、BBA-seqデータにおける加齢に関連するDNAメチル化パターンの確率的進化により、個々のDNA鎖のエピジェネティック時計が可能になることを実証した。

CONCLUSION: Targeted DNA methylation analysis at few age-associated CpGs by pyrosequencing, BBA-seq, and particularly ddPCR enables high precision of epigenetic age-predictions. Furthermore, we demonstrate that the stochastic evolution of age-associated DNA methylation patterns in BBA-seq data enables epigenetic clocks for individual DNA strands.