〜 おへその乱読1000本ノック #0042 ～ 老化に伴うメチル化変化を理解する

　第42回「おへその乱読1000本ノック」へようこそ。
　老化研究が進むにつれて、DNAメチル化は老化を読み解く重要な手がかりとして注目されるようになりました。DNAメチル化は、遺伝子の働きを調節するエピジェネティックな仕組みの一つであり、細胞や組織の状態を反映する分子の記録ともいえます。実際、加齢とともにメチル化パターンは変化し、その変化は多くの加齢関連疾患とも結びついていることが知られています。
　しかし、老化に伴うメチル化変化は単純ではありません。あるCpGでは平均値が変化し、別のCpGではばらつきが増え、さらにはメチローム全体の秩序そのものが変化することも報告されています。こうした多様な現象を、私たちはどのように整理して理解すればよいのでしょうか。
　今回取り上げる Seale et al. (2022) のレビューは、老化に伴うDNAメチル化変化を体系的に整理し、老化メチロームという視点からその全体像を描こうとする論文です。個々のCpGの変化から、エピジェネティック時計、さらにはメチローム全体の構造的変化に至るまで、老化とDNAメチル化の関係を俯瞰的にまとめています。老化に伴うエピゲノム変化をどのように理解すべきなのか。その枠組みを、この論文を手がかりに見ていきます。

1. Introduction

1.1 世界が直面する高齢化という課題

　世界的な高齢化は、現代社会が直面する大きな課題の一つとなっています。2050年までに、多くの地域で人口の約4分の1が65歳以上になると予測されています。しかし平均寿命は延びている一方で、健康に生活できる期間（healthspan）が同じように延びているわけではありません。高齢化に伴って慢性疾患の増加や生活の質の低下が進み、社会的・経済的な負担も大きくなっています。

1.2 老化とは何か ～ 生物学的理解

　生物学的に見ると、老化は時間の経過とともに生体機能が低下していく過程であり、その背景には分子レベルの損傷の蓄積や修復能力の低下があると考えられています。老化の原因については、①発生や成長の延長としてプログラムされた過程とみなす考え方と、②長年にわたる損傷や偶発的なエラーの蓄積によるものとする考え方があります。いずれの場合でも、老化に伴う組織機能の低下の背後には共通する分子レベルの変化が存在すると考えられており、これらは老化のホールマークとして整理されています。

1.3 エピゲノムとDNAメチル化

　こうした老化の分子基盤の一つとして注目されているのがエピゲノムの変化です。エピゲノムはDNA配列を変えることなく遺伝子発現を調節する仕組みであり、その代表的な修飾がDNAメチル化です。DNAメチル化は主にCpG配列に生じ、発生過程で確立された後、細胞分裂を通じて維持されることで細胞の性質を保っています。一方で、このメチル化パターンは環境要因の影響も受け、運動や食事、喫煙、大気汚染などの要因によって変化することが知られています。また、DNAメチル化の異常はアルツハイマー病、心血管疾患、がんなど、多くの加齢関連疾患とも関連しています。

1.4 老化メチローム研究の未解決課題

　しかし、老化に伴うDNAメチル化変化の全体像には、まだ多くの未解明の点が残されています。どのメチル化変化が一次的な老化と二次的な老化*に関係するのか、組織ごとにメチロームはどのように変化するのか、そして生涯を通じて生じるメチル化変化の分子機構は何なのかといった問題です。

1.5 本レビューの目的

　本レビューでは、ヒトの老化メチロームを包括的に整理し、加齢に伴うDNAメチル化変化を多角的な視点から捉えることを目的としています。個々のCpGの変化だけでなく、エピジェネティック時計、メチロームのエントロピー、CpG間の相関ネットワークといったさまざまな解析アプローチを通して、老化メチロームの全体像を描き出します。さらに、それらの変化が加齢関連疾患とどのように関係するのか、また環境要因がメチロームに与える影響についても議論し、今後の研究の方向性を提示しています。

2．ヒトの老化メチローム

　　時間の経過とともに蓄積するDNAメチル化（DNAm）の変化についての理解は、それらの変化をどのような統計的・計算的手法で定量するかに大きく依存している（表1）。
　加齢に伴うDNAm変化を定量する代表的な方法として、若年者と高齢者の間で、CpGサイトにおけるDNAメチル化の平均値の違い、あるいはばらつき（分散）の違いを調べる手法が広く用いられてきた。しかしこれらの手法は、いずれも個々のCpGサイトに焦点を当てた一次元的な測定であり、複数のCpGサイトの関係性を同時に捉えるものではない。
　一方で、メチローム全体のレベルで生じる変化を評価する方法も提案されている。例えば、エントロピーのように単一の指標としてメチローム全体の状態を表す方法や、複数のCpGサイトにおけるDNAメチル化の協調的変化を解析する相関ネットワークなどがある。

3. CpGメチル化レベルの変化

3.1 加齢に伴うCpGメチル化の変化

　老化に伴うDNAメチル化の変化を調べる研究は、当初、ゲノム全体のメチル化量が年齢とともに減少するのではないかという観察から始まった。しかし、その後の研究では、組織や細胞の種類によって結果は必ずしも一致せず、加齢によるメチル化変化は単純な全体的低下だけでは説明できないことが明らかになってきた。
　現在では、加齢に伴うメチル化変化は、ゲノム全体で一様に起こるのではなく、特定のCpGサイトにおける局所的な変化として観察されることが知られている。こうした変化のうち、年齢とともに平均メチル化レベルが変化するCpGサイトは、Differentially Methylated Positions（DMP）と呼ばれる（図1）。

3.2 エピゲノムワイド解析とメチル化領域

　加齢に伴うCpGメチル化の変化は、マイクロアレイや次世代シーケンス技術の発展により、エピゲノムワイド関連解析（epigenome-wide association studies: EWAS）を通じて体系的に解析されるようになった。これらの研究により、年齢とともにメチル化レベルが上昇するCpGサイト（ハイパーメチル化）と、逆に低下するCpGサイト（ハイポメチル化）の両方が存在することが明らかになっている。
　また、メチル化変化は個々のCpGサイトだけでなく、近接する複数のCpGサイトがまとまって生じる場合もある。こうした領域はDifferentially Methylated Regions（DMR）と呼ばれ、数百塩基対程度の範囲にわたって協調的なメチル化変化が観察されることが多い。こうした領域レベルの変化は、遺伝子発現の調節と関連する可能性があると考えられている。

3.3 エピジェネティック時計

　加齢に伴って変化するCpGサイトの一部は、DNAメチル化パターンから年齢を推定するエピジェネティック時計の構築にも利用されている。エピジェネティック時計は、多数のCpGサイトのメチル化状態を統合的に解析することで、サンプルの年齢を高い精度で予測する統計モデルである。
　これまでに、血液や唾液など特定の組織に特化した時計のほか、複数の組織で利用可能なマルチ組織エピジェネティック時計など、さまざまなモデルが開発されている。こうした時計は、数万のCpGサイトの中から年齢予測に有用なCpGを選択し、それらのメチル化状態を統合することでDNAメチル化年齢（DNAm age）を推定する。
　ただし、エピジェネティック時計はあくまで多数のDMPの中から選ばれた限られたCpGサイトに基づくモデルであり、老化メチローム全体を直接表しているわけではない。したがって、DNAメチル化時計は老化の有用な指標ではあるものの、メチロームの変化を理解するためには、より広い視点からの解析も必要とされる。

4．CpGメチル化レベルのばらつき

4.1 加齢に伴うメチル化ばらつきの増加

　加齢に伴うDNAメチル化変化は、平均メチル化レベルの変化だけでは説明できない場合がある。近年の研究では、年齢とともにメチル化レベルのばらつきが増加するCpGサイトが存在することが明らかになっている。このようなCpGサイトはVariably Methylated Positions（VMP）と呼ばれる。
　VMPでは、若い個体では比較的そろっていたメチル化レベルが、年齢とともに個体間で大きくばらつくようになる。この現象は、老化に伴うエピゲノムのゆらぎとしてエピジェネティックドリフト（epigenetic drift）とも呼ばれている。双子研究では、若年期には類似していたDNAメチル化パターンが、加齢とともに徐々に異なっていくことが報告されており、こうしたばらつきの増加が環境要因や生活習慣の違いと関連する可能性が示唆されている。
　図1に示されるように、VMPでは平均メチル化レベルが大きく変化しない場合でも、年齢とともにメチル化レベルの分散が増加することが特徴である。これは、老化が進むにつれてエピゲノム状態の個体差が拡大していくことを示している。

4.2 VMPの検出方法

　VMPを同定するためには、DNAメチル化レベルの分散の変化を統計的に評価する必要がある。年齢を連続変数として扱う場合には、回帰モデルの残差の分散を検定するBreusch–Pagan検定やWhite検定などが用いられる。
　一方、新生児と高齢者のように異なる年齢群を比較する場合には、Bartlett検定、Levene検定、Brown–Forsythe検定などの方法によって分散の違いを評価することができる。さらに、マイクロアレイデータに対してVMPを検出するための統計パッケージとして、RのDiffVarなどが開発されている。
　また、個々のCpGサイトだけでなく、複数のCpGサイトが集まった領域としてばらつきが生じる場合もある。このような領域はVariably Methylated Regions（VMR）と呼ばれ、DMRと同様にゲノム領域単位でのエピジェネティック変化として解析されることがある。

4.3 VMPが示す老化の特徴

　多くの研究では、VMPの大部分が加齢とともに分散が増加する方向を示すことが報告されている。これは、年齢が進むにつれてDNAメチル化パターンが個体間で不均一になっていくことを意味する。
　一方で、少数ではあるが、加齢とともにばらつきが減少するCpGサイトも存在することが報告されている。こうしたCpGでは、メチル化レベルが完全にメチル化された状態または非メチル化状態に近づく傾向がみられる。
　VMPは、個体が生涯にわたって受ける環境要因の影響を反映している可能性が高いと考えられている。食事、喫煙、運動、汚染物質への曝露など、さまざまな外的要因がエピゲノムに影響を与えることが知られており、こうした要因の違いがメチル化パターンの個体差として現れる可能性がある。

5．メチロームのエントロピー

5.1 加齢に伴うメチル化パターンの乱れ

　DNAメチル化は本来、メチル化されているかされていないかという二つの状態をとるエピジェネティック修飾である。しかし実際の測定では、個体の組織は多数の細胞の集合であるため、あるCpGサイトのメチル化率は0〜100%の連続値として観察される。
　若い個体では、多くのCpGサイトは強くメチル化された状態か、あるいはほとんどメチル化されていない状態に集中している。しかし加齢とともに、こうした明確な状態は次第に崩れ、メチル化レベルが中間的な値へと近づくCpGサイトが増加することが知られている（図2a）。これは、エピゲノムの秩序が徐々に失われていく現象と捉えることができる。

5.2 エピジェネティックエントロピー

　このようなメチローム全体の秩序の変化は、エントロピー（entropy）という概念を用いて定量化することができる。エントロピーとは、系の不確実性やランダム性の程度を表す指標であり、情報理論ではShannonエントロピーとして知られている。
　DNAメチル化データでは、各CpGサイトのメチル化率を用いてエントロピーを計算することで、メチローム全体の乱れの程度を評価することができる。エントロピーが低い場合、メチル化状態は比較的予測可能で秩序だった状態にある。一方、エントロピーが高い場合、メチル化状態のばらつきが大きく、エピジェネティック情報の不確実性が高い状態を意味する。
　実際に、加齢とともにメチロームのエントロピーが増加することが報告されており、老化が進むにつれてエピゲノムの秩序が徐々に失われていく可能性が示唆されている（図2b）。

6．メチル化相関ネットワーク

6.1 メチル化相関ネットワーク

　DNAメチル化の変化は、これまで主に個々のCpGサイトの変化として解析されてきた。しかし実際には、複数のCpGサイトが協調して変化する場合があり、DNAメチル化はネットワーク構造として理解することもできる。
　このような視点では、CpGサイト間のメチル化レベルの相関関係を解析することで、メチローム全体の構造を調べることができる。各CpGサイトをノード、CpG間のメチル化レベルの相関をエッジとして表現することで、DNAメチル化の相関ネットワークを構築することが可能である（図3a）。このようなネットワーク解析により、メチロームの組織化された構造を可視化することができる。

6.2 加齢に伴うネットワーク構造の変化

　近年の研究では、加齢に伴ってDNAメチル化ネットワークの構造が変化することが示されている。若い個体では、多くのCpGサイトが互いに強く相関した状態を示し、メチロームは比較的密なネットワーク構造を保っている（図3b）。
　一方、加齢が進むにつれてこれらの相関関係は弱まり、特定のCpG間で観察される協調的なメチル化パターンが失われていく。この結果、メチロームのネットワーク構造はより疎なものとなり、エピジェネティック情報の統合的な構造が低下していく可能性がある（図3c）。

7. 今後の課題と展望

　これまでの研究により、加齢に伴うDNAメチル化変化は、CpGサイトの平均メチル化レベルの変化（DMP）、メチル化ばらつきの増加（VMP）、メチローム全体のエントロピーの増加、さらにCpGサイト間の相関ネットワークの変化といった、複数の解析スケールで捉えられることが明らかになってきた。本レビューでは、これらの異なる視点を統合することで、老化メチロームを理解するための概念的枠組みが提示されている。
　この枠組みをさらに整理するモデルとして、DMPとVMPがそれぞれ異なる老化過程を反映している可能性が提案されている（図4）。DMPは、寿命を通じて比較的一貫して観察されるDNAメチル化変化であり、時間の経過とともに進行する一次的老化（primary ageing）を反映する指標と考えられる。一方、VMPは個体間で大きく異なるメチル化変化を示し、環境要因、遺伝的背景、疾患などの影響によって加速または減速する二次的老化（secondary ageing）を反映する可能性がある。このモデルでは、同じ年齢の個体であっても、DMPのパターンは類似している一方で、VMPのパターンは大きく異なることが示唆される。また、食事制限や長寿化合物はメチロームの劣化を遅らせる可能性がある一方、不利な環境要因や疾患はその進行を加速させる可能性があると考えられている。

　さらに、エピジェネティック老化の分子機構についてもいくつかの仮説が提案されている（図5）。まず、エピジェネティック時計は胚発生期の低い生物学的年齢状態から始まり、出生後は組織幹細胞の非対称分裂や細胞分化とともに進行すると考えられている。こうした細胞分裂と組織更新の過程は、エピジェネティック老化の進行速度と密接に関連している可能性がある。
　また、概日リズムとエピゲノムの関係も重要な要素として挙げられる。若年ではCpGメチル化に周期的な振動が観察されるが、加齢とともにこの振動は弱まり、メチル化パターンの変化につながる可能性がある。さらに、DNA損傷の蓄積と修復過程もエピジェネティック老化の重要な要因として考えられている。DNA損傷の修復にはSIRT1やPARP1などのNAD⁺依存性酵素が関与し、これらの過程にクロマチン修飾因子が動員されることで、エピゲノムの再編成が引き起こされる可能性がある。
　加えて、代謝状態とエピゲノムの相互作用も老化過程に影響を与える可能性がある。特に、加齢に伴うNAD⁺レベルの低下は、概日リズムや代謝調節に関与するSIRT1の活性を低下させることが知られている。逆に、カロリー制限やNAD⁺補充などの介入は、これらの代謝経路を調節することで健康寿命を延ばす可能性が示唆されている。

　しかし、DNAメチル化変化が老化の原因なのか、それとも老化過程の結果として生じる現象なのかという因果関係は依然として明らかではない。また、メチローム老化の速度やパターンが組織ごとにどの程度異なるのか、さらに生活習慣や環境要因がこれらの変化にどのように影響するのかについても、今後の研究が必要である。
　今後は、CpGサイトレベルの変化からメチローム全体の構造、さらには細胞機能や代謝との相互作用までを統合的に解析することで、エピジェネティック老化の分子基盤がより明確になると期待される。