Als sie noch Teenager waren, trafen sich Steve Horvath, sein Zwillingsbruder Markus und ihr Freund Jörg Zimmermann regelmäßig zu ausgiebigen Diskussionen über Mathematik, Physik und Philosophie – ihr "Gilgamesch-Projekt", wie sie es nannten. Pate stand das uralte sumerische Epos, in dem sich der König von Uruk auf die Suche nach einer Pflanze macht, die ihm seine Jugend zurückbringen kann. Und auch bei ihren Treffen ging es oftmals um dieses Thema: Wie lässt sich die Lebenszeit des Menschen verlängern?

Bei ihrer letzten Zusammenkunft im Jahr 1989 schlossen die drei feierlich einen Pakt. Sie wollten sich alle als Wissenschaftler der Frage widmen, wie man länger in Gesundheit leben kann. Jörg spezialisierte sich auf Computerwissenschaften und künstliche Intelligenz, Markus auf Biochemie und Genetik, und Steve wollte die Frage "mit Hilfe von mathematischen Modellen und Gen-Netzwerken" angehen. Jörg arbeitet heute tatsächlich als Informatiker der Universität Bonn an künstlicher Intelligenz. "Markus geriet auf Abwege und wurde Psychiater", sagt Horvath.

Heute, als Humangenetiker und Biostatistiker an der University of California in Los Angeles (UCLA), fühlt sich Horvath kurz davor, das Versprechen von damals einzulösen. Jahrelang musste er sein Projekt im Alleingang durchkämpfen, die Ablehnung von Fachjournalen und Gutachtern hinnehmen und zuletzt gar den Tod seines Kindes verkraften. Doch inzwischen hat er Daten von mehr als 13 000 menschlichen Gewebeproben gesammelt und analysiert [1]. Dabei stieß er auf eine biologische Uhr, die nicht nur leicht abzulesen ist, sondern auch so verblüffend genau, dass es viele seiner Kollegen in Begeisterung versetzte.

Die Zeit steckt uns in den Genen
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Das Methylierungsmuster regelt normalerweise, wie Gene abgelesen werden. Aber es lässt sich auch nutzen, um das Alter eines Menschen zu bestimmen. Mit statistischen Methoden steigt die Genauigkeit auf erstaunlich hohe Werte.

Die Uhr tickt in nahezu allen Teilen des Körpers gleich, weshalb die wenigen Ausnahmen von dieser Regel sogar nützlich werden könnten: Vielleicht verbergen sich dahinter entscheidende Hinweise auf den Ablauf des Alterns und damit verbundene Erkrankungen.

Epigenetik verrät Alter

Horvaths Uhr basiert auf Mechanismen der Epigenetik – chemischen und strukturellen Veränderungen am Erbgut, die nicht die Abfolge der DNA-Bausteine beeinflussen, sondern bestimmen, wie die Gene abgelesen werden. Auch diese Markierungen werden weitergegeben, wenn sich Zellen teilen. Altern die Zellen, verändert sich das Muster der epigenetischen Marker – und zwar so regelmäßig, dass einige von ihnen als Zeitgeber fungieren: Horvath nimmt Hunderte weit verstreuter DNA-Positionen ins Visier und bestimmt, wie häufig sie methyliert sind, also eine chemische Methylgruppe tragen. Dann schickt er die Daten durch einen selbst entwickelten Computeralgorithmus, der ihm eine erstaunlich genaue Abschätzung des Alters liefert – nicht der Zellen, sondern der Person, die sie zur Verfügung gestellt hat.

Weiße Blutzellen beispielsweise sind selten älter als ein paar Tage oder Wochen. Doch auch sie tragen die Signatur ihres 50-jährigen Spenders auf wenige Jahre genau. Dasselbe gilt für die DNA eines Abstrichs aus der Mundhöhle oder für Gewebe aus Hirn, Darm und vielen anderen Organen. Hierin unterscheidet sich die Methode Horvaths von anderen Tests, bei denen Biomarker für das Lebensalter einer Person analysiert werden: Sie treten nur in wenigen Geweben auf. Als Goldstandard galt bisher die Altersbestimmung mittels Asparaginsäure-Racemisierung, eine Methode zur Datierung von Proteinen, die lebenslang in Zähnen und Knochen gelagert sind.

"Ich wollte eine Methode entwickeln, die in vielen oder den meisten Geweben funktioniert. Das war zweifelsohne ein hochriskantes Projekt", erzählt Horvath. Aber es scheint sich gelohnt zu haben. Als seine Entdeckung letztes Jahr endlich veröffentlich wurde [1], lag die Standardabweichung bei 3,6 Jahren. Das heißt, mit der Methode ließ sich bei der Hälfte seiner untersuchten Spender das Alter vieler ihrer Gewebe auf 43 Monate genau bestimmen. Die Genauigkeit wurde inzwischen bei Speichelproben auf 2,7 Jahre, bei bestimmten weißen Blutzellen auf 1,9 Jahre und bei Geweben aus der Hirnrinde auf 1,5 Jahre verbessert. So lässt sich mit der Methode beispielsweise eindeutig zeigen, dass Stammzellen aus dem Embryo extrem jung sind und dass Gehirngewebe eines Hundertjährigen etwa 100 Jahre alt ist.

Etwas sehr Unveränderliches in der Zelle

"Dieser enge Zusammenhang deutet darauf hin, dass etwas sehr Unveränderliches in der Zelle sein muss", sagt Elizabeth Blackburn von der University of California in San Francisco. Sie erhielt den Nobelpreis für ihre Arbeiten über Telomere, den Enden von Chromosomen, die mit zunehmendem Alter kürzer werden. Ihrer Meinung nach könnte etwas ganz Neues, noch völlig Unentdecktes aus der Biologie dahinterstecken. Auch für die Medizin dürften die Ergebnisse wichtig sein, etwa wenn die epigenetischen Daten eines Spenders nicht zu seiner Geburtsurkunde passen.

Nachdem Horvaths Paper erschienen war, wurden die Ergebnisse von anderen Wissenschaftlern reproduziert und sogar erweitert. Seitdem diskutieren die Forscherkollegen begeistert nicht nur Anwendungsmöglichkeiten, sondern auch die biologischen Grundlagen dahinter.

"Das ist etwas ganz Neues", kommentiert auch Peter Visscher, der Leiter der Abteilung für Quantitative Genetik an der Universität Queensland in Australien. "Wenn er mit seiner epigenetischen Uhr Recht hat, dann wäre das nicht nur hochinteressant, sondern auch wirklich wichtig."

Biomarker für das Alter

Horvath hielt sich an seinen Schwur aus dem Gilgamesch-Projekt. Er promovierte erst in Mathematik, dann in Biostatistik und bekam im Jahr 2000 eine Stelle in der Abteilung für Genetik an der UCLA. Als seine Stelle 2006 entfristet wurde, rückte das Erforschen des Alterns in seinen Fokus. Wie verändert sich die Genaktivität im Lauf des Lebens? Ein Doktorand machte sich daran, Daten zur Gentranskription mit verschiedenen statistischen Programmen zu analysieren, in der Hoffnung, einen guten Biomarker für das Alter zu finden.

"Wenn er mit seiner epigenetischen Uhr Recht hat, dann wäre das etwas wirklich Wichtiges" (Peter Visscher)

Aber als nach mehr als einem Jahr Arbeit noch kein einziger Kandidat in Sicht war, zogen sie den Schluss, dass dieser – falls überhaupt vorhanden – hoffnungslos von Organ zu Organ und von Person zu Person schwanken müsse. Weil sein Doktorand aber bis dahin keinerlei Ergebnisse als eigene wissenschaftliche Arbeit vorzuweisen hatte, wollte Horvath "dieses sehr ambitionierte Projekt nicht mehr von Studenten oder Postdocs bearbeiten lassen. Ich konnte ihre Karriere nicht einfach so mit diesem Projekt aufs Spiel setzen".

Die Aussichten besserten sich erst im Jahr 2011. Als Teil eines Teams um seinen Kollegen Eric Vilain von der UCLA hatte Horvath Methylierungsmotive in der DNA aus dem Speichel von 68 Erwachsenen analysiert. Die Forscher suchten eigentlich nach epigenetischen Motiven, die mit der sexuellen Orientierung eines Menschen korrelierten. Diese fanden sie zwar nicht, aber da Horvath und seine Kollegen die Daten nun bereits vorliegen hatten, beschlossen sie, stattdessen nach einem Marker für das Alter Ausschau zu halten.

Die Zeitansage im Genom

In der DNA des Menschen sitzen Methylgruppen meist an CpG-Dinukleotiden, den so genannten CpG-Sites. Darunter versteht man Sequenzen, an denen ein Cytosin (C) einem Guanin (G) voransteht. Das Genom eines Menschen enthält üblicherweise mehr als 28 Millionen solcher Stellen. Aber die Mikroarray-Technologie, mit der DNA-Methylierung meist untersucht wird, erfasst nur einen Bruchteil davon: Ältere Systeme erkennen 27 000 dieser Stellen, neuere etwa 485 000.

Horvath hatte Glück. Er war erfolgreich, indem er ein einfaches statistisches Modell anwendete. Mit diesem berechnete er, in wie vielen Zellen eines Speicheltropfens die DNA nur an zwei ganz bestimmten CpG-Sites methyliert ist. Der errechnete Index entsprach dem Alter der Teilnehmer und erreichte dabei eine Korrelation von 0,85 (85 Prozent) und eine durchschnittliche Genauigkeit von etwa fünf Jahren [2].

Im Rahmen einer Nachfolgestudie identifizierte Horvath dann Methylierungsmotive, die für ganz unterschiedliche Zelltypen, wie Gehirn- oder Blutzellen, passten. Plötzlich war ein Ziel greifbar, das er bisher für unmöglich gehalten hatte: ein Altersbiomarker, der in fast allen Geweben des Körpers nachweisbar ist.

Aber einfach würde es nicht werden. Horvath wusste, er würde unzählige Datensets zusammenführen müssen, die das Alter der Probanden und die entsprechenden DNA-Methylierungsmotive enthalten. Methylierungsprofile werden in verschiedensten Untersuchungen eingesetzt, meist in Bereichen, die nichts mit Altersbestimmung zu tun haben. Weil aber Daten verschiedener Studien immer mit abweichenden Methoden erhoben und ausgewertet werden, sind sie nur schlecht vergleichbar. Deshalb fragte sich Horvath: "Wie kann man Daten miteinander vergleichen, die von unterschiedlichen Labors mit unterschiedlichen Protokollen erstellt wurden?"

Auf der Basis von Andrew Teschendorffs Daten vom University College in London erstellte Horvath eine Methode zur Normalisierung von Methylierungsprofilen, so dass sie nun miteinander vergleichbar waren. Außerdem ignorierte er, wenn auch etwas gewagt, einige der Ungereimtheiten und hoffte, dass dies keinen Einfluss auf die Genauigkeit seines Modells haben würde.

Und er sollte Recht behalten: Im Jahr 2012 nutzte sein Algorithmus 16 CpG-Stellen des Genoms und lieferte Korrelationen mit dem chronologischen Alter von 96 Prozent in neun unterschiedlichen Geweben. Die Genauigkeit war erstaunlich: Der mittlere Fehler lag für Blutzellen bei drei Jahren und für den Abstrich aus der Mundhöhle bei nur 18 Monaten.

"Zu gut, um wahr zu sein"

Trotzdem wurde Horvaths Paper erst einmal von den Editoren zweier Zeitschriften abgelehnt. "Der Tenor war: zu gut, um wahr zu sein", erinnert er sich. Nach Meinung der Gutachter mochte sein Modell zwar zu den eingesetzten Testdaten passen, aber es gäbe nicht genügend weitere Daten zur Bestätigung.

Fügsam, aber unverdrossen sammelte Horvath mehr Daten und verbesserte den Algorithmus. Bis Dezember 2012 hatte er von 51 normalen Geweben und Zellen sowie 20 verschiedenen Krebsarten Methylierungsdaten angehäuft. Dazu konnte er 353 CpG-Sites zur Altersbestimmung nutzen.

Als er seine Analysen abgeschlossen hatte und mit dem Verfassen der Veröffentlichung gerade noch einmal ganz von vorne begann, erlitt seine schwangere Frau drei Monate vor dem Geburtstermin einen Blasensprung. Die nächsten 20 Tage verbrachte er bei ihr im Krankenhaus, wo alle händeringend eine Infektion und Frühgeburt verhindern wollten.

Der Stress ließ ihn sehr effektiv arbeiten. "Ich nutzte jede Minute zum Schreiben, als ob es die letzten vor einem Abgabetermin wären", erinnert er sich. Seiner Frau und dem Baby in ihrem Bauch ging es gut, und auch er kam voran. Gegen Ende der dritten Woche, als Weihnachten nahte, "war ich guter Hoffnung", erzählt er. Aber dann schnellte die Herzfrequenz seines ungeborenen Babys plötzlich in die Höhe. Nach einem Notfallkaiserschnitt rang es um Luft. "Die Ärzte versuchten wirklich alles, aber die Kleine starb in meinen Händen noch am Tag ihrer Geburt. Erst zehn Tage später war ich wieder in der Lage, mein Paper bei 'Genome Biology' einzureichen."

Unglaubliche Trefferquoten

Die Reviews kamen im Frühjahr mit noch größeren Zweifeln und einer erneuten Ablehnung. Horvath verstand ihre Skepsis sehr gut. "Wer nach Biomarkern sucht, weiß, was zu erwarten ist: Ein sehr guter Biomarker erreicht eine Korrelation von etwa 0,6 oder 0,7." So liegt beispielsweise die Korrelation der Telomerlänge mit dem Alter bei 0,5. Mit seinem Uhrenalgorithmus lag sie jedoch bei unglaublichen 0,96. Er gibt auch zu, dass er selbst daran zweifelte, bis andere unabhängig von ihm den sehr starken Zusammenhang bestätigten.

Dieses Mal akzeptierte er das "Nein" der Gutachter aber nicht. "Kurz nachdem ich die Kommentare gelesen hatte, tat ich etwas, was man eigentlich nie tun sollte. Erst holte ich mir drei Flaschen Bier aus dem Kühlschrank und stürzte sie herunter. Dann setzte ich mich wieder an den Computer und schrieb einen Brief an den Editor, den ich dann auch tatsächlich abschickte."

"Die entscheidende Frage bei dieser Uhr ist doch: Messen wir damit einen biologischen Prozess, der einen Zweck hat, oder nicht?" (Steve Horvath)

Der Brief zeigte Wirkung, und sobald Horvaths Artikel im Oktober 2013 in "Genome Biology" erschienen war, luden sich viele andere Wissenschaftler das Programm von seiner Website herunter, um ihre eigenen Daten zu analysieren. Marco Boks von der Universitätsklinik Utrecht in den Niederlanden untersuchte Blutproben von 96 dänischen Veteranen aus dem Afghanistan-Krieg, alle im Alter von 18 bis 53 Jahren. Die Korrelation des mittels Algorithmus berechneten und des tatsächlichen Alters lag bei 99,7 Prozent mit einem mittleren Fehler im Bereich von Monaten.

Daneben untersuchten Wei Guo und Kevin Bryant von der Biotechfirma Zymo Research in Irvine in Kalifornien Urinproben von 11 Männern und Frauen im Alter von 28 bis 72 Jahren. Hier betrug die Korrelation 98 Prozent und der Standardfehler nur 2,7 Jahre. "Das ist unwahrscheinlich gut", sagt Bryant. "Noch dazu, weil Steve bei der Entwicklung des Programms nicht einmal Urinproben eingesetzt hatte."

Vielerlei Anwendungsmöglichkeiten

Horvaths Methode bietet viele Anwendungsmöglichkeiten. Kriminalisten könnten sie zur Altersbestimmung bei Opfern oder Tätern einsetzen, indem sie am Tatort hinterlassene Überreste untersuchen. Trey Ideker, der Leiter der Abteilung für medizinische Genetik der University of California in San Diego, erzählt von seiner Zusammenarbeit mit einem Forensiklabor. Er wolle eine eigene epigenetische Uhr testen, die er mit seinen Kooperationspartnern speziell für Blutproben entwickelt hat – mit ganz ähnlichen mathematischen Modellen wie Horvath [3]. Auch wenn seine Methode spezifisch für Blutzellen ist und nicht ganz so genau, könnte sie doch billiger sein, weil sie nur auf 71 statt 353 CpG-Sites basiert.

Das Interessanteste an der epigenetischen Uhr wird laut Idekar und Horvath sein, Diskrepanzen zwischen dem epigenetischen und dem chronologischen Alter aufzudecken und Anzeichen einer vorzeitigen Alterung zu bestimmen, sei es in einem bestimmten Teil des Körpers oder insgesamt.

Solche Unterschiede könnten dann ein Zeichen dafür sein, dass etwas nicht stimmt. Brian Chen vom NHLBI-Institut der US-Gesundheitsbehörde hat dazu gemeinsam mit Horvath und anderen Wissenschaftlern passende Daten gesammelt, die in Kürze der Fachwelt vorgestellt werden sollen. Die Forscher haben Methylierungsanalysen an Proben von 2100 Männern und Frauen im Alter zwischen 40 und 92 Jahren durchgeführt, die Teil der Framingham Heart Study waren.

Wenn das epigenetische Alter nicht zur Geburtsurkunde passt

Die Forscher schlossen aus den Ergebnissen, dass jeder vorschnelle Altersanstieg eines Gewebes um 5 Jahre die Wahrscheinlichkeit, dass der Teilnehmer noch während der Studie verstarb, um 15 Prozent erhöhte. Laut Horvath zeigen noch unveröffentlichte Daten aus zwei anderen großen Studien ebenfalls, dass eine vorschnelle Alterung auf epigenetischer Ebene mit einer erhöhten Sterblichkeit einhergeht, sogar wenn man das chronologische Alter oder andere Risikofaktoren herausrechnet.

Daneben vergleichen die Forscher auch das epigenetische Alter von verschiedenen Geweben ein und derselben Person. Dabei hoffen sie, eine genauere, nicht invasive Diagnosemöglichkeit für Erkrankungen zu finden oder gar das Risiko einer Erkrankung im späteren Leben voraussagen zu können. Wie Ideker und seine Mitarbeiter letztes Jahr berichteten, ist das epigenetische Alter von Brust-, Nieren-, Lungen- und Hautkrebszellen durchschnittlich 40 Prozent höher als das reale, chronologische Alter des jeweiligen Patienten [3]. Aus Horvaths Analysen lässt sich das nicht so eindeutig ableiten. Verschiedene Krebsarten wie Hirntumore scheinen ihrem realen Alter Jahrzehnte voraus zu sein, wenn man ihren Methylierungsstatus betrachtet. Bei anderen Krebsarten, etwa bei Tumoren der Gebärmutterschleimhaut und der Brust, scheint es aber genau umgekehrt zu sein.

Abweichungen des epigenetischen Alters sind auch bei weiteren Erkrankungen zu finden. Laut Horvath zeigen neue Arbeiten, dass HIV-Patienten mit aktiver Virusinfektion epigenetisch älter sind als gesunde Patienten oder solche mit unterdrücktem Virus. Außerdem seien laut einer anderen noch nicht veröffentlichten Studie manche Gewebe von krankhaft adipösen Leuten ihrem chronologischen Alter weit voraus. In den nächsten Monaten möchte Horvath Daten der großen Women’s Health Initiative des NHLBI auswerten, die Tausende von Methylierungsprofilen aus einer 20-jährigen Studie an 160 000 Frauen enthält.

Wozu dient der epigenetische Prozess?

Medizinforscher könnten mit der epigenetischen Uhr womöglich bald ihre Diagnosen und Krankheitseinteilungen verbessern. Dazu müssten nicht einmal die biologischen Mechanismen im Hintergrund verstanden sein. Aber Horvath hofft, dass die Wissenschaft nicht an dieser Stelle stehen bleibt. "Die entscheidende Frage bei dieser Uhr ist doch: Messen wir damit einen biologischen Prozess, der einen Zweck hat, oder nicht?" Seiner Meinung nach stellt die Uhr eine Art epigenetischen Hausmeisterservice dar, der zur Stabilisierung des Genoms beiträgt, indem er das Methylierungsmuster der DNA aufrechterhält. Je aktiver dieser Mechanismus ist, desto schneller sollte seiner Meinung nach die epigenetische Uhr ticken.

Weil Methylierung normalerweise reversibel ist, könnte es laut Wei Guo vielleicht möglich sein, den Minutenzeiger der Uhr anzuhalten und so das Voranschreiten des Alters aufzuhalten – was die Einlösung von Horvaths feierlichem Versprechen aus der Jugend fast in greifbare Nähe rücken lässt. "Wir hoffen inständig, dass die Uhr etwas misst, das wirklich mit dem Alter zusammenhängt oder das Altern sogar vorantreibt", sagt Horvath.

Andere sind da aber skeptisch. Teschendorffs Forschung hat gezeigt, dass sich genomweite Methylierungsmuster im Lauf der Zeit langsam verändern [4], und er vermutet passive Mechanismen dahinter. Seiner Meinung nach kommt Alterung und Erkrankung hauptsächlich dadurch zu Stande, dass die Differenzierungsfähigkeit der Stammzellen beeinflusst wird. Auch laut Idekar geschehen epigenetische Veränderungen beim Älterwerden meist zufällig. Das hieße aber, dass die 353 Rädchen in Horvaths Uhr keine besondere Information enthalten.

Horvath ist sich dessen bewusst: Ob das epigenetische Alter den Beginn von Krankheit und Altersschwäche besser vorhersagen kann als der Kalender, wird sich nur mit noch viel mehr Arbeit herausfinden lassen. "Mit der epigenetischen Uhr haben wir aber einen neuen Ausgangspunkt gefunden. Und damit die Hoffnung, herauszufinden, was das Altern vorantreibt." In diesem Sinn geht sie auch heute noch weiter, Gilgameschs uralte Suche nach einem Weg, das Unausweichliche hinauszuzögern.

Dieser Artikel erschien unter dem Titel "Biomarkers and ageing: The clock-watcher" in Nature 508, S. 168-170, 2014.