Az öregedési folyamatban kiemelt szerepet játszó CDKN2A gén hasonló aktivitási mintázatot mutat a kutyák szöveteiben, mint az emberekében az ELTE kutatóinak legújabb vizsgálata szerint. Így a gén alkalmas lehet a biológiai életkor pontos becslésére, valamint egyes, öregedéssel kapcsolatos betegségek kialakulásának előrejelzésére a kutyák esetében is. Ez a világszinten egyedülálló hazai kutya-agybank első kutatási eredménye.
A betegségek és biológiai folyamatok kutatásához alapvetőek a szerv- és szövetmintákat gyűjtő biobankok. A humán, orvosi kutatásokat szolgáló bankoknak komoly irodalma és módszertana van, de állatoktól származó mintákat főként tenyésztési, gazdálkodási célból gyűjtenek. „Amikor 2016-ban öt éves pályázatot nyertünk a kutyák öregedésének kutatására, arra gondoltunk, hogy ennyi idő alatt óhatatlanul több, általunk megismert idős kutya élete véget ér majd természetes okokból. Ha a gazdák felajánlanák az elhunyt kutyájukat kutatási célokra, akkor a világon egyedülálló gyűjteményt hozhatunk létre, mert viselkedési és a kutyatartási adatokat is csatolhatunk a biológiai mintákhoz” – mondja Dr. Kubinyi Enikő, az ELTE Etológia tanszék tudományos főmunkatársa, a Szenior Családi Kutya Program vezetője. „Óriási szerencsénkre csatlakozott hozzánk Dr. Czeibert Kálmán állatorvos, aki páratlan tudással rendelkezik a kutyaagy-anatómiáról. Az ő segítségével 2017-ben fogadhattuk az első felajánlást. Nagyon hálásak vagyunk a gazdáknak, akik megkeresnek bennünket.”
A Kutya Agy és Szövetbank az egészségügyi okok miatt a gazdák által elaltatott és felajánlott családi kutyáktól gyűjt mintákat. Az alapítást elsősorban az Európai Kutatási Tanács (ERC) Starting Grantja fedezte, de a Nemzeti Agykutatási Program (NAP) is hozzájárult a mélyfagyasztó és más eszközök vásárlásához, az ELTE Biológiai Intézete pedig egy jól felszerelt laboratóriummal támogatta a bankot. „A kezdeményezés újszerűsége miatt a mintagyűjtési módszertan rengeteg fejlesztést igényelt” – teszi hozzá Czeibert doktor. „Sokat segített az indulásban, hogy meglátogathattuk Palkovits Miklós professzor Humán Agyszövet Bankját és beszélhettünk vele a tapasztalatairól.”
A bank jelenleg több mint 130 kutyaagyat, és többek között bőr-, és izomszövet-mintákat őriz. „A rövid, négy órán belüli posztmortem mintavételezés lehetővé teszi a génexpressziós vizsgálatokat, mivel a gyorsan bomló RNS-t is épségben meg tudjuk őrizni.” – mondja Dr. Sándor Sára, genetikus. Ő az első szerzője két friss publikációnak is, ami a bankhoz kötődik. Hamarosan a GeroScience folyóiratban jelenik meg a csoport összefoglaló tanulmánya a biobankokról és az új magyar bank módszertani eljárásairól. „Minket is meglepett, milyen szívesen fogadták a bírálók a cikkünket. Valószínűleg azért, mert kevés olyan állafaj ismert, amelynél természetes körülmények között kialakul az időskori demencia, de a kutya ezek közé tartozik. Négylábú társaink az öregedéskutatásban is a legjobb barátainkká válhatnak.”
A bankhoz köthető másik, genetikai témájú publikáció a napokban jelent meg a Frontiers in Veterinary Science-ben. Ebben egy ún. öregedési biomarkert vizsgáltak a kutatók az ELTE Genetika tanszékének munkatársaival közösen, a ciklin-dependens kináz inhibitor 2A – vagy röviden csak CDKN2A – gént. A CDKN2A fontos szerepet tölt be a rákos daganatok kialakulásának megakadályozásában, mivel a sérült vagy mutáns sejteket osztódásra képtelen, úgynevezett „szeneszcens” állapotba kényszeríti. Ez a sejtszintű gátló hatás kiemelt szerepet játszik a szövetek természetes öregedésében is. Különösen jelentős mértékben növekszik a CDKN2A aktivitása – amit génexpressziónak nevezünk – az idősödő agyszövetben, főleg ha valamilyen neurodegeneratív folyamat (például Alzheimer-kór) is kimutatható. „Mindezek miatt a CDKN2A ideális jelöltnek tűnt a kutyák és az emberek öregedését összehasonlító vizsgálatokhoz” – teszi hozzá Sándor Sára.
A kutatásban 26, többféle fajtájú kutya agyának homloklebenyét, vázizomszövetét és bőrét vizsgálták. Kiderült, hogy minél idősebb egy kutya, annál magasabb az agy- és izomszövetében a CDKN2A expresszió. A bőrben viszont nem találtak hasonló összefüggést. Mivel humán mintákban is a szövettípustól függ a korreláció mértéke, úgy tűnik, hogy hasonló szerepe lehet a CDKN2A-nak a két fajban. A gén idős korban megnövekedett szintje csökkentheti annak az esélyét, hogy a már elöregedett vagy károsodott sejtek rákos daganattá alakuljanak át. A CDKN2A és más hasonló gének nélkül valószínűleg még gyakoribb lenne az időskori rák.
A CDKN2A tehát ígéretes biomarker, jól jelzi az öregedési folyamat előrehaladottságát. De csak akkor lehet klinikai jelentősége, ha egyszerűen, például vérvétel segítségével is hozzá lehet férni. Ezért a következő lépésben élő, egészséges kutyák, hét fiatal és nyolc idős border collie vérmintáit vetették össze a kutatók. A korábbiakhoz hasonló összefüggést találtak: a CDKN2A szintje magasabb volt az idősebb kutyáknál. Az, hogy vegyes összetételű és fajtatiszta csoportokban is kapcsolat van bizonyos szövettípusok CDKN2A szintje és az életkor között, arra utal, hogy a kutyáknál az emberéhez hasonló sejtszintű öregedési folyamatok zajlanak az agyban és az izomzatban.
Az ELTE biobankja nyitott az együttműködésre, jelenleg is dolgoznak amerikai, cseh, svéd kutatókkal. Tervezik az Alzheimer-kórhoz hasonló neurodegeneráció és a háziasítással, tenyésztéssel kapcsolatos változások kutatását is.
Eredeti publikációk:
Sándor, S., Tátrai, K., Czeibert, K., Egyed, B., Kubinyi, E. (2021). CDKN2A gene expression as a potential aging biomarker in dogs. Frontiers in Veterinary Science, 8, 348. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fvets.2021.660435/full
Sándor, S., Czeibert, K., Salamon, A., Kubinyi, E. (2021): Man’s best friend in life and death: scientific perspectives and challenges of dog brain banking. Geroscience (nyomdában) https://www.springer.com/journal/11357
***
Man’s best friend in life and death: pet dog brain banking supports aging research
Two recent papers from Hungarian researchers highlight the so far underrated relevance of pet dog biobanking in molecular research and introduce their initiative to make pioneering steps in this field. The Hungarian Canine Brain and Tissue Bank (CBTB) was established by the research team of the Senior Family Dog Project in 2017, following the examples of human tissue banks. In a recent paper, the team reports findings, which would not have been possible without the CBTB, and may augment further progress in dog aging and biomarker research.
Even though dogs have a much shorter average lifespan than humans, the aging path of the two species has remarkable similarities. Hence our best friends have attracted the attention of aging researchers. Most importantly, dogs tend to develop similar age-related diseases as humans do, including dementia, which is not typical for most other animal species. However, not every human or dog is affected by age-related ailments to the same extent. The ability to foresee the individual tendencies and provide interventions, which can shift aging to a healthier track, is the holy grail of aging research. The fact that dogs mirror human aging in many aspects makes them highly promising preclinical models to test interventions and understand the factors that determine aging. These goals, however, require a deeper insight into the microscopic levels of canine aging as well.
As stated in the recent review paper from the Senior Family Dog Project at the Department of Ethology, Eötvös Loránd University, dog biobanks would represent a valuable source of tissues and other biological materials, which could not be gathered for scientific purposes in any other way. “Medical research often relies on laboratory dogs, but keeping them to study natural aging would be time-consuming, expensive and ethically debatable.” – told Dr. Sára Sándor, geneticist, first author of the review published in the journal GeroScience.
Dog biobanks, which collect and store samples from pet dogs, which lived with their owners until being euthanized for medical reasons or old age, may provide valuable support to dog research without the need to include more laboratory animals. “Pet dogs represent various breeds and live together with their owners. Therefore, we can grasp the effects of lifestyle and environmental stressors on aging and dementia in dogs like in no other model animal.” - told Dr. Enikő Kubinyi, the principal investigator of the research group. “When we started to study the aging of hundreds of old dogs due to a European Research Council Starting Grant, we realized that during the project, many of these dogs would, sadly, pass away due to natural causes. We could ask the owners whether they would further support research by offering the body of their deceased dogs, we thought. Linking behavior, pet-keeping conditions, and molecular data would result in a unique biobank. We were relieved and very grateful that many owners said yes. Luckily, we met a committed and highly knowledgeable veterinary anatomist, Dr. Kálmán Czeibert, who helped us to establish the Canine Brain and Tissue Bank”.
Creating and managing a pet dog biobank holds several challenges, which have to be addressed appropriately, – as discussed in the review paper. Some of these issues, like protocol optimization and communicating the goals in the public media, are shared by human biobanks, which, in contrast to dog biobanks, have a vast literature of protocol development and experiences.
“The bank currently keeps 130 dog brains and other tissues. Besides continuously upgrading our protocols, we conduct our own studies and are open to sharing the samples with research groups from all over the world.” – adds Dr. Czeibert.
The CBTB research team first delved into actual molecular research by measuring the amount of protein-coding RNA molecules – termed gene expression – in canine tissues collected by the CBTB. RNA molecules are very sensitive and may degrade soon after the animal’s death, making an especial relevance for the CBTB, where tissues can be stabilized only a few hours following the euthanasia of animals. The specific target of this study, published in Frontiers in Veterinary Science, was the cyclin-dependent kinase inhibitor 2A or, shortly, CDKN2A gene. This gene has been proposed as a powerful aging biomarker in humans because it shows an increased expression – a higher number of RNA molecules – in several human tissues with age. This correlation is exceptionally high in the brain tissue of older people affected by dementia. Finding such biomarkers, which can signal the onset of some age-related diseases before actual symptoms take place, is crucial for clinical applications in both dogs and humans.
The researchers examined brain, skeletal muscle, and skin tissue from the donated dogs Following human studies. The team found that older dogs’, on average, had more CKDN2A mRNA in their brains and muscles than younger dogs, indicating a positive correlation between CDKN2A expression and age – however, they have not found a similar correlation in the skin. These results, even the inconsistency between tissues, matched previous human findings. The scientists were also curious about how CDKN2A behaved in blood obtained from live animals, as this question would have direct implications for clinical applications. As a first step, they tested 15 border collies and found a moderate, positive correlation with age. “This less pronounced correlation means that further research will be required to validate whether CDKN2A could suffice as a blood-borne biomarker for clinical application in dogs.” – added Dr. Sándor. “However, the robust correlation in the brain shows apparent promises for comparative dementia research because it suggests that similar cellular senescence mechanisms contribute to brain aging in dogs and humans.”
Hence, it seems that our canine companions will become our best friends in aging research as well.
Review article: Sándor, S., Czeibert, K., Salamon, A., & Kubinyi, E. (2021). Man’s Best Friend in Life and Death: Scientific Perspectives and Challenges of Dog Brain Banking. GeroScience, May 10, 2021. https://doi.org/10.1007/s11357-021-00373-7. https://link.springer.com/article/10.1007/s11357-021-00373-7
Research article: Sándor, S., Tátrai, K., Czeibert, K., Egyed, B., & Kubinyi, E. (2021). CDKN2A gene expression as a potential aging biomarker in dogs. Frontiers in Veterinary Science, 8, 348. https://doi.org/10.3389/fvets.2021.660435, https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fvets.2021.660435/abstract
