Summary Epigenetics has hitherto been studied and understood largely at the level of individual organisms. Here, we report a multi-faceted investigation of DNA methylation across 11,117 samples from 176 different species. We performed an unbiased clustering of individual cytosines into 55 modules and identified 31 modules related to primary traits including age, species lifespan, sex, adult species weight, tissue type and phylogenetic order. Analysis of the correlation between DNA methylation and species allowed us to construct phyloepigenetic trees for different tissues that parallel the phylogenetic tree. In addition, while some stable cytosines reflect phylogenetic signatures, others relate to age and lifespan, and in many cases responding to anti-aging interventions in mice such as caloric restriction and ablation of growth hormone receptors. Insights uncovered by this investigation have important implications for our understanding of the role of epigenetics in mammalian evolution, aging and lifespan.

Maximum lifespan of a species is the oldest that individuals can survive, reflecting the genetic limit of longevity in an ideal environment. Here we report methylation-based models that accurately predict maximum lifespan (r=0.89), gestational time (r=0.96), and age at sexual maturity (r=0.87), using cytosine methylation patterns collected from over 12,000 samples derived from 192 mammalian species. Our epigenetic maximum lifespan predictor corroborated the extended lifespan in growth hormone receptor knockout mice and rapamycin treated mice. Across dog breeds, epigenetic maximum lifespan correlates positively with breed lifespan but negatively with breed size. Lifespan-related cytosines are located in transcriptional regulatory regions, such as bivalent chromatin promoters and polycomb-repressed regions, which were hypomethylated in long-lived species. The epigenetic estimators of maximum lifespan and other life history traits will be useful for characterizing understudied species and for identifying interventions that extend lifespan.

ABSTRACT Methylation levels at specific CpG positions in the genome have been used to develop accurate estimators of chronological age in humans, mice, and other species. Although epigenetic clocks are generally species-specific, the principles underpinning them appear to be conserved at least across the mammalian class. This is exemplified by the successful development of epigenetic clocks for mice and several other mammalian species. Here, we describe epigenetic clocks for the rhesus macaque ( Macaca mulatta ), the most widely used nonhuman primate in biological research. Using a custom methylation array (HorvathMammalMethylChip40), we profiled n=281 tissue samples (blood, skin, adipose, kidney, liver, lung, muscle, and cerebral cortex). From these data, we generated five epigenetic clocks for macaques. These clocks differ with regards to applicability to different tissue types (pan-tissue, blood, skin), species (macaque only or both humans and macaques), and measure of age (chronological age versus relative age). Additionally, the age-based human-macaque clock exhibits a high age correlation (R=0.89) with the vervet monkey ( Chlorocebus sabaeus ), another Old World species. Four CpGs within the KLF14 promoter were consistently altered with age in four tissues (adipose, blood, cerebral cortex, skin). It is expected that the macaque clocks will reveal an epigenetic aging rate associated with a host of health conditions and thus lend themselves for identifying and validating anti-aging interventions.

ABSTRACT DNA methylation-based biomarkers of aging have been developed for many mammals but not yet for the vervet monkey ( Chlorocebus sabaeus ), which is a valuable non-human primate model for biomedical studies. We generated novel DNA methylation data from vervet cerebral cortex, blood, and liver using highly conserved mammalian CpGs represented on a custom array (HorvathMammalMethylChip40). We present six DNA methylation-based estimators of age: vervet multi-tissue epigenetic clock and tissue-specific clocks for brain cortex, blood, and liver. In addition, two dual species clocks (human-vervet clocks) for measuring chronological age and relative age, respectively. Relative age was defined as ratio of chronological age to maximum lifespan to address the species differences in maximum lifespan. The high accuracy of the human-vervet clocks demonstrates that epigenetic aging processes are evolutionary conserved in primates. When applying these vervet clocks to tissue samples from another primate species, rhesus macaque, we observed high age correlations but strong offsets. We characterized CpGs that correlate significantly with age in the vervet. CpG probes hypermethylated with age across tissues were located near the targets of Polycomb proteins SUZ12 and EED, and genes possessing the trimethylated H3K27 mark in their promoters. The epigenetic clocks are expected to be useful for age estimation of wild-born animals and anti-aging studies in vervets.

ABSTRACT Human DNA methylation profiles have been used successfully to develop highly accurate biomarkers of aging (“epigenetic clocks”). Here, we describe epigenetic clocks for horses, based on methylation profiles of CpGs with flanking DNA sequences that are highly conserved between multiple mammalian species. Methylation levels of these CpGs were measured using a custom-designed Infinium array (HorvathMammalMethylChip40). We generated 336 DNA methylation profiles from 42 different horse tissues and body parts, which we used to develop five epigenetic clocks for horses: a multi-tissue clock, a blood clock, a liver clock and two dual-species clocks that apply to both horses and humans. Epigenetic age measured by these clocks show that while castration affects the basal methylation levels of individual cytosines, it does not exert a significant impact on the epigenetic aging rate of the horse. We observed that most age-related CpGs are adjacent to developmental genes. Consistently, these CpGs reside in bivalent chromatin domains and polycomb repressive targets, which are elements that control expression of developmental genes. The availability of an RNA expression atlas of these tissues allowed us to correlate CpG methylation, their corresponding contextual chromatin features and gene expression. This analysis revealed that while increased methylation of CpGs in enhancers is likely to repress gene expression, methylation of CpGs in bivalent chromatin domains on the other hand is likely to stimulate expression of the corresponding downstream loci, which are often developmental genes. This supports the notion that aging may be accompanied by increased expression of developmental genes. It is expected that the epigenetic clocks will be useful for identifying and validating anti-aging interventions for horses.

ABSTRACT The quality of romantic relationships can be predictive of health consequences related to aging. DNA methylation-based biomarkers of aging have been developed for humans and many other mammals and could be used to assess how pair bonding impacts aging. Prairie voles ( Microtus ochrogaster ) have emerged as a model to study social attachment among adult pairs. Here we describe DNA methylation-based estimators of age for prairie voles based on novel DNA methylation data generated on highly conserved mammalian CpGs measured with a custom array. The multi-tissue epigenetic clock for voles was trained on 3 tissue sources (ear, liver, and samples of brain tissue from within the pair bonding circuit). A novel dual species human-vole clock accurately measured relative age defined as the ratio of chronological age to maximum age. According to the human-vole clock of relative age, sexually inexperienced voles exhibit accelerated epigenetic aging in brain tissue ( p = 0.02) when compared to pair bonded animals of the same chronological age. Epigenome wide association studies identified CpGs in four genes that were strongly associated with pair bonding across the three tissue types (brain, ear, and liver): Hnrnph1, Fancl, Fam13b , and Fzd1 . Further, four CpGs (near the Bmp4 exon, Eif4g2 3 prime UTR, Robo1 exon, and Nfat5 intron) exhibited a convergent methylation change between pair bonding and aging. This study describes highly accurate DNA methylation-based estimators of age in prairie voles and provides evidence that pair bonding status modulates the methylome.

ABSTRACT Naked mole-rats (NMRs) live an exceptionally long life, appear not to exhibit age-related decline in physiological capacity, and are seemingly resistant to age-related diseases. However, it has been unknown whether NMRs also evade aging according to a primary hallmark of aging: epigenetic changes. To address this question, we generated DNA methylation profiles from 329 tissues from animals of known age, at loci that are highly conserved between mammalian species, using a custom Infinium array (HorvathMammalMethylChip40). We observed strong aging effects on NMR DNA methylation, from which we developed seven highly accurate age estimators (epigenetic clocks) for several tissues (pan-tissue, blood, kidney clock, liver clock, skin clock) and two dual species (human-NMR) clocks. By identifying age-related cytosine methylation that are shared between NMR and humans, but not with the mouse, we identified genes and cellular pathways that impinge on developmental and metabolic processes that are potentially involved in NMR and human longevity. The NMR epigenetic clocks revealed that breeding NMR queens age more slowly than non-breeders, a feature that is also observed in some eusocial insects. CpGs associated with queen status were located near developmental genes and those that are regulated by the LHX3 transcription factor that controls pituitary development. In summary, our study demonstrates that despite a phenotype of reduced senescence, the NMR ages epigenetically through developmental and metabolic processes, and that NMR queens age more slowly than non-breeders.

Abstract DNA-methylation profiles have been used successfully to develop highly accurate biomarkers of age, epigenetic clocks, for many species. Using a custom methylation array, we generated DNA methylation data from n=238 porcine tissues including blood, bladder, frontal cortex, kidney, liver and lung, from domestic pigs ( Sus scrofa domesticus ) and minipigs (Wisconsin Miniature Swine™). We present 4 epigenetic clocks for pigs that are distinguished by their compatibility with tissue type (pan-tissue and blood clock) and species (pig and human). Two dual-species human-pig pan-tissue clocks accurately measure chronological age and relative age, respectively. We also characterized CpGs that differ between minipigs and domestic pigs. Strikingly, several genes implicated by our epigenetic studies of minipig status overlap with genes ( ADCY3, TFAP2B, SKOR1 , and GPR61 ) implicated by genetic studies of body mass index in humans. In addition, CpGs with different levels of methylation between the two pig breeds were identified proximal to genes involved in blood LDL levels and cholesterol synthesis, of particular interest given the minipig’s increased susceptibility to cardiovascular disease compared to domestic pigs. Thus, inbred differences of domestic and minipigs may potentially help to identify biological mechanisms underlying weight gain and aging-associated diseases. Our porcine clocks are expected to be useful for elucidating the role of epigenetics in aging and obesity, and the testing of anti-aging interventions.

Abstract Species that hibernate live longer than would be expected based solely on their body size. Hibernation is characterized by long periods of metabolic suppression (torpor) interspersed by short periods of increased metabolism (arousal). The torpor-arousal cycles occur multiple times during hibernation, and it has been suggested that processes controlling the transition between torpor and arousal states cause aging suppression. Metabolic rate is also a known correlate of longevity, we thus proposed the ‘hibernation-aging hypothesis’ whereby aging is suspended during hibernation. We tested this hypothesis in a well-studied population of yellow-bellied marmots ( Marmota flaviventer ), which spend 7-8 months per year hibernating. We used two approaches to estimate epigenetic age: the epigenetic clock and the epigenetic pacemaker. Variation in epigenetic age of 149 samples collected throughout the life of 73 females were modeled using generalized additive mixed models (GAMM), where season (cyclic cubic spline) and chronological age (cubic spline) were fixed effects. As expected, the GAMM using epigenetic ages calculated from the epigenetic pacemaker was better able to detect nonlinear patterns in epigenetic age change over time. We observed a logarithmic curve of epigenetic age with time, where the epigenetic age increased at a higher rate until females reached sexual maturity (2-years old). With respect to circannual patterns, the epigenetic age increased during the summer and essentially stalled during the winter. Our enrichment analysis of age-related CpG sites revealed pathways related to development and cell differentiation, while the season-related CpGs enriched pathways related to central carbon metabolism, immune system, and circadian clock. Taken together, our results are consistent with the hibernation-aging hypothesis and may explain the enhanced longevity in hibernators.

Abstract Exceptionally long-lived species, including many bats, rarely show overt signs of aging, making it difficult to determine why species differ in lifespan. Here, we use DNA methylation (DNAm) profiles from 712 known-age bats, representing 26 species, to identify epigenetic changes associated with age and longevity. We demonstrate that DNAm accurately predicts chronological age. Across species, longevity is negatively associated with the rate of DNAm change at age-associated sites. Furthermore, analysis of several bat genomes reveals that hypermethylated age- and longevity-associated sites are disproportionately located in promoter regions of key transcription factors (TF) and enriched for histone and chromatin features associated with transcriptional regulation. Predicted TF binding site motifs and enrichment analyses indicate that age-related methylation change is influenced by developmental processes, while longevity-related DNAm change is associated with innate immunity or tumorigenesis genes, suggesting that bat longevity results from augmented immune response and cancer suppression.