DNA is strictly compartmentalized within the nucleus to prevent autoimmunity; despite this, cyclic GMP-AMP synthase (cGAS), a cytosolic sensor of double-stranded DNA, is activated in autoinflammatory disorders and by DNA damage. Precisely how cellular DNA gains access to the cytoplasm remains to be determined. Here, we report that cGAS localizes to micronuclei arising from genome instability in a mouse model of monogenic autoinflammation, after exogenous DNA damage and spontaneously in human cancer cells. Such micronuclei occur after mis-segregation of DNA during cell division and consist of chromatin surrounded by its own nuclear membrane. Breakdown of the micronuclear envelope, a process associated with chromothripsis, leads to rapid accumulation of cGAS, providing a mechanism by which self-DNA becomes exposed to the cytosol. cGAS is activated by chromatin, and consistent with a mitotic origin, micronuclei formation and the proinflammatory response following DNA damage are cell-cycle dependent. By combining live-cell laser microdissection with single cell transcriptomics, we establish that interferon-stimulated gene expression is induced in micronucleated cells. We therefore conclude that micronuclei represent an important source of immunostimulatory DNA. As micronuclei formed from lagging chromosomes also activate this pathway, recognition of micronuclei by cGAS may act as a cell-intrinsic immune surveillance mechanism that detects a range of neoplasia-inducing processes.

Abstract The kidney has a limited capacity to repair following injury, however, the endogenous reparative pathways are not well understood. Here we employ integrated droplet- and plate-based scRNA-seq in the murine reversible unilateral ureteric obstruction model to dissect the transcriptomic landscape at the single cell level during renal injury and resolution of fibrosis. We generate a comprehensive catalogue of the changes induced during injury and repair, revealing significant myeloid cell heterogeneity, which would not have been identifiable by conventional flow cytometry. We identify new markers for the myeloid populations within the kidney as well as identification of novel subsets including an Arg1 + monocyte population specific to early injury and a Mmp12 + macrophage subset exclusive to repair. Finally, using paired blood exchange to track circulating immune cells, we confirm that monocytes are recruited to the kidney early after injury and are the source of Ccr2 + macrophages that accumulate in late injury. Our data demonstrate the utility of complementary technologies to identify novel myeloid subtypes that may represent therapeutic targets to inhibit progression or promote regression of kidney disease.

DNA methylation (DNAm) is one of the most reliable biomarkers of aging across mammalian tissues. While the age-dependent global loss of DNAm has been well characterized, DNAm gain is less characterized. Studies have demonstrated that CpGs which gain methylation with age are enriched in Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) targets. However, whole-genome examination of all PRC2 targets as well as determination of the pan-tissue or tissue-specific nature of these associations is lacking. Here, we show that low-methylated regions (LMRs) which are highly bound by PRC2 in embryonic stem cells (PRC2 LMRs) gain methylation with age in all examined somatic mitotic cells. We estimated that this epigenetic change represents around 90% of the age-dependent DNAm gain genome-wide. Therefore, we propose the "PRC2-AgeIndex," defined as the average DNAm in PRC2 LMRs, as a universal biomarker of cellular aging in somatic cells which can distinguish the effect of different anti-aging interventions.

Summary Melanocytes, our pigment producing cells, are replenished from multiple stem cell niches in adult tissues. Although pigmentation traits are known risk-factors for melanoma, we know little about melanocyte stem cell (McSC) populations other than hair follicle McSCs, and lack key lineage markers with which to identify McSCs and study their function. Here, we discover that Tfap2b, and a select set of its target genes, specifies an McSC population at the dorsal root ganglia in zebrafish. Functionally, Tfap2b is required for only a few late-stage embryonic melanocytes, and instead is essential for McSC-dependent melanocyte regeneration. Fate- mapping data reveal that tfap2b -expressing McSCs have multi-fate potential, and are the cell-of- origin for large patches of adult melanocytes, and two other pigment cell types, iridophores and xanthophores. Hence, Tfap2b confers McSC identity in early development, thereby distinguishing McSCs from other neural crest and pigment cell lineages, and retains multi-fate potential in the adult zebrafish. Highlights Tfap2b and its target genes specify McSCs with mixed pigment cell identities Functional dependence on Tfap2b for melanocyte regeneration from the McSC tfap2b specifies ErbB-dependent McSCs at the stem cell niche Fate mapping reveals Tfap2b-McSCs have multi-fate potential for adult pigment cells

Induced pluripotent stem cells (IPSCs), with their unlimited regenerative capacity, carry the promise for tissue replacement to counter age-related decline. However, attempts to realise in vivo iPSC have invariably resulted in the formation of teratomas. Partial reprogramming in prematurely aged mice has shown promising results in alleviating age-related symptoms without teratoma formation. Does partial reprogramming lead to rejuvenation (i.e. "younger" cells), rather than dedifferentiation, which bears the risk of cancer? Here we analyse cellular age during iPSC reprogramming and find that partial reprogramming leads to a reduction in the biological age of cells. We also find that the loss of somatic gene expression and epigenetic age follow different kinetics, suggesting that rejuvenation can be achieved with a minimised risk of cancer.

Embryonic stem cells (ESCs) express heterogeneous levels of pluripotency and developmental transcription factors (TFs) and their cell cycle is unsynchronised when grown in the presence of serum. Here, we asked whether the cell cycle and developmental heterogeneities of ESCs are coordinated by determining the state identities of G1- and G2M-enriched mouse ESCs (mESCs) at single cell resolution. We found that G2M cells were not all the same and demonstrate their split into the naive and formative (intermediate) pluripotency states marked by high or low Esrrb expression, respectively. The naive G2M sub-state resembles ground state pluripotency of the LIF/2i cultured mESCs. The naive and formative G2M sub-states exist in the pre- and post-implantation stages of the mouse embryo, respectively, verifying developmental distinction. Moreover, the G2M sub-states partially match between the mouse and human ESCs, suggesting higher similarity of transcriptional control between these species in G2M. Our findings propose a model whereby G2M separates mESCs into naive and formative pluripotency states. This concept of G2M-diverted pluripotency states provides new framework for understanding the mechanisms of pluripotency maintenance and lineage specification in vitro and in vivo, and the development of more efficient and clinically relevant reprogramming strategies.

Abstract The emergence of epigenetic predictors was a pivotal moment in geroscience, propelling the measurement and concept of biological ageing into a quantitative era. However, while current epigenetic clocks have shown strong predictive power, they do not reflect the underlying biological mechanisms driving methylation changes with age. Consequently, biological interpretation of their estimates is limited. Furthermore, our findings suggest that clocks trained on chronological age are confounded by non-age-related phenomena. To address these limitations, we developed a probabilistic model that describes methylation transitions at the cellular level. Our approach reveals two measurable components, acceleration and bias, that directly relate to perturbations of the underlying cellular dynamics. Acceleration is the proportional increase in the speed of methylation transitions across CpG sites, whereas bias is the degree of global change in methylation affecting all CpG sites uniformly. Using data from 7,028 participants from the Generation Scotland study, we found the age acceleration parameter to be associated with physiological traits known to impact healthy ageing. Furthermore, a genome-wide association study of age acceleration identified four genomic loci previously linked with ageing.

The emergence of epigenetic predictors was a pivotal moment in geroscience, propelling the measurement and concept of biological aging into a quantitative era; however, while current epigenetic clocks show strong predictive power, they are data-driven in nature and are not based on the underlying biological mechanisms driving methylation dynamics. We show that predictions of these clocks are susceptible to several confounding non-age-related phenomena that make interpretation of these estimates and associations difficult. To address these limitations, we developed a probabilistic model describing methylation transitions at the cellular level. Our approach reveals two measurable components, acceleration and bias, which directly reflect perturbations of the underlying cellular dynamics. Acceleration is the proportional increase in the speed of methylation transitions across CpG sites, whereas bias corresponds to global changes in methylation levels. Using data from 15,900 participants from the Generation Scotland study, we develop a robust inference framework and show that these are two distinct processes confounding current epigenetic predictors. Our results show improved associations of acceleration and bias with physiological traits known to impact healthy aging, such as smoking and alcohol consumption, respectively. Furthermore, a genome-wide association study of epigenetic age acceleration identified seven genomic loci.

Abstract Recent studies suggest that epigenetic rejuvenation can be achieved using drugs that mimic calorie restriction and techniques such as reprogramming induced rejuvenation. To effectively test rejuvenation in vivo , mouse models are the safest alternative. However, we have found that the recent epigenetic clocks developed for mouse reduced-representation bisulphite sequencing (RRBS) data have significantly poor performance when applied to external datasets. We show that the sites captured and the coverage of key CpGs required for age prediction vary greatly between datasets, which likely contributes to the lack of transferability in RRBS clocks. To mitigate these coverage issues in RRBS-based age prediction, we present two novel design strategies that use average methylation over large regions rather than individual CpGs, whereby regions are defined by sliding windows (e.g. 5 kb), or density-based clustering of CpGs. We observe improved correlation and error in our regional blood clocks (RegBCs) compared to published individual-CpG-based techniques when applied to external datasets. The RegBCs are also more robust when applied to low coverage data and detect a negative age acceleration in mice undergoing calorie restriction. Our RegBCs offer a proof of principle that age prediction of RRBS datasets can be improved by accounting for multiple CpGs over a region, which negates the lack of read depth currently hindering individual-CpG-based approaches.