Hair greying is a hallmark of aging generally believed to be irreversible and linked to psychological stress.Here, we develop an approach to profile hair pigmentation patterns (HPPs) along individual human hair shafts, producing quantifiable physical timescales of rapid greying transitions.Using this method, we show white/grey hairs that naturally regain pigmentation across sex, ethnicities, ages, and body regions, thereby quantitatively defining the reversibility of greying in humans. Molecularly, grey hairs upregulate proteins related to energy metabolism, mitochondria, and antioxidant defenses. Combining HPP profiling and proteomics on single hairs, we also report hair greying and reversal that can occur in parallel with psychological stressors. To generalize these observations, we develop a computational simulation, which suggests a threshold-based mechanism for the temporary reversibility of greying.Overall, this new method to quantitatively map recent life history in HPPs provides an opportunity to longitudinally examine the influence of recent life exposures on human biology.This work was supported by the Wharton Fund and NIH grants GM119793, MH119336, and AG066828 (MP).Hair greying is a visible sign of aging that affects everyone. The loss of hair color is due to the loss of melanin, a pigment found in the skin, eyes and hair. Research in mice suggests stress may accelerate hair greying, but there is no definitive research on this in humans. This is because there are no research tools to precisely map stress and hair color over time. But, just like tree rings hold information about past decades, and rocks hold information about past centuries, hairs hold information about past months and years. Hair growth is an active process that happens under the skin inside hair follicles. It demands lots of energy, supplied by structures inside cells called mitochondria. While hairs are growing, cells receive chemical and electrical signals from inside the body, including stress hormones. It is possible that these exposures change proteins and other molecules laid down in the growing hair shaft. As the hair grows out of the scalp, it hardens, preserving these molecules into a stable form. This preservation is visible as patterns of pigmentation. Examining single-hairs and matching the patterns to life events could allow researchers to look back in time through a person’s biological history. Rosenberg et al. report a new way to digitize and measure small changes in color along single human hairs. This method revealed that some white hairs naturally regain their color, something that had not been reported in a cohort of healthy individuals before. Aligning the hair pigmentation patterns with recent reports of stress in the hair donors’ lives showed striking associations. When one donor reported an increase in stress, a hair lost its pigment. When the donor reported a reduction in stress, the same hair regained its pigment. Rosenberg et al. mapped hundreds of proteins inside the hairs to show that white hairs contained more proteins linked to mitochondria and energy use. This suggests that metabolism and mitochondria may play a role in hair greying. To explore these observations in more detail Rosenberg et al. developed a mathematical model that simulates the greying of a whole head of hair over a lifetime, an experiment impossible to do with living people. The model suggested that there might be a threshold for temporary greying; if hairs are about to go grey anyway, a stressful event might trigger that change earlier. And when the stressful event ends, if a hair is just above the threshold, then it could revert back to dark. The new method for measuring small changes in hair coloring opens up the possibility of using hair pigmentation patterns like tree rings. This could track the influence of past life events on human biology. In the future, monitoring hair pigmentation patterns could provide a way to trace the effectiveness of treatments aimed at reducing stress or slowing the aging process. Understanding how ‘old’ white hairs regain their ‘young’ pigmented state could also reveal new information about the malleability of human aging more generally.

Abstract Using a high-throughput mitochondrial phenotyping platform to quantify multiple mitochondrial features among molecularly-defined immune cell subtypes, we quantify the natural variation in citrate synthase, mitochondrial DNA copy number (mtDNAcn), and respiratory chain enzymatic activities in human neutrophils, monocytes, B cells, and naïve and memory T lymphocyte subtypes. In mixed peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from the same individuals, we show to what extent mitochondrial measures are confounded by both cell type distributions and contaminating platelets. Cell subtype-specific measures among women and men spanning 4 decades of life indicate potential age- and sex-related differences, including an age-related elevation in mtDNAcn, which are masked or blunted in mixed PBMCs. Finally, a proof-of-concept, repeated-measures study in a single individual validates cell type differences and also reveals week-to-week changes in mitochondrial activities. Larger studies are required to validate and mechanistically extend these findings. These mitochondrial phenotyping data build upon established immunometabolic differences among leukocyte sub-populations, and provide foundational quantitative knowledge to develop interpretable blood-based assays of mitochondrial health.

Abstract Patients with primary mitochondrial diseases present with fatigue and multi-system disease, are often lean, and die prematurely, but the mechanistic basis for this clinical picture remains unclear. Integrating data from 17 cohorts of patients with mitochondrial diseases (n=690), we find that clinical mitochondrial disorders increase resting energy expenditure, a state termed hypermetabolism . In a longitudinal cellular model of primary patient-derived fibroblasts from multiple donors, we show that genetic and pharmacological disruptions of oxidative phosphorylation (OxPhos) similarly trigger increased energy consumption in a cell-autonomous manner, despite near-normal OxPhos coupling efficiency. Hypermetabolism is associated with mtDNA instability, activation of the integrated stress response, increased extracellular secretion of age-related cytokines and metabokines including GDF15, as well as an accelerated rate of telomere erosion and epigenetic aging, and a reduced Hayflick limit. Together with these dynamic measures, we have generated a longitudinal RNASeq and DNA methylation resource dataset, which reveals conserved, energetically demanding, genome-wide recalibrations in response to OxPhos dysfunction. The increased energetic cost of living, or hypermetabolism, in cells and organisms with OxPhos defects has important biological and clinical implications.

Abstract Stress triggers anticipatory physiological responses that promote survival, a phenomenon termed allostasis. However, the chronic activation of energy-dependent allostatic responses results in allostatic load, a dysregulated state that predicts functional decline, accelerates aging, and increases mortality in humans. The energetic cost and cellular basis for the damaging effects of allostatic load have not been defined. Here, by longitudinally profiling three unrelated primary human fibroblast lines across their lifespan, we find that chronic glucocorticoid exposure increases cellular energy expenditure by ∼60%, along with a metabolic shift from glycolysis to mitochondrial oxidative phosphorylation (OxPhos). This state of stress-induced hypermetabolism is linked to mtDNA instability, non-linearly affects age-related cytokines secretion, and accelerates cellular aging based on DNA methylation clocks, telomere shortening rate, and reduced lifespan. Pharmacologically normalizing OxPhos activity while further increasing energy expenditure exacerbates the accelerated aging phenotype, pointing to total energy expenditure as a potential driver of aging dynamics. Together, our findings define bioenergetic and multi-omic recalibrations of stress adaptation, underscoring increased energy expenditure and accelerated cellular aging as interrelated features of cellular allostatic load.

Abstract Aging is a process of progressive change. In order to develop biological models of aging, longitudinal datasets with high temporal resolution are needed. Here we report a multi-omic longitudinal dataset for cultured primary human fibroblasts measured across their replicative lifespans. Fibroblasts were sourced from both healthy donors (n=6) and individuals with lifespan-shortening mitochondrial disease (n=3). The dataset includes cytological, bioenergetic, DNA methylation, gene expression, secreted proteins, mitochondrial DNA copy number and mutations, cell-free DNA, telomere length, and whole-genome sequencing data. This dataset enables the bridging of mechanistic processes of aging as outlined by the “hallmarks of aging”, with the descriptive characterization of aging such as epigenetic age clocks. Here we focus on bridging the gap for the hallmark mitochondrial metabolism. Our dataset includes measurement of healthy cells, and cells subjected to over a dozen experimental manipulations targeting oxidative phosphorylation (OxPhos), glycolysis, and glucocorticoid signaling, among others. These experiments provide opportunities to test how cellular energetics affect the biology of cellular aging. All data are publicly available at our webtool: https://columbia-picard.shinyapps.io/shinyapp-Lifespan_Study/

ABSTRACT To understand how organisms age, we need reliable multimodal molecular data collected at high temporal resolution, in specific cell types, across the lifespan. We also need interpretative theory that connects aging with basic mechanisms and physiological tradeoffs. Here we leverage a simple cellular replicative aging system combined with mathematical theory to address organismal aging. We used cultured primary human fibroblasts from multiple donors to molecularly and energetically profile entire effective lifespans of up to nine months. We generated high-density trajectories of division rates, telomere shortening, DNA methylation, RNAseq, secreted proteins/cytokines and cell-free DNA, in parallel with bioenergetic trajectories of ATP synthesis rates derived from both mitochondrial oxidative phosphorylation and glycolysis, reflecting total cellular mass-specific metabolic rate (MR). By comparing our cell culture data to data from cells in the body we uncover three fundamental speedups, or rescalings, of MR and molecular aging markers. To explain these rescalings we deploy the allometric theory of metabolism which predicts that the rate of biological aging is related to an organism’s size, MR, and the partitioning of energetic resources between growth and maintenance processes. Extending this theory we report three main findings: 1) human cells isolated from the body with faster rates of growth allocate a substantially smaller fraction of their energy budget to maintenance, and correspondingly age 50-300x faster based on multiple molecular markers. 2) Over the course of the cellular lifespan, primary human fibroblasts acquire a >100-fold hypermetabolic phenotype characterized by increased maintenance costs, and associated with increased mtDNA genome density, upregulation of senescence-associated extracellular secretion, and induction of maintenance-related transcriptional programs. 3) Finally, manipulating MR with mitochondria-targeted metabolic, genetic, and pharmacological perturbations predictably altered the molecular rate of aging, providing experimental evidence for the interplay of MR and aging in a human system. These data highlight the key role that the partitioning of energetic resources between growth and maintenance/repair processes plays in cellular aging, and converge with predictions of cross-species metabolic theory indicating that energy metabolism governs how human cells age. Significance Statement How cells age is of fundamental importance to understanding the diversity of mammalian lifespans and the wide variation in human aging trajectories. By aging primary human fibroblasts over several months in parallel with multi-omics and energetic profiling, we find that as human cells age and progressively divide more slowly, surprisingly, they progressively consume energy faster . By manipulating cellular metabolic rates, we confirm that the higher the cellular metabolic rate, the faster cells experience telomere shortening and epigenetic aging – a speedup phenotype consistent with allometric scaling theory. By modeling robust energetic and molecular aging trajectories across donors and experimental conditions, we find that independent of cell division rates, molecular aging trajectories are predicted by the partitioning of the energy budget between growth and maintenance processes. These results integrate molecular and energetic drivers of aging and therefore have important long-term implications to understand biological aging phenomena ranging from cellular senescence to human longevity.

Summary The brain’s ability to process complex informations relies on the constant supply of energy through aerobic respiration by mitochondria. Neurons contain three anatomically distinct compartments – the soma, dendrites, and projecting axons – which have different energetic and biochemical requirements, as well as different mitochondrial morphologies in cultured systems. Here we apply a quantitative three-dimensional electron microscopy approach to map mitochondrial network morphology and complexity in the mouse brain. We examine three neuronal sub-compartments – the soma, dendrites, myelinated axons – in the dentate gyrus and CA1 of the mouse hippocampus, two subregions with distinct principal cell types and functions. We also establish compartment-specific differences in mitochondrial morphology across these cell types between young and old mice, highlighting differences in age-related morphological recalibrations. Overall, these data define the nature of the neuronal mitochondrial network in the mouse hippocampus, providing a foundation to examine the role of mitochondrial morpho-function in the aging brain.

Abstract Background The formation of hyperphosphorylated tau (p-tau) protein tangles in neurons is a pathological marker of Alzheimer’s disease (AD). Exposure to the pesticide dichlorodiphenyltrichloroethane (DDT) has been associated with increased risk of AD. Objectives To determine if there was a connection between DDT exposure and tau toxicity we investigated whether exposure to DDT can exacerbate tau protein toxicity in C. elegans. In addition, we examined the association between p-tau protein and metabolism in a human population study and in a transgenic C. elegans strain neuronally expressing a mutant tau protein fragment that is prone to aggregation. Methods In the human population study, we used a metabolome-wide association framework to determine the association between p-tau measured in the cerebrospinal fluid (CSF) and metabolomic features measured in both plasma (n = 142) and CSF (n = 78) using high-resolution metabolomics (HRM). Using the same HRM method, we determined changes in metabolomic features in the transgenic C. elegans strain compared to its control strain. Metabolites associated with p-tau in both species were analyzed for overlap. We also examined the effect of DDT and aggregating tau protein on growth, swim behavior, mitochondrial function, metabolism, learning, and lifespan in C. elegans . Results Plasma and CSF-derived features associated with p-tau level were related to drug, amino acid, fatty acid and mitochondrial metabolism pathways. Five metabolites overlapped between plasma and C. elegans , and 4 between CSF and C. elegans . DDT exacerbated the inhibitory effect of aggregating tau protein on growth and basal respiration. In the presence of aggregating tau protein, DDT induced more curling and was associated with reduced levels of amino acids but increased levels of uric acid and adenosylselenohomocysteine. Developmental exposure to DDT blunted the lifespan reduction caused by aggregating tau protein. Conclusion The model organism C. elegans can complement human studies by providing a means to study mechanisms of environmental toxicants. Specifically, our C. elegans data show that DDT exposure and tau protein aggregation both inhibit mitochondrial function and DDT exposure can exacerbate the mitochondrial inhibitory effects of tau protein aggregation providing a plausible explanation for the observed human associations.

Abstract Circulating, cell-free mitochondrial DNA (ccf-mtDNA) and nuclear DNA (ccf-nDNA) are under investigation as biomarkers for various diseases. Optimal ccf-mtDNA isolation parameters, like those outlined for ccf-nDNA, have not been established. Here, we optimized a protocol for both ccf-mtDNA and ccf-nDNA recovery using a magnetic bead-based isolation process on an automated 96-well platform. Using the optimized protocol, our data show 6-fold improved yields of ccf-mtDNA when compared to the starting protocol. Digestion conditions, liquid handling characteristics, and magnetic particle processor programming all contributed to increased recovery and improved reproducibility. To our knowledge, this is the first high-throughput approach optimized for mtDNA and nDNA recovery and serves as an important starting point for clinical studies. Graphical Abstract

Abstract GDF15 (growth differentiation factor 15) is a marker of cellular energetic stress linked to physical-mental illness, aging, and mortality. However, questions remain about its dynamic properties and measurability in human biofluids other than blood. Here, we examine the natural dynamics and psychobiological regulation of plasma and saliva GDF15 in four human studies representing 4,749 samples from 188 individuals. We show that GDF15 protein is detectable in saliva (8% of plasma concentration), likely produced by salivary glands secretory duct cells. Plasma and saliva GDF15 levels are not correlated. Using a brief laboratory socio-evaluative stressor paradigm, we find that psychological stress increases plasma (+3.4-5.3%) and saliva GDF15 (+45%) with distinct kinetics, within minutes. Moreover, saliva GDF15 exhibits a robust awakening response, declining by ∼42-92% within 30-45 minutes from its peak level at the time of waking up. Clinically, individuals with genetic mitochondrial OxPhos diseases show elevated baseline plasma and saliva GDF15, and post-stress GDF15 levels in both biofluids correlate with multi-system disease severity, exercise intolerance, and the subjective experience of fatigue. Taken together, our data establish the dynamic properties of saliva GDF15, reveal it as a stress-sensitive, and as a clinically relevant marker of mitochondrial diseases. These findings point to a shared psychobiological pathway integrating metabolic and mental stress.