Ageing is the gradual decline in organismal fitness that occurs over time leading to tissue dysfunction and disease. At the cellular level, ageing is associated with reduced function, altered gene expression and a perturbed epigenome. Recent work has demonstrated that the epigenome is already rejuvenated by the maturation phase of somatic cell reprogramming, which suggests full reprogramming is not required to reverse ageing of somatic cells. Here we have developed the first “maturation phase transient reprogramming” (MPTR) method, where reprogramming factors are selectively expressed until this rejuvenation point then withdrawn. Applying MPTR to dermal fibroblasts from middle-aged donors, we found that cells temporarily lose and then reacquire their fibroblast identity, possibly as a result of epigenetic memory at enhancers and/or persistent expression of some fibroblast genes. Excitingly, our method substantially rejuvenated multiple cellular attributes including the transcriptome, which was rejuvenated by around 30 years as measured by a novel transcriptome clock. The epigenome was rejuvenated to a similar extent, including H3K9me3 levels and the DNA methylation ageing clock. The magnitude of rejuvenation instigated by MPTR appears substantially greater than that achieved in previous transient reprogramming protocols. In addition, MPTR fibroblasts produced youthful levels of collagen proteins, and showed partial functional rejuvenation of their migration speed. Finally, our work suggests that optimal time windows exist for rejuvenating the transcriptome and the epigenome. Overall, we demonstrate that it is possible to separate rejuvenation from complete pluripotency reprogramming, which should facilitate the discovery of novel anti-ageing genes and therapies.

Abstract Ageing is the gradual decline in organismal fitness that occurs over time leading to tissue dysfunction and disease. At the cellular level, ageing is associated with reduced function, altered gene expression and a perturbed epigenome. Somatic cell reprogramming, the process of converting somatic cells to induced pluripotent stem cells (iPSCs), can reverse these age-associated changes. However, during iPSC reprogramming somatic cell identity is lost, and can be difficult to reacquire as re-differentiated iPSCs often resemble foetal rather than mature adult cells. Recent work has demonstrated that the epigenome is already rejuvenated by the maturation phase of reprogramming, which suggests full iPSC reprogramming is not required to reverse ageing of somatic cells. Here we have developed the first “maturation phase transient reprogramming” (MPTR) method, where reprogramming factors are expressed until this rejuvenation point followed by withdrawal of their induction. Using dermal fibroblasts from middle age donors, we found that cells reacquire their fibroblast identity following MPTR, possibly as a result of persisting epigenetic memory at enhancers. Excitingly, our method substantially rejuvenated multiple cellular attributes including the transcriptome, which was rejuvenated by around 30 years as measured by a novel transcriptome clock. The epigenome, including H3K9me3 histone methylation levels and the DNA methylation ageing clock, was rejuvenated to a similar extent. The magnitude of rejuvenation instigated by MTPR is substantially greater than that achieved in previous transient reprogramming protocols. MPTR fibroblasts produced youthful levels of collagen proteins, suggesting functional rejuvenation. Overall, our work demonstrates that it is possible to separate rejuvenation from pluripotency reprogramming, which should facilitate the discovery of novel anti-ageing genes and therapies. Highlights We developed a novel method by which human fibroblasts are reprogrammed until the maturation phase of iPSCs and are then returned to fibroblast identity DNA methylation memory in fibroblast enhancers may allow recovery of cell identity when fibroblast gene expression programmes are already extinct Molecular measures of ageing including transcriptome and DNA methylation clocks and H3K9me3 levels reveal robust and substantial rejuvenation Functional rejuvenation of fibroblasts by MPTR is suggested by reacquisition of youthful levels of collagen proteins

ABSTRACT Ageing is the accumulation of changes and overall decline of the function of cells, organs and organisms over time. At the molecular and cellular level, the concept of biological age has been established and biomarkers of biological age have been identified, notably epigenetic DNA-methylation based clocks. With the emergence of single-cell DNA methylation profiling methods, the possibility to study biological age of individual cells has been proposed, and a first proof-of-concept study, based on limited single cell datasets mostly from early developmental origin, indicated the feasibility and relevance of this approach to better understand organismal changes and cellular ageing heterogeneity. Here we generated a large single-cell DNA methylation and matched transcriptome dataset from mouse peripheral blood samples, spanning a broad range of ages (10-101 weeks of age). We observed that the number of genes expressed increased at older ages, but gene specific changes were small. We next developed a robust single cell DNA methylation age predictor (scEpiAge), which can accurately predict age in a broad range of publicly available datasets, including very sparse data and it also predicts age in single cells. Interestingly, the DNA methylation age distribution is wider than technically expected in 19% of single cells, suggesting that epigenetic age heterogeneity is present in vivo and may relate to functional differences between cells. In addition, we observe differences in epigenetic ageing between the major blood cell types. Our work provides a foundation for better single-cell and sparse data epigenetic age predictors and highlights the significance of cellular heterogeneity during ageing. Highlights - Model to estimate DNA methylation age in single cells - Large multi-omics dataset of single cells from murine blood - Epigenetic age deviations from chronological age are greater than technical expected from technical variability - Number of genes expressed increases with chronological and epigenetic age

Abstract Accessible and non-invasive biomarkers that measure human ageing processes and the risk of developing age-related disease are paramount in preventative healthcare. In this study, we describe a novel framework to train saliva-based DNA methylation (DNAm) biomarkers that are reproducible and biologically interpretable. By leveraging a reliability dataset with replicates across tissues, we demonstrate that it is possible to transfer knowledge from blood DNAm data to saliva DNAm data using DNAm proxies of blood proteins (EpiScores). We then apply these methods to create a new saliva-based epigenetic clock (InflammAge) that quantifies systemic chronic inflammation (SCI) in humans. Using a large blood DNAm human cohort with linked electronic health records and over 18,000 individuals (Generation Scotland), we demonstrate that InflammAge significantly associates with all-cause mortality, disease outcomes, lifestyle factors and immunosenescence; in many cases outperforming the widely used SCI biomarker C-reactive protein (CRP). We propose that our biomarker discovery framework and InflammAge will be useful to improve our understanding of the molecular mechanisms underpinning human ageing and to assess the impact of gero-protective interventions.

Parallel single-cell sequencing protocols represent powerful methods for investigating regulatory relationships, including epigenome-transcriptome interactions. Here, we report a novel single-cell method for parallel chromatin accessibility, DNA methylation and transcriptome profiling. scNMT-seq (single-cell nucleosome, methylation and transcription sequencing) uses a GpC methyltransferase to label open chromatin followed by bisulfite and RNA sequencing. We validate scNMT-seq by applying it to differentiating mouse embryonic stem cells, finding links between all three molecular layers and revealing dynamic coupling between epigenomic layers during differentiation.

ABSTRACT Adult skeletal muscles are maintained during homeostasis and regenerated upon injury by muscle stem cells (MuSCs). A heterogeneity in self-renewal, differentiation and regeneration properties has been reported for MuSCs based on their anatomical location. Although MuSCs derived from extraocular muscles (EOM) have a higher regenerative capacity than those derived from limb muscles, the molecular determinants that govern these differences remain undefined. Here we show that EOM and limb MuSCs have distinct DNA methylation signatures associated with enhancers of location-specific genes, and that the EOM transcriptome is reprogrammed following transplantation into a limb muscle environment. Notably, EOM MuSCs expressed host-site specific positional Hox codes after engraftment and self-renewal within the host muscle. However, about 10% of EOM-specific genes showed engraftment-resistant expression, pointing to cell-intrinsic molecular determinants of the higher engraftment potential of EOM MuSCs. Our results underscore the molecular diversity of distinct MuSC populations and molecularly define their plasticity in response to microenvironmental cues. These findings provide insights into strategies designed to improve the functional capacity of MuSCs in the context of regenerative medicine.

Epigenetic clocks are mathematical models that predict the biological age of an individual using DNA methylation data, and which have emerged in the last few years as the most accurate biomarkers of the ageing process. However, little is known about the molecular mechanisms that control the rate of such clocks. Here, we have examined the human epigenetic clock in patients with a variety of developmental disorders, harbouring mutations in proteins of the epigenetic machinery. Using the Horvath epigenetic clock, we performed an unbiased screen for epigenetic age acceleration (EAA) in the blood of these patients. We demonstrate that loss-of-function mutations in the H3K36 histone methyltransferase NSD1, which cause Sotos syndrome, substantially accelerate epigenetic ageing. Furthermore, we show that the normal ageing process and Sotos syndrome share methylation changes and the genomic context in which they occur. Finally, we found that the Horvath clock CpG sites are characterised by a higher Shannon methylation entropy when compared with the rest of the genome, which is dramatically decreased in Sotos syndrome patients. These results suggest that the H3K36 methylation machinery is a key component of the epigenetic maintenance system in humans, which controls the rate of epigenetic ageing, and this role seems to be conserved in model organisms. Our observations provide novel insights into the mechanisms behind the epigenetic ageing clock and we expect will shed light on the different processes that erode the human epigenetic landscape during ageing.

Age-related tissue alterations have been associated with a decline in stem cell number and function. Although increased cell-to-cell variability in transcription or epigenetic marks has been proposed to be a major hallmark of ageing, little is known about the molecular diversity of stem cells during ageing. Here, by combined single-cell transcriptome and DNA methylome profiling in mouse muscle stem cells, we show a striking global increase of uncoordinated transcriptional heterogeneity together with context-dependent alterations of DNA methylation with age. Importantly, promoters with increased methylation heterogeneity are associated with increased transcriptional heterogeneity of the genes they drive. Notably, old cells that change the most with age reveal alterations in the transcription of genes regulating cell-niche interactions. These results indicate that epigenetic drift, by accumulation of stochastic DNA methylation changes in promoters, is a substantial driver of the degradation of coherent transcriptional networks with consequent stem cell functional decline during ageing.

Background: DNA-methylation changes at a discrete set of sites in the human genome are predictive of chronological and biological age. However, it is not known whether these changes are causative or a consequence of an underlying ageing process. It has also not been shown whether this epigenetic clock is unique to humans or conserved in the more experimentally tractable mouse. Results: We have generated a comprehensive set of genome-scale base-resolution methylation maps from multiple mouse tissues spanning a wide range of ages. Many CpG sites show significant tissue-independent correlations with age and allowed us to develop a multi-tissue predictor of age in the mouse. Our model, which estimates age based on DNA methylation at 329 unique CpG sites, has a median absolute error of 3.33 weeks, and has similar properties to the recently described human epigenetic clock. Using publicly available datasets, we find that the mouse clock is accurate enough to measure effects on biological age, including in the context of interventions. While females and males show no significant differences in predicted DNA methylation age, ovariectomy results in significant age acceleration in females. Furthermore, we identify significant differences in age-acceleration dependent on the lipid content of the offspring diet. Conclusions: Here we identify and characterize an epigenetic predictor of age in mice, the mouse epigenetic clock. This clock will be instrumental for understanding the biology of ageing and will allow modulation of its ticking rate and resetting the clock in vivo to study the impact on biological age.