Abstract The naked mole-rat (NMR) is an exceptionally long-lived rodent that shows no increase of mortality with age, defining it as a demographically non-aging mammal. Here, we perform bisulfite sequencing of the blood of > 100 NMRs, assessing > 3 million common CpG sites. Unsupervised clustering based on sites whose methylation correlates with age reveals an age-related methylome remodeling, and we also observe a methylome information loss, suggesting that NMRs age. We develop an epigenetic aging clock that accurately predicts the NMR age. We show that these animals age much slower than mice and much faster than humans, consistent with their known maximum lifespans. Interestingly, patterns of age-related changes of clock sites in Tert and Prpf19 differ between NMRs and mice, but there are also sites conserved between the two species. Together, the data indicate that NMRs, like other mammals, epigenetically age even in the absence of demographic aging of this species.

Abstract Several interventions have recently emerged that were proposed to reverse rather than just attenuate aging, but the criteria for what it takes to achieve rejuvenation remain controversial. Distinguishing potential rejuvenation therapies from other longevity interventions, such as those that slow down aging, is challenging, and these anti‐aging strategies are often referred to interchangeably. We suggest that the prerequisite for a rejuvenation intervention is a robust, sustained, and systemic reduction in biological age, which can be assessed by biomarkers of aging, such as epigenetic clocks. We discuss known and putative rejuvenation interventions and comparatively analyze them to explore underlying mechanisms.

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 Age-related changes in DNA methylation (DNAm) form the basis for the development of most robust predictors of age, epigenetic clocks, but a clear mechanistic basis for exactly what part of the aging process they quantify is lacking. Here, to clarify the nature of epigenetic aging, we juxtapose the aging dynamics of tissue and single-cell DNAm (scDNAm) with scDNAm changes during early development, and corroborate our analyses with a single-cell RNAseq analysis within the same multi-omics dataset. We show that epigenetic aging involves co-regulated changes, but it is dominated by the stochastic component, and this agrees with transcriptional coordination patterns. We further support the finding of stochastic epigenetic aging by direct tissue and single-cell DNAm analyses and modeling of aging DNAm trajectories with a stochastic process akin to radiocarbon decay. Finally, we describe a single-cell algorithm for the identification of co-regulated and stochastic CpG clusters showing consistent transcriptomic coordination patterns, providing new opportunities for targeting aging and evaluating longevity interventions.

ABSTRACT Partial cell reprogramming has been demonstrated in certain mouse tissues by in situ overexpression of Oct3/4 , Klf4 , Sox2 and cMyc (OKSM) transcription factors, and can induce rejuvenation and/or augment regeneration. Reprogramming of adult cardiomyocytes has been elusive until recently, but its success could help overcome the lack of endogenous regenerative capacity of the mammalian myocardium. Here, we generated cardiomyocyte-specific, doxycycline-inducible, reprogrammable mice and demonstrated that sustained OKSM induction reprograms cardiomyocytes fully into teratoma-forming pluripotent cells. However, we also showed that cyclic OKSM upregulation induces significant decrease of epigenetic age in the cardiomyocytes without de-differentiation or reacquisition of pluripotency. In mice with progressive heart failure, cardiomyocyte epigenetic rejuvenation correlated with stabilization of systolic heart function. These findings confirm that OKSM can reprogram adult mouse cardiomyocytes to different states depending on the duration of their expression, and provide further evidence that partially reprogrammed cardiomyocytes may contribute to ameliorate cardiac disease.

The notion that germline cells do not age goes back to the 19 th century ideas of August Weismann. However, being in a metabolically active state, they accumulate damage and other age-related changes over time, i.e., they age. For new life to begin in the same young state, they must be rejuvenated in the offspring. Here, we developed a new multi-tissue epigenetic clock and applied it, together with other aging clocks, to track changes in biological age during mouse and human prenatal development. This analysis revealed a significant decrease in biological age, i.e. rejuvenation, during early stages of embryogenesis, followed by an increase in later stages. We further found that pluripotent stem cells do not age even after extensive passaging and that the examined epigenetic age dynamics is conserved across species. Overall, this study uncovers a natural rejuvenation event during embryogenesis and suggests that the minimal biological age (the ground zero) marks the beginning of organismal aging.

Aging is classically conceptualized as an ever-increasing trajectory of damage accumulation and loss of function, leading to increases in morbidity and mortality. However, recent in vitro studies have raised the possibility of age reversal. Here, we report that biological age is fluid and exhibits rapid changes in both directions. By applying advanced epigenetic aging clocks, we find that the biological age of young mice is increased by heterochronic parabiosis and restored following surgical detachment of animals. We also identify transient changes in biological age during major surgery, pregnancy, and severe COVID-19 in humans and/or mice. Together, these data show that biological age undergoes a rapid increase in response to diverse forms of stress, which is reversed following recovery from stress. Our study uncovers a new layer of aging dynamics that should be considered in future studies. Elevation of biological age by stress may be a quantifiable and actionable target for future interventions.

Abstract Recent studies suggest the existence of a natural rejuvenation event during early embryonic development of mice, followed by epigenetic aging. Here, by profiling embryonic DNA methylation in the African clawed frog, Xenopus laevis , we found that the epigenetic entropy basepoint maps to the gastrulation stage of embryogenesis and corresponds to a rapid increase in embryo transcript abundance. We further developed a frog aging clock, revealing that this species epigenetically ages. Application of this clock to developmental stages identified a decrease in epigenetic age during early embryogenesis, with the minimal age reached around gastrulation. By examining individual developmental trajectories of 6,457 embryos, we found that this stage is also accompanied by a higher incidence of disrupted development. Taken together, our data point to gastrulation as a critical stage for aging and natural rejuvenation, characterized by the lowest epigenetic age, increased mortality, nadir of DNA methylation entropy and rapid increase in embryo transcript abundance, defining aging ground zero as the basepoint where rejuvenation ends and the aging process begins.