The senescence-associated secretory phenotype (SASP) has recently emerged as a driver of and promising therapeutic target for multiple age-related conditions, ranging from neurodegeneration to cancer. The complexity of the SASP, typically assessed by a few dozen secreted proteins, has been greatly underestimated, and a small set of factors cannot explain the diverse phenotypes it produces in vivo. Here, we present the “SASP Atlas,” a comprehensive proteomic database of soluble proteins and exosomal cargo SASP factors originating from multiple senescence inducers and cell types. Each profile consists of hundreds of largely distinct proteins but also includes a subset of proteins elevated in all SASPs. Our analyses identify several candidate biomarkers of cellular senescence that overlap with aging markers in human plasma, including Growth/differentiation factor 15 (GDF15), stanniocalcin 1 (STC1), and serine protease inhibitors (SERPINs), which significantly correlated with age in plasma from a human cohort, the Baltimore Longitudinal Study of Aging (BLSA). Our findings will facilitate the identification of proteins characteristic of senescence-associated phenotypes and catalog potential senescence biomarkers to assess the burden, originating stimulus, and tissue of origin of senescent cells in vivo.

Exosomes and other small extracellular vesicles (sEVs) provide a unique mode of cell-to-cell communication in which microRNAs (miRNAs) produced and released from one cell are taken up by cells at a distance where they can enact changes in gene expression1–3. However, the mechanism by which miRNAs are sorted into exosomes/sEVs or retained in cells remains largely unknown. Here we demonstrate that miRNAs possess sorting sequences that determine their secretion in sEVs (EXOmotifs) or cellular retention (CELLmotifs) and that different cell types, including white and brown adipocytes, endothelium, liver and muscle, make preferential use of specific sorting sequences, thus defining the sEV miRNA profile of that cell type. Insertion or deletion of these CELLmotifs or EXOmotifs in a miRNA increases or decreases retention in the cell of production or secretion into exosomes/sEVs. Two RNA-binding proteins, Alyref and Fus, are involved in the export of miRNAs carrying one of the strongest EXOmotifs, CGGGAG. Increased miRNA delivery mediated by EXOmotifs leads to enhanced inhibition of target genes in distant cells. Thus, this miRNA code not only provides important insights that link circulating exosomal miRNAs to tissues of origin, but also provides an approach for improved targeting in RNA-mediated therapies. MicroRNAs encode sorting sequences that determine whether they are secreted in exosomal vesicles to regulate gene expression in distant cells or retained in cells that produced them, with different sequences used by individual cell types.

Abstract SARS-CoV-2 non-structural protein Nsp14 is a highly conserved enzyme necessary for viral replication. Nsp14 forms a stable complex with non-structural protein Nsp10 and exhibits exoribonuclease and N7-methyltransferase activities. Protein-interactome studies identified human sirtuin 5 (SIRT5) as a putative binding partner of Nsp14. SIRT5 is an NAD-dependent protein deacylase critical for cellular metabolism that removes succinyl and malonyl groups from lysine residues. Here we investigated the nature of this interaction and the role of SIRT5 during SARS-CoV-2 infection. We showed that SIRT5 stably interacts with Nsp14, but not with Nsp10, suggesting that SIRT5 and Nsp10 are parts of separate complexes. We found that SIRT5 catalytic domain is necessary for the interaction with Nsp14, but that Nsp14 does not appear to be directly deacylated by SIRT5. Furthermore, knock-out of SIRT5 or treatment with specific SIRT5 inhibitors reduced SARS-CoV-2 viral levels in cell-culture experiments. SIRT5 knock-out cells expressed higher basal levels of innate immunity markers and mounted a stronger antiviral response. Our results indicate that SIRT5 is a proviral factor necessary for efficient viral replication, which opens novel avenues for therapeutic interventions.

Esophageal adenocarcinoma arises from Barrett's esophagus, a precancerous metaplastic replacement of squamous by columnar epithelium in response to chronic inflammation. Multi-omics profiling, integrating single-cell transcriptomics, extracellular matrix proteomics, tissue-mechanics and spatial proteomics of 64 samples from 12 patients' paths of progression from squamous epithelium through metaplasia, dysplasia to adenocarcinoma, revealed shared and patient-specific progression characteristics. The classic metaplastic replacement of epithelial cells was paralleled by metaplastic changes in stromal cells, ECM and tissue stiffness. Strikingly, this change in tissue state at metaplasia was already accompanied by appearance of fibroblasts with characteristics of carcinoma-associated fibroblasts and of an NK cell-associated immunosuppressive microenvironment. Thus, Barrett's esophagus progresses as a coordinated multi-component system, supporting treatment paradigms that go beyond targeting cancerous cells to incorporating stromal reprogramming.

Synaptic plasticity is obstructed by pathogenic tau in the brain, representing a key mechanism that underlies memory loss in Alzheimer's disease (AD) and related tauopathies. Here, we define a mechanism for plasticity repair in vulnerable neurons using the C-terminus of the KIdney/BRAin (KIBRA) protein (CT-KIBRA). We show that CT-KIBRA restores plasticity and memory in transgenic mice expressing pathogenic human tau; however, CT-KIBRA did not alter tau levels or prevent tau-induced synapse loss. Instead, we find that CT-KIBRA binds to and stabilizes protein kinase Mζ (PKMζ) to maintain synaptic plasticity and memory despite tau-mediated pathogenesis. In humans we find that reduced KIBRA in brain and increased KIBRA in cerebrospinal fluid are associated with cognitive impairment and pathological tau levels in disease. Thus, our results distinguish KIBRA both as a novel biomarker of synapse dysfunction in AD and as the foundation for a synapse repair mechanism to reverse cognitive impairment in tauopathy.

Abstract Post-translational modifications, such as lysine acetylation, regulate the activity of diverse proteins across many cellular compartments. Protein deacetylation in mitochondria is catalyzed by the enzymatic activity of the NAD+-dependent deacetylase sirtuin 3 (SIRT3), however it remains unclear whether corresponding mitochondrial acetyltransferases exist. We used a bioinformatics approach to search for mitochondrial proteins with an acetyltransferase catalytic domain, and identified a novel splice variant of ELP3 (mt-ELP3) of the elongator complex, which localizes to the mitochondrial matrix in mammalian cells. Unexpectedly, mt-ELP3 does not mediate mitochondrial protein acetylation but instead induces a post-transcriptional modification of mitochondrial-transfer RNAs (mt-tRNAs). Overexpression of mt-ELP3 leads to the protection of mt-tRNAs against the tRNA-specific RNase angiogenin, increases mitochondrial translation, and furthermore increases expression of OXPHOS complexes. This study thus identifies mt-ELP3 as a non-canonical mt-tRNA modifying enzyme.

Abstract Lysine Nε-acylations, such as acetylation or succinylation, are post-translational modifications that regulate protein function. In mitochondria, lysine acylation is predominantly non-enzymatic, and only a specific subset of the proteome is acylated. Coenzyme A (CoA) can act as an acyl group carrier via a thioester bond, but what controls the acylation of mitochondrial lysines remains poorly understood. Using published datasets, here we found that proteins with a CoA-binding site are more likely to be acetylated, succinylated, and glutarylated. Using computational modeling, we show that lysine residues near the CoA-binding pocket are highly acylated compared to those farther away. We hypothesized that acyl-CoA binding enhances acylation of nearby lysine residues. To test this hypothesis, we co-incubated enoyl-CoA hydratase short chain 1 (ECHS1), a CoA-binding mitochondrial protein, with succinyl-CoA and CoA. Using mass spectrometry, we found that succinyl-CoA induced widespread lysine succinylation and that CoA competitively inhibited ECHS1 succinylation. CoA-induced inhibition at a particular lysine site correlated inversely with the distance between that lysine and the CoA-binding pocket. Our study indicated that CoA acts as a competitive inhibitor of ECHS1 succinylation by binding to the CoA-binding pocket. Together, this suggests that proximal acylation at CoA-binding sites is a primary mechanism for lysine acylation in the mitochondria.

Aging compromises brain function leading to cognitive decline. A cyclic ketogenic diet (KD) improves memory in aged mice after long-term administration; however, short-term effects later in life and the molecular mechanisms that govern such changes remain unclear. Here, we explore the impact of a short-term KD treatment starting at elderly stage on brain function of aged mice. Behavioral testing and long-term potentiation (LTP) recordings reveal that KD improves working memory and hippocampal LTP. Furthermore, the synaptosome proteome of aged mice fed a KD long-term evidence changes predominantly at the presynaptic compartment associated to the protein kinase A (PKA) signaling pathway. These findings were corroborated in vivo by western blot analysis, with high BDNF abundance and PKA substrate phosphorylation. Overall, we show that a KD modifies brain function even when it is administered later in life and recapitulates molecular features of long-term administration, including the PKA signaling pathway, thus promoting synaptic plasticity at advanced age.

The senescence-associated secretory phenotype (SASP) has recently emerged as a driver of, and promising therapeutic target for, multiple age-related conditions, ranging from neurodegeneration to cancer. The complexity of the SASP, typically assessed by a few dozen secreted proteins, has been greatly underestimated, and a small set of factors cannot explain the diverse phenotypes it produces in vivo . Here, we present the ‘SASP Atlas’, a comprehensive proteomic database of soluble and exosome SASP factors originating from multiple senescence inducers and cell types. Each profile consists of hundreds of largely distinct proteins, but also includes a subset of proteins elevated in all SASPs. Our analyses identify several candidate biomarkers of cellular senescence that overlap with aging markers in human plasma, including GDF15, STC1 and SERPINs, which significantly correlated with age in plasma from a human cohort, the Baltimore Longitudinal Study of Aging. Our findings will facilitate the identification of proteins characteristic of senescence-associated phenotypes and catalog potential senescence biomarkers to assess the burden, originating stimulus and tissue of origin of senescent cells in vivo .Abbreviations ATV, atazanavir treatment; BLSA, Baltimore Longitudinal Study of Aging; CTL, control; DDA, data-dependent acquisition; DAMP, damage-associated molecular pattern; DIA, data-independent acquisition; eSASP, extracellular vesicle senescence associated secretory phenotype; EVs, extracellular vesicles; IR, X-irradiation; MS, mass spectrometry; RAS, inducible RAS overexpression; SA-β-Gal, senescence-associated β-galactosidase; SEN, senescent; sSASP, soluble senescence associated secretory phenotype.

Summary Aging is a complex biological process that compromises brain function and neuronal network activity, leading to cognitive decline and synaptic dysregulation. In recent years, a cyclic Ketogenic Diet (KD) has emerged as a potential treatment to ameliorate cognitive decline by improving memory in aged mice after long-term administration. However, the molecular mechanisms that govern such changes remains unclear. Additionally, whether short-term cyclic KD administration later in life preserves memory has not been addressed in detail. Accordingly, here we investigated how a short-term cyclic KD starting at 20-23 months-old regulates brain function of aged mice. Behavioral testing and long-term potentiation (LTP) recordings revealed that a cyclic KD improves working memory and hippocampal LTP in 24-27 months-old mice after 16 weeks of treatment. Moreover, the diet also promotes higher dendritic arborization complexity and dendritic spine density in the prefrontal cortex. Furthermore, to elucidate the molecular mechanisms underlying the memory improvements elicited by a cyclic KD, cortical synaptosomes of aged mice fed with this diet for 1 year were analyzed by mass spectrometry. Bioinformatics analysis revealed that long-term cyclic KD administration predominantly modulates the presynaptic compartment by inducing changes in the cAMP/PKA signaling pathway, the synaptic vesicle cycle, and the actin/microtubule cytoskeleton. To test these findings in vivo , synaptic proteins from cortices of 24–27-month-old mice fed with control or cyclic KD for 16 weeks were analyzed by western blot. Interestingly, increased Brain Derived Neurotrophic Factor abundance, MAP2 phosphorylation and PKA activity were observed. Overall, we show that a cyclic KD regulates brain function and memory even when it is administered at late mid-life and significantly triggers several molecular features of long-term administration, including the PKA signaling pathway and cytoskeleton dynamics, thus promoting synaptic plasticity at advanced age.