Abstract Although cellular senescence drives multiple age-related co-morbidities through the senescence-associated secretory phenotype, in vivo senescent cell identification remains challenging. Here, we generate a gene set (SenMayo) and validate its enrichment in bone biopsies from two aged human cohorts. We further demonstrate reductions in SenMayo in bone following genetic clearance of senescent cells in mice and in adipose tissue from humans following pharmacological senescent cell clearance. We next use SenMayo to identify senescent hematopoietic or mesenchymal cells at the single cell level from human and murine bone marrow/bone scRNA-seq data. Thus, SenMayo identifies senescent cells across tissues and species with high fidelity. Using this senescence panel, we are able to characterize senescent cells at the single cell level and identify key intercellular signaling pathways. SenMayo also represents a potentially clinically applicable panel for monitoring senescent cell burden with aging and other conditions as well as in studies of senolytic drugs.

Abstract Although cellular senescence is increasingly recognized as driving multiple age-related co-morbidities through the senescence-associated secretory phenotype (SASP), in vivo senescent cell identification, particularly in bulk or single cell RNA-sequencing (scRNA-seq) data remains challenging. Here, we generated a novel gene set (SenMayo) and first validated its enrichment in bone biopsies from two aged human cohorts. SenMayo also identified senescent cells in aged murine brain tissue, demonstrating applicability across tissues and species. For direct validation, we demonstrated significant reductions in SenMayo in bone following genetic clearance of senescent cells in mice, with similar findings in adipose tissue from humans in a pilot study of pharmacological senescent cell clearance. In direct comparisons, SenMayo outperformed all six existing senescence/SASP gene sets in identifying senescent cells across tissues and in demonstrating responses to senescent cell clearance. We next used SenMayo to identify senescent hematopoietic or mesenchymal cells at the single cell level from publicly available human and murine bone marrow/bone scRNA-seq data and identified monocytic and osteolineage cells, respectively, as showing the highest levels of senescence/SASP genes. Using pseudotime and cellular communication patterns, we found senescent hematopoietic and mesenchymal cells communicated with other cells through common pathways, including the Macrophage Migration Inhibitory Factor (MIF) pathway, which has been implicated not only in inflammation but also in immune evasion, an important property of senescent cells. Thus, SenMayo identifies senescent cells across tissues and species with high fidelity. Moreover, using this senescence panel, we were able to characterize senescent cells at the single cell level and identify key intercellular signaling pathways associated with these cells, which may be particularly useful for evolving efforts to map senescent cells ( e.g ., SenNet). In addition, SenMayo represents a potentially clinically applicable panel for monitoring senescent cell burden with aging and other conditions as well as in studies of senolytic drugs.

Senescent cells drive age-related tissue dysfunction via the induction of a chronic senescenceassociated secretory phenotype (SASP). The cyclin-dependent kinase inhibitors p21Cip1 and p16Ink4a have long served as markers of cellular senescence. However, their individual roles remain incompletely elucidated. Thus, we conducted a comprehensive examination of multiple single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) datasets spanning both murine and human tissues during aging. Our analysis revealed that p21Cip1 and p16Ink4a transcripts demonstrate significant heterogeneity across distinct cell types and tissues, frequently exhibiting a lack of co-expression. Moreover, we identified tissue-specific variations in SASP profiles linked to p21Cip1 or p16Ink4a expression. Our study underscores the extraordinary diversity of cellular senescence and the SASP, emphasizing that these phenomena are inherently cell- and tissue-dependent. However, a few SASP factors consistently contribute to a shared "core" SASP. These findings highlight the need for a more nuanced investigation of senescence across a wide array of biological contexts.

Abstract Interferons protect from virus infections by inducing hundreds of interferon-stimulated genes (ISG) which orchestrate anti-viral adaptive and innate immunity. Upon viral infection or type I interferon (IFN) stimulation of cell lines, a histone modification, monoubiquitinated histone 2B (H2Bub1), increases at ISG loci, raising the possibility that a specific chromatin state can broadly stimulate IFN immunity in vivo. Here we show that, in the absence of virus infection or elevated interferon levels, mice lacking the relevant deubiquitinase, Usp22 , in immune cells have elevated H2Bub1 levels. Hypermonoubiquitinated H2B is physically associated with dozens of ISG loci, and expression of large numbers of ISG is upregulated. This epigenetic state promotes intracellular and systemic immune phenotypes akin to adaptive and innate interferon immunity, and thereby identifies Usp22 as a negative regulator of interferon immunity.

Cells expressing features of senescence, including upregulation of p21 and p16, appear transiently following tissue injury, yet the properties of these cells or how they contrast with age-induced senescent cells remains unclear. Here, we used skeletal injury as a model and identified the rapid appearance following fracture of p21+ cells expressing senescence markers, mainly as osteochondroprogenitors (OCHs) and neutrophils. Targeted genetic clearance of p21+ cells suppressed senescence-associated signatures within the fracture callus and accelerated fracture healing. By contrast, p21+ cell clearance did not alter bone loss due to aging; conversely, p16+ cell clearance, known to alleviate skeletal aging, did not affect fracture healing. Following fracture, p21+ neutrophils were enriched in signaling pathways known to induce paracrine stromal senescence, while p21+ OCHs were highly enriched in senescence-associated secretory phenotype factors known to impair bone formation. Further analysis revealed an injury-specific stem cell-like OCH subset that was p21+ and highly inflammatory, with a similar inflammatory mesenchymal population (fibro-adipogenic progenitors) evident following muscle injury. Thus, intercommunicating senescent-like neutrophils and mesenchymal progenitor cells are key regulators of tissue repair in bone and potentially across tissues. Moreover, our findings establish contextual roles of p21+

Abstract Peptidyl arginine deiminases (PADIs) catalyze protein citrullination, a post-translational conversion of arginine to citrulline. The most widely expressed member of this family, PADI2, regulates cellular processes that impact several diseases. We hypothesized that we could gain new insights into PADI2 function through a systematic evolutionary and structural analysis. Here, we identify 20 positively selected PADI2 residues, 16 of which are structurally exposed and maintain PADI2 interactions with cognate proteins. Many of these selected residues reside in non-catalytic regions of PADI2. We validate the importance of a prominent loop in the middle domain that encompasses PADI2 L162, a residue under positive selection. This site is essential for interaction with the transcription elongation factor (P-TEFb) and mediates active transcription of the oncogenes c-MYC , and CCNB1, as well as impacting cellular proliferation. These insights could be key to understanding and addressing the role of the PADI2 c-MYC axis in cancer progression. Significance Statement Here we use a systematic evolutionary analysis to identify positively selected residues in the non-catalytic domain of PADI2 and link the positive selection of key residues to a role in transcription. Specifically, a structurally exposed loop in the PADI2 middle domain encompasses the positively selected residue L162 which is linked to transcription and cellular proliferation. This loop contributes to PADI2 interaction with the P-TEFb complex and cellular proliferation. Our results showcase the utility of combining evolutionary and experimental approaches to dissect the evolution of essential functional processes.

Abstract Senescent cells have detrimental effects across tissues with aging but may have beneficial effects on tissue repair, specifically on skin wound healing. However, the potential role of senescent cells in fracture healing has not been defined. Here, we performed an in silico analysis of public mRNAseq data and found that senescence and senescence-associated secretory phenotype (SASP) markers increased during fracture healing. We next directly established that the expression of senescence biomarkers increased markedly during murine fracture healing. We also identified a subset of cells in the fracture callus that displayed hallmarks of senescence, including distension of satellite heterochromatin and telomeric DNA damage. Then, using a genetic mouse model ( p16 LUC ) containing a pl6 Ink4a -dnven luciferase reporter, we demonstrated transient in vivo senescent cell accumulation during callus formation. Finally, we intermittently treated young adult mice following fracture with drugs that selectively eliminate senescent cells (“senolytics”, Dasatinib plus Quercetin), and showed that this regimen both decreased senescence and SASP markers in the fracture callus and significantly accelerated the time course of fracture healing. Our findings thus demonstrate that senescent cells accumulate transiently in the murine fracture callus and, in contrast to the skin, their clearance does not impair but rather may improve fracture healing.

The HER2-driven breast cancer subtype displays a particularly aggressive behavior. Alterations of the epigenome are common in cancers and represent attractive novel molecular therapeutic targets. Monoubiquitination of histone 2B (H2Bub1) by its obligate heterodimeric E3 ubiquitin ligase complex RNF20/RNF40 has been described to have tumor suppressor functions and loss of H2Bub1 has been associated with cancer progression. In this study, we utilized human tumor samples, cell culture models, and a mammary carcinoma mouse model with tissue-specific Rnf40 deletion and identified an unexpected tumor-supportive role of RNF40 in HER2-positive breast cancer. We demonstrate that RNF40-driven H2B monoubiquitination is essential for transcriptional activation of RHO/ROCK/LIMK pathway components and proper actin cytoskeleton dynamics through a trans-histone crosstalk with histone 3 lysine 4 trimethylation (H3K4me3). Collectively, this work demonstrates a previously unknown essential role of RNF40 in HER2-positive breast cancer, revealing the RNF20/RNF40/H2Bub1 axis as a possible tumor context-dependent therapeutic target in breast cancer.