Summary

 Ever since eukaryotes subsumed the bacterial ancestor of mitochondria, the nuclear and mitochondrial genomes have had to closely coordinate their activities, as each encode different subunits of the oxidative phosphorylation (OXPHOS) system. Mitochondrial dysfunction is a hallmark of aging, but its causes are debated. We show that, during aging, there is a specific loss of mitochondrial, but not nuclear, encoded OXPHOS subunits. We trace the cause to an alternate PGC-1α/β-independent pathway of nuclear-mitochondrial communication that is induced by a decline in nuclear NAD⁺ and the accumulation of HIF-1α under normoxic conditions, with parallels to Warburg reprogramming. Deleting SIRT1 accelerates this process, whereas raising NAD⁺ levels in old mice restores mitochondrial function to that of a young mouse in a SIRT1-dependent manner. Thus, a pseudohypoxic state that disrupts PGC-1α/β-independent nuclear-mitochondrial communication contributes to the decline in mitochondrial function with age, a process that is apparently reversible.

Ageing is a degenerative process that leads to tissue dysfunction and death. A proposed cause of ageing is the accumulation of epigenetic noise that disrupts gene expression patterns, leading to decreases in tissue function and regenerative capacity1–3. Changes to DNA methylation patterns over time form the basis of ageing clocks4, but whether older individuals retain the information needed to restore these patterns—and, if so, whether this could improve tissue function—is not known. Over time, the central nervous system (CNS) loses function and regenerative capacity5–7. Using the eye as a model CNS tissue, here we show that ectopic expression of Oct4 (also known as Pou5f1), Sox2 and Klf4 genes (OSK) in mouse retinal ganglion cells restores youthful DNA methylation patterns and transcriptomes, promotes axon regeneration after injury, and reverses vision loss in a mouse model of glaucoma and in aged mice. The beneficial effects of OSK-induced reprogramming in axon regeneration and vision require the DNA demethylases TET1 and TET2. These data indicate that mammalian tissues retain a record of youthful epigenetic information—encoded in part by DNA methylation—that can be accessed to improve tissue function and promote regeneration in vivo. Expression of three Yamanaka transcription factors in mouse retinal ganglion cells restores youthful DNA methylation patterns, promotes axon regeneration after injury, and reverses vision loss in a mouse model of glaucoma and in aged mice, suggesting that mammalian tissues retain a record of youthful epigenetic information that can be accessed to improve tissue function.

All living things experience an increase in entropy, manifested as a loss of genetic and epigenetic information. In yeast, epigenetic information is lost over time due to the relocalization of chromatin-modifying proteins to DNA breaks, causing cells to lose their identity, a hallmark of yeast aging. Using a system called “ICE” (inducible changes to the epigenome), we find that the act of faithful DNA repair advances aging at physiological, cognitive, and molecular levels, including erosion of the epigenetic landscape, cellular exdifferentiation, senescence, and advancement of the DNA methylation clock, which can be reversed by OSK-mediated rejuvenation. These data are consistent with the information theory of aging, which states that a loss of epigenetic information is a reversible cause of aging.

Ageing is a degenerative process leading to tissue dysfunction and death. A proposed cause of ageing is the accumulation of epigenetic noise, which disrupts youthful gene expression patterns that are required for cells to function optimally and recover from damage 1–3 . Changes to DNA methylation patterns over time form the basis of an ‘ageing clock’ 4, 5 , but whether old individuals retain information to reset the clock and, if so, whether this would improve tissue function is not known. Of all the tissues in the body, the central nervous system (CNS) is one of the first to lose regenerative capacity 6, 7 . Using the eye as a model tissue, we show that expression of Oct4, Sox2, and Klf4 genes (OSK) in mice resets youthful gene expression patterns and the DNA methylation age of retinal ganglion cells, promotes axon regeneration after optic nerve crush injury, and restores vision in a mouse model of glaucoma and in normal old mice. This process, which we call re co v ery of information v ia e pigenetic r eprogramming or REVIVER, requires the DNA demethylases Tet1 and Tet2, indicating that DNA methylation patterns don’t just indicate age, they participate in ageing. Thus, old tissues retain a faithful record of youthful epigenetic information that can be accessed for functional age reversal.

SUMMARY Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) is essential for many enzymatic reactions, including those involved in energy metabolism, DNA repair and the activity of sirtuins, a family of defensive deacylases. During aging, levels of NAD + can decrease by up to 50% in some tissues, the repletion of which provides a range of health benefits in both mice and humans. Whether or not the NAD + precursor nicotinamide mononucleotide (NMN) extends lifespan in mammals is not known. Here we investigate the effect of long-term administration of NMN on the health, cancer burden, frailty and lifespan of male and female mice. Without increasing tumor counts or severity in any tissue, NMN treatment of males and females increased activity, maintained more youthful gene expression patterns, and reduced overall frailty. Reduced frailty with NMN treatment was associated with increases in levels of Anerotruncus colihominis, a gut bacterium associated with lower inflammation in mice and increased longevity in humans. NMN slowed the accumulation of adipose tissue later in life and improved metabolic health in male but not female mice, while in females but not males, NMN increased median lifespan by 8.5%, possible due to sex-specific effects of NMN on NAD + metabolism. Together, these data show that chronic NMN treatment delays frailty, alters the microbiome, improves male metabolic health, and increases female mouse lifespan, without increasing cancer burden. These results highlight the potential of NAD + boosters for treating age-related conditions and the importance of using both sexes for interventional lifespan studies.

There are numerous hallmarks of aging in mammals, but no unifying cause has been identified. In budding yeast, aging is associated with a loss of epigenetic information that occurs in response to genome instability, particularly DNA double-strand breaks (DSBs). Mammals also undergo predictable epigenetic changes with age, including alterations to DNA methylation patterns that serve as epigenetic "age" clocks, but what drives these changes is not known. Using a transgenic mouse system called "ICE" (for inducible changes to the epigenome), we show that a tissue's response to non-mutagenic DSBs reorganizes the epigenome and accelerates physiological, cognitive, and molecular changes normally seen in older mice, including advancement of the epigenetic clock. These findings implicate DSB-induced epigenetic drift as a conserved cause of aging from yeast to mammals.

All living things experience entropy, manifested as a loss of inherited genetic and epigenetic information over time. As budding yeast cells age, epigenetic changes result in a loss of cell identity and sterility, both hallmarks of yeast aging. In mammals, epigenetic information is also lost over time, but what causes it to be lost and whether it is a cause or a consequence of aging is not known. Here we show that the transient induction of genomic instability, in the form of a low number of non-mutagenic DNA breaks, accelerates many of the chromatin and tissue changes seen during aging, including the erosion of the epigenetic landscape, a loss of cellular identity, advancement of the DNA methylation clock and cellular senescence. These data support a model in which a loss of epigenetic information is a cause of aging in mammals.