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.

ABSTRACT Cells continuously survey their environment in order to make fundamental decisions, including whether to divide, migrate, or differentiate. However, a fascinating phenomenon in biology is that cells often possess memory—they temporally integrate both past and present signals to make a reliable decision. Cellular memory manifests across different biological systems over different timescales, and a variety of underlying molecular mechanisms have been proposed. Here we investigate a non-epigenetic molecular mechanism underpinning how a single yeast cell can remember its recent environmental history to decide whether to enter the cell cycle. This “memories” is encoded by the phosphorylation level of the cell cycle inhibitor Whi5. G1 cyclin Cln3 senses environmental nutrient levels and promotes cell-cycle entry by phosphorylating and thus inactivating Whi5. We developed an optogenetic system whereby the nuclear localization of Cln3 can be rapidly and reversibly controlled by light. By monitoring cellular response to different temporal profiles of Cln3, we found that cell cycle entry requires the time duration of nuclear Cln3, supporting the model of “cellular memories”. Moreover, instead of the memory could last for the entire G1 phase as previously observed in glucose, we found Whi5 re-activates rapidly, with a similar half-time ∼ 12 min, in a variety of nutrient and stress conditions. Our results suggest yeast cell can shortly remember its recent environmental cues to decide whether to enter the cell cycle.

SUMMARY The Ca 2+ modulated pulsatile secretion of glucagon and insulin by pancreatic α and β cells plays a key role in glucose homeostasis. However, how α and β cells coordinate via paracrine interaction to produce various Ca 2+ oscillation patterns is still elusive. Using a microfluidic device and transgenic mice in which α and β cells were labeled with different colors, we were able to record islet Ca 2+ signals at single cell level for long times. Upon glucose stimulation, we observed heterogeneous Ca 2+ oscillation patterns intrinsic to each islet. After a transient period, the oscillations of α and β cells were globally phase-locked, i.e., the two types of cells in an islet each oscillate synchronously but with a phase shift between the two. While the activation of α cells displayed a fixed time delay of ~20 s to that of β cells, β cells activated with a tunable delay after the α cells. As a result, the tunable phase shift between α and β cells set the islet oscillation period and pattern. Furthermore, we demonstrated that the phase shift can be modulated by glucagon. A mathematical model of islet Ca 2+ oscillation taking into consideration of the paracrine interaction was constructed, which quantitatively agreed with the experimental data. Our study highlights the importance of cell-cell interaction to generate stable but tunable islet oscillation patterns.

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.

SUMMARY Quiescent cell ages with decline in both the survivability and regenerative activity. While most cellular quiescence/ageing research have focused on the survivability and from the population level, the question how the regenerative activity change with the quiescence time (i.e., chronological age) has rarely been addressed quantitatively. In this work, we systematically measured both features in ageing quiescent fission yeast cells at single cell level. We found that the regenerative activity declines linearly before survivability decline and the cellular chronological ageing speed is predetermined by the initial niche condition. Moreover, this linear ageing behavior is robust under various niche conditions and follows a common ageing trajectory in terms of gene expression. Furthermore, initial calorie restriction was found to improve not only the survivability but also the later regenerative activity. Our results reveal a continuous diverse spectrum of quiescence depth and ageing plasticity.

Abstract RB1 (retinoblastoma) members control the G1/S commitment as transcriptional repressors in eukaryotic cells. Here we uncover that an extra copy of RB1 equivalent ( WHI7 or WHI5 ) is sufficient to bypass the indispensability of the central genomic checkpoint kinases Mec1 ATR -Rad53 CHK1 in Saccharomyces cerevisiae . Mec1-Rad53 directly phosphorylate Whi7/5, antagonizing their nuclear export or protein turnover upon replication stress. Through in vitro reconstitution, we show that Whi7 C-terminus directly binds and hinders S-CDK-Cks1 from processively phosphorylating Sic1. By microfluidic single-cell real-time quantitative imaging, we demonstrate that both Whi7 and Whi5 are required to flatten the degradation curve of the major S-CDK inhibitor Sic1 in vivo. These findings reveal an eclipsed transcription-independent role of Whi7 homologs, which is highlighted by genome integrity checkpoints to hold the G1/S transition instantly as a rapid response to unforeseeable replication threats. Key points Whi7 overexpression bypasses the essential function of Mec1 and Rad53 in a transcription-independent way. Whi7 is stabilized by checkpoint-mediated phosphorylation. Whi7 binds and hinders S-CDK-Cks1 from multi-phosphorylation of Sci1, thereby prolonging Sic1 degradation and G1/S transition.

ABSTRACT iCasp9 suicide gene has been widely used as a promising killing strategy in various cell therapies. However, different cells show significant heterogeneity in response to apoptosis inducer, posing challenges in clinical applications of killing strategy. The cause of the heterogeneity remains elusive so far. Here, by simultaneously monitoring the dynamics of iCasp9 dimerization, Caspase3 activation and cell fate in single cells, we found that the heterogeneity was mainly due to cell-to-cell variability in initial iCasp9 expression and XIAP/Caspase3 ratio. Moreover, multiple-round drugging cannot increase the killing efficiency. Instead, it will place selective pressure on protein levels, especially on the level of initial iCasp9, leading to drug resistance. We further show this resistance can be largely eliminated by combinatorial drugging with XIAP inhibitor at the end, but not at the beginning, of the multiple-round treatments. Our results unveil the source of cell fate heterogeneity and drug resistance in iCasp9-mediated cell death, which may enlighten better therapeutic strategies for optimized killing.

Glucose-induced pancreatic islet hormone release is tightly coupled with oscillations in cytoplasmic free Ca2+ concentration of islet cells, which is regulated by a complex interplay between intercellular and intracellular signaling. Delta cells, which entangle with alpha cells located at the islet periphery, are known to be important paracrine regulators. However, the role of delta cells in regulating Ca2+ oscillation pattern remains unclear. Here we show that delta-alpha cell-to-cell interactions are the source of variability in glucose-induced Ca2+ oscillation pattern. Somatostatin secreted from delta cells prolonged the islet's oscillation period in an alpha cell mass-dependent manner. Pharmacological and optogenetic perturbations of delta-alpha interactions led islets to switch between fast and slow Ca2+ oscillations. Continuous adjustment of delta-alpha coupling strength caused the fast oscillating islets to transition to mixed and slow oscillations. We developed a mathematical model, demonstrating that the fast-mixed-slow oscillation transition is a Hopf bifurcation. Our findings provide a comprehensive understanding of how delta cells modulate islet Ca2+ dynamics and reveal the intrinsic heterogeneity of islets due to the structural composition of different cell types.

Proliferating cells need to evaluate the environment to determine the optimal timing for cell cycle entry, which is essential for coordinating cell division and growth. In the budding yeast Saccharomyces cerevisiae, the commitment to the next round of division is made in G1 at the Start, triggered by the inactivation of the inhibitor Whi5 through multiple mechanisms. However, how a cell reads environmental condition and uses this information to regulate Start is poorly understood. Here, we show that Whi5 is a key environmental indicator and plays a crucial role in coordinating cell growth and division. We found that under a variety of nutrient and stress conditions, the concentration of Whi5 in G1 is proportional to the doubling time in the environment. Thus, under a poorer condition a longer doubling time results in a higher Whi5 concentration, which in turn delays the next cell cycle entry to ensure sufficient cell growth. In addition, the coordination between division and the environment is further fine-tuned in G1 by environmentally dependent G1 cyclin- Cdk1 contribution and Whi5 threshold at Start. Our results show that Whi5 serves as an environmental "memory" and that the cell adopts a simple and elegant mechanism to achieve an adaptive cellular decision making.

ABSTRACT Inflammaging is a theory of aging which purports that low-level chronic inflammation leads to cellular dysfunction and premature aging of surrounding tissue. Skin is susceptible to inflammaging because it is the first line of defense from the environment, particularly solar radiation. To better understand the impact of aging and photoexposure on epidermal biology we performed a systems biology-based analysis of photoexposed face and arm and photoprotected buttock sites from women between the ages of 20’s to 70’s. Biopsies were analyzed by histology, transcriptomics, and proteomics and skin surface biomarkers collected from tape strips. We identified morphological changes with age of epidermal thinning, rete ridge pathlength loss, and stratum corneum thickening. The SASP biomarkers IL-8 and IL-1RA/IL1-α were consistently elevated in face across age and cis/trans -urocanic acid were elevated in arms and face with age. In older arms, the DNA damage response biomarker 53BP1 showed higher puncti numbers in basal layers and epigenetic aging was accelerated. Genes associated with differentiation and senescence show increasing expression in the 30’s whereas genes associated with hypoxia and glycolysis increase in the 50’s. Proteomics comparing 60’s vs 20’s confirmed elevated levels of differentiation and glycolytic related proteins. Representative immunostaining for proteins of differentiation, senescence, and oxygen sensing/hypoxia shows similar relationships. This systems biology-based analysis provides a body of evidence that young photoexposed skin is undergoing inflammaging. We propose the presence of chronic inflammation in young skin contributes to an imbalance of epidermal homeostasis that leads to a prematurely aged appearance during later life.