To determine the role of reactive oxygen species in mammalian longevity, we generated transgenic mice that overexpress human catalase localized to the peroxisome, the nucleus, or mitochondria (MCAT). Median and maximum life spans were maximally increased (averages of 5 months and 5.5 months, respectively) in MCAT animals. Cardiac pathology and cataract development were delayed, oxidative damage was reduced, H 2 O 2 production and H 2 O 2 -induced aconitase inactivation were attenuated, and the development of mitochondrial deletions was reduced. These results support the free radical theory of aging and reinforce the importance of mitochondria as a source of these radicals.

Metformin is a drug commonly prescribed to treat patients with type 2 diabetes. Here we show that long-term treatment with metformin (0.1% w/w in diet) starting at middle age extends healthspan and lifespan in male mice, while a higher dose (1% w/w) was toxic. Treatment with metformin mimics some of the benefits of calorie restriction, such as improved physical performance, increased insulin sensitivity, and reduced low-density lipoprotein and cholesterol levels without a decrease in caloric intake. At a molecular level, metformin increases AMP-activated protein kinase activity and increases antioxidant protection, resulting in reductions in both oxidative damage accumulation and chronic inflammation. Our results indicate that these actions may contribute to the beneficial effects of metformin on healthspan and lifespan. These findings are in agreement with current epidemiological data and raise the possibility of metformin-based interventions to promote healthy aging.

A small molecule that safely mimics the ability of dietary restriction (DR) to delay age-related diseases in laboratory animals is greatly sought after. We and others have shown that resveratrol mimics effects of DR in lower organisms. In mice, we find that resveratrol induces gene expression patterns in multiple tissues that parallel those induced by DR and every-other-day feeding. Moreover, resveratrol-fed elderly mice show a marked reduction in signs of aging, including reduced albuminuria, decreased inflammation, and apoptosis in the vascular endothelium, increased aortic elasticity, greater motor coordination, reduced cataract formation, and preserved bone mineral density. However, mice fed a standard diet did not live longer when treated with resveratrol beginning at 12 months of age. Our findings indicate that resveratrol treatment has a range of beneficial effects in mice but does not increase the longevity of ad libitum-fed animals when started midlife.

Mice heterozygous for the Sod2 gene ( Sod2 +/− mice) have been used to study the phenotype of life-long reduced Mn-superoxide dismutase (MnSOD) activity. The Sod2 +/− mice have reduced MnSOD activity (∼50%) in all tissues throughout life. The Sod2 +/− mice have increased oxidative damage as demonstrated by significantly elevated levels of 8-oxo-2-deoxyguanosine (8oxodG) in nuclear DNA in all tissues of Sod2 +/− mice studied. The levels of 8oxodG in nuclear DNA increased with age in all tissues of Sod2 +/− and wild-type (WT) mice, and at 26 mo of age, the levels of 8oxodG in nuclear DNA were significantly higher (from 15% in heart to over 60% in liver) in the Sod2 +/− mice compared with WT mice. The level of 8oxodG was also higher in mitochondrial DNA isolated from liver and brain in Sod2 +/− mice compared with WT mice. The increased oxidative damage to DNA in the Sod2 +/− mice is associated with a 100% increase in tumor incidence (the number of mice with tumors) in old Sod2 +/− mice compared with the old WT mice. However, the life spans (mean and maximum survival) of the Sod2 +/− and WT mice were identical. In addition, biomarkers of aging, such as cataract formation, immune response, and formation of glycoxidation products carboxymethyl lysine and pentosidine in skin collagen changed with age to the same extent in both WT and Sod2 +/− mice. Thus life-long reduction of MnSOD activity leads to increased levels of oxidative damage to DNA and increased cancer incidence but does not appear to affect aging.

Selective lodgement or homing of transplanted hemopoietic stem cells in the recipient's bone marrow (BM) is a critical step in the establishment of long-term hemopoiesis after BM transplantation. However, despite its biologic and clinical significance, little is understood about the process of homing. In the present study, we have concentrated on the initial stages of homing and explored the functional role in vivo of some of the adhesion pathways previously found to mediate in vitro adhesion of hemopoietic cells to cultured BM stroma. We have found that homing of murine hemopoietic progenitors of the BM of lethally irradiated recipients at 3 h after transplant was significantly reduced after pretreatment of the donor cells with an antibody to the integrin very late antigen 4 (VLA4). This inhibition of marrow homing was accompanied by an increase in hemopoietic progenitors circulating in the blood and an increased uptake of these progenitors by the spleen. Similar results were obtained by treatment of the recipients with an antibody to vascular cell adhesion molecule 1 (VCAM-1), a ligand for VLA4. Furthermore, we showed that administration of the same antibodies (anti-VLA4 or anti-VCAM-1) to normal animals causes mobilization of hemopoietic progenitors into blood. These data suggest that hemopoietic cell lodgement in the BM is a regulatable process and can be influenced by VLA4/VCAM-1 adhesion pathway. Although additional molecular pathways are not excluded and may be likely, our data establish VCAM-1 as a BM endothelial addressin, analogous to the role that mucosal addressin cell adhesion molecule (MAdCAM) plays in lymphocyte homing. Whether splenic uptake of hemopoietic progenitors is passive or controlled through different mechanisms remains to be clarified. In addition, we provide experimental evidence that homing and mobilization are related phenomena involving, at least partly, similar molecular pathways.

Abstract Background Chloromethyl‐X‐rosamine (CMXRos) and MitoTracker Green (MTG) have proved to be useful dyes with which to measure mitochondrial function. CMXRos is a lipophilic cationic fluorescent dye that is concentrated inside mitochondria by their negative mitochondrial membrane potential (MMP). MTG fluorescence has been used as a measure of mitochondrial mass independent of MMP. The fluorescence ratio of the two dyes is a relative measure of the MMP independent of mitochondrial mass. Because MTG was recently reported to be sensitive to MMP, we have reevaluated the effects of loss of MMP on MTG and CMXRos fluorescence, using both flow cytometry and laser scanning confocal microscopy (LSCM). Methods Using flow cytometry, the relative fluorescence of CMXRos, R123, and MTG was determined in human lymphoblastoid cell lines (LCLs) with or without carbonyl cyanide p ‐trifluoromethoxylphenyl‐hydrazone (FCCP), used to collapse the MMP. LSCM analysis was also used to evaluate the effect of FCCP on MTG and CMXRos fluorescence of mouse cells and viable lenses in culture. The cytotoxicity of the dyes was determined using flow analysis of endogenous NADH fluorescence. The sensitivity of MTG fluorescence to H 2 O 2 was also evaluated using flow cytometry. Results CMXRos fluorescence was dependent on MMP, whereas MTG fluorescence was not affected by MMP, using either flow or LSCM. Specific staining of mitochondria was seen with both dyes in all cell types tested, without evidence of cytotoxicity, as determined by NADH levels. H 2 O 2 damage slightly increased MTG staining of cells. Conclusions Our results indicate that CMXRos is a nontoxic sensitive indicator of relative changes in MMP, whereas MTG is relatively insensitive to MMP and oxidative stress, using both flow and LSCM analyses, provided optimal staining conditions are used. In addition, these dyes can be useful for the study of mitochondrial morphology and function in whole tissues, using LSCM. © 2004 Wiley‐Liss, Inc.

In heavily irradiated mice, bone marrow regeneration of either endogenous or exogenous origin was shown to occur in discrete foci comparable to the more intensively studied spleen colonies. The number of endogenous bone marrow colonies was inversely related to dose of whole body X-irradiation. Endogenous marrow colonies were found after higher doses of irradiation than were endogenous spleen colonies. Most of them were granulocytic in nature. Exogenous bone marrow colonies in lethally irradiated mice injected with bone marrow cells were proportional in number to the dose of cells injected, appeared at a time comparable to spleen colonies like which, at 7 or 8 days, they were of single differentiated cell line, either granuloid or erythroid or megakaryocytic, with a small percentage of "mixed" colonies. Whereas erythroid colonies outnumber granuloid colonies in spleen, either in situ or subcutaneously transplanted (E:G colony ratio of about 3.5), granuloid colonies outnumber erythroid in bone marrow (E:G colony ratio of about 0.7). The characteristic E:G colony ratios of spleen and marrow appear more likely to be the result of a hemopoietic organ stromal influence on pluripotent colony forming units (CFU's) than of selective lodgment of committed (unipotent) granuloid and erythroid CFU's in bone marrow and spleen, respectively, as indicated by the following. Bone marrow stem cells (CFU) which had reseeded the marrow cavity of irradiated primary recipients 18-24 hr earlier, were reharvested and retransplanted intravenously into irradiated secondary hosts. The E:G colony ratio of the colonies formed in the spleen of the secondary hosts was typical of primary spleen colonies (2.8), that of the colonies formed in the marrow cavity was typical of bone marrow colonies (0.6). Pieces of marrow stroma containing reseeded CPU's from the contralateral femur of these same primary recipients were implanted by trocar directly into the spleens of other irradiated secondary recipients. Those CPU's that developed in the intrasplenic-implanted marrow stroma yielded an. E:G colony ratio of 0.1. Those that migrated into the contiguous and remote portions of the spleen gave E:G colony ratios of 2.9 and 2.4, respectively. Irradiated marrow stroma and normal spleen CPU's (a 1 mm cube of spleen) were loaded into the same trocar and implanted directly into the spleens of irradiated mice. The spleen CFU's that migrated into the implanted marrow stroma yielded five granuloid and two mixed colonies. The larger number that developed in the host spleen yielded an E:G colony ratio of 2.9 or higher. Of those 19 mixed colonies that bridged the junction of spleen and implanted marrow stroma in each of the above two experiments, in every case, the erythroid portion of the colony was in the splenic stroma, the granuloid portion was in the marrow stroma.

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.

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.