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.

Summary Chronic caloric restriction (CR) and rapamycin inhibit the mechanistic target of rapamycin ( mTOR ) signaling, thereby regulating metabolism and suppressing protein synthesis. Caloric restriction or rapamycin extends murine lifespan and ameliorates many aging‐associated disorders; however, the beneficial effects of shorter treatment on cardiac aging are not as well understood. Using a recently developed deuterated‐leucine labeling method, we investigated the effect of short‐term (10 weeks) CR or rapamycin on the proteomics turnover and remodeling of the aging mouse heart. Functionally, we observed that short‐term CR and rapamycin both reversed the pre‐existing age‐dependent cardiac hypertrophy and diastolic dysfunction. There was no significant change in the cardiac global proteome (823 proteins) turnover with age, with a median half‐life 9.1 days in the 5‐month‐old hearts and 8.8 days in the 27‐month‐old hearts. However, proteome half‐lives of old hearts significantly increased after short‐term CR (30%) or rapamycin (12%). This was accompanied by attenuation of age‐dependent protein oxidative damage and ubiquitination. Quantitative proteomics and pathway analysis revealed an age‐dependent decreased abundance of proteins involved in mitochondrial function, electron transport chain, citric acid cycle, and fatty acid metabolism as well as increased abundance of proteins involved in glycolysis and oxidative stress response. This age‐dependent cardiac proteome remodeling was significantly reversed by short‐term CR or rapamycin, demonstrating a concordance with the beneficial effect on cardiac physiology. The metabolic shift induced by rapamycin was confirmed by metabolomic analysis.

Declining tissue nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) levels are linked to ageing and its associated diseases. However, the mechanism for this decline is unclear. Here, we show that pro-inflammatory M1-like macrophages, but not naive or M2 macrophages, accumulate in metabolic tissues, including visceral white adipose tissue and liver, during ageing and acute responses to inflammation. These M1-like macrophages express high levels of the NAD-consuming enzyme CD38 and have enhanced CD38-dependent NADase activity, thereby reducing tissue NAD levels. We also find that senescent cells progressively accumulate in visceral white adipose tissue and liver during ageing and that inflammatory cytokines secreted by senescent cells (the senescence-associated secretory phenotype, SASP) induce macrophages to proliferate and express CD38. These results uncover a new causal link among resident tissue macrophages, cellular senescence and tissue NAD decline during ageing and offer novel therapeutic opportunities to maintain NAD levels during ageing. Senescent cells in fat and liver are shown to attract M1-like macrophages with increased expression of the NAD-consuming enzyme CD38, leading to their local accumulation and providing a mechanism for the age-associated decline in tissue NAD+ levels.

Abstract Aging is a complex biological process associated with progressive loss of physiological function and susceptibility to several diseases, such as cancer and neurodegeneration. Exosomes are involved in many cellular signaling pathways, and their cargo may serve as promising disease or aging biomarkers. These membrane-bound extracellular vesicles facilitate the transport of intracellular contents to proximal and distal cells in the body. Here, we investigated two omics approaches for exosome analysis. To overcome the challenges of plasma exosome contamination with abundant soluble plasma proteins, we developed a high-throughput method to isolate highly purified exosomes from human plasma by sequential size-exclusion chromatography and ultrafiltration. First, we used data-dependent acquisitions from offline high-pH reversed-phase fractions of exosome lysate to generate a deep spectral library comprising ∼2,300 exosome proteins. Second, in a pilot aging study, we used comprehensive data-independent acquisitions to compare plasma exosomes from young (20–26 yrs) and old (60–66 yrs) individuals. We quantified 1,318 exosome proteins, and levels of 144 proteins were significantly different in young and old plasma groups (Q<0.05 and >1.5-fold change). We also analyzed exosome miRNA cargo and detected 331 miRNAs. Levels of several were significantly different in young and old individuals. In addition, 88 and 17 miRNAs were unique to old and young individuals, respectively. Plasma exosome biomarkers have great potential for translational studies investigating biomarkers of aging and age-related diseases and to monitor therapeutic aging interventions.

Summary Dietary macronutrient composition alters metabolism through several mechanisms, including post-translational modification (PTM) of proteins. To connect diet and molecular changes, here we performed short- and long-term feeding of mice with standard chow diet (SCD) and high-fat diet (HFD), with or without glucose or fructose supplementation, and quantified liver metabolites, 861 proteins, and 1,815 protein level-corrected mitochondrial acetylation and succinylation sites. Nearly half the acylation sites were altered by at least one diet; nutrient-specific changes in protein acylation sometimes encompass entire pathways. Although acetyl-CoA is an intermediate in both sugar and fat metabolism, acetyl-CoA had a dichotomous fate depending on its source; chronic feeding of dietary sugars induced protein hyperacetylation, whereas the same duration of HFD did not. Instead, HFD resulted in citrate accumulation, anaplerotic metabolism of amino acids, and protein hypo-succinylation. Together, our results demonstrate novel connections between dietary macronutrients, protein post-translational modifications, and regulation of fuel selection in liver. Graphical Abstract Graphical Abstract

ABSTRACT Huntington’s disease (HD) is a neurodegenerative disease caused by a CAG repeat expansion in the Huntingtin ( HTT ) gene. The resulting polyglutamine (polyQ) tract alters the function of the HTT protein. Although HTT is expressed in different tissues, the medium spiny projection neurons (MSNs) in the striatum are particularly vulnerable in HD. Thus, we sought to define the proteome of human HD patient-derived MSNs. We differentiated HD72 induced pluripotent stem cells and isogenic controls into MSNs and carried out quantitative proteomic analysis by two approaches. First, using data-dependent acquisitions with FAIMS (FAIMS-DDA) for label-free quantification on the Orbitrap Lumos mass spectrometer, we identified 6,323 proteins with at least two unique peptides (FDR ≤ 0.01). Of these, 901 proteins were significantly altered in the HD72-MSNs, compared to isogenic controls. Second, we quantitatively validated protein candidates by comprehensive data-independent acquisitions on a TripleTOF 6600 mass spectrometer quantifying 3,106 proteins with at least two unique peptides. Functional enrichment analysis identified pathways related to the extracellular matrix, including TGF-ý regulation of extracellular matrix, epithelial-mesenchymal transition, DNA replication, senescence, cardiovascular system, organism development, regulation of cell migration and locomotion, aminoglycan glycosaminoglycan proteoglycan, growth factor stimulus and fatty acid processes. Conversely, processes associated with the downregulated proteins included neurogenesis-axogenesis, the brain-derived neurotrophic factor-signaling pathway, Ephrin-A: EphA pathway, regulation of synaptic plasticity, triglyceride homeostasis cholesterol, plasmid lipoprotein particle immune response, interferon-γ signaling, immune system major histocompatibility complex, lipid metabolism and cellular response to stimulus. Moreover, proteins involved in the formation and maintenance of axons, dendrites, and synapses (e.g., Septin protein members) are dysregulated in HD72-MSNs. Importantly, lipid metabolism pathways were altered, and we found that lipid droplets accumulated in the HD72-MSNs, suggesting a deficit in lipophagy. Our proteomics analysis of HD72-MSNs identified relevant pathways that are altered in MSNs and confirm current and new therapeutic targets for HD.

Abstract Early events associated with chronic inflammation and cancer involve significant remodeling of the extracellular matrix (ECM), which greatly affects its composition and functional properties. Using lung squamous cell carcinoma (LSCC), a chronic inflammation-associated cancer (CIAC), we optimized a robust proteomic pipeline to discover potential biomarker signatures and protein changes specifically in the stroma. We combined ECM enrichment from fresh human tissues, data-independent acquisition strategies, and stringent statistical processing to analyze ‘Tumor’ and matched adjacent histologically normal (‘Matched Normal’) tissues from patients with LSCC. Overall, 1,802 protein groups were quantified with at least two unique peptides, and 56% of those proteins were annotated as ‘extracellular’. Confirming dramatic ECM remodeling during CIAC progression, 529 proteins were significantly altered in the ‘Tumor’ compared to ‘Matched Normal’ tissues. The signature was typified by a coordinated loss of basement membrane proteins and small leucine-rich proteins. The dramatic increase in the stromal levels of SERPINH1/heat shock protein 47, that was discovered using our ECM proteomic pipeline, was validated by immunohistochemistry (IHC) of ‘Tumor’ and ‘Matched Normal’ tissues, obtained from an independent cohort of LSCC patients. This integrated workflow provided novel insights into ECM remodeling during CIAC progression, and identified potential biomarker signatures and future therapeutic targets. Statement of significance of the study The extracellular matrix (ECM) is a complex scaffolding network composed of glycoproteins, proteoglycans and collagens, which binds soluble factors and, most importantly, significantly impacts cell fate and function. Alterations of ECM homeostasis create a microenvironment promoting tumor formation and progression, therefore deciphering molecular details of aberrant ECM remodeling is essential. Here, we present a multi-laboratory and refined proteomic workflow, featuring i) the prospective collection of tumor and matched histologically normal tissues from patients with lung squamous cell carcinoma, ii) the enrichment for ECM proteins, and iii) subsequent label-free data-independent acquisition (DIA)-based quantification. DIA is a powerful strategy to comprehensively profile and quantify all detectable precursor ions contained in the biological samples, with high quantification accuracy and reproducibility. When combined with very stringent statistical cutoffs, this unbiased strategy succeeded in capturing robust and highly confident proteins changes associated with cancer, despite biological variability between individuals. This label-free quantification workflow provided the flexibility required for ongoing prospective studies. Discussions with clinicians, surgeons, pathologists, and cancer biologists represent an opportunity to interrogate the DIA digitalized maps of the samples for newly formulated questions and hypotheses, thus gaining insights into the continuum of the disease and opening the path to novel ECM-targeted therapies.

Abstract Cystinuria is one of various disorders that cause biomineralization in the urinary system, including bladder stone formation in humans. It is most prevalent in children and adolescents and more aggressive in males. There is no cure, and only limited disease management techniques help to solubilize the stones. Recurrence, even after treatment, occurs frequently. Other than a buildup of cystine, little is known about factors involved in the formation, expansion, and recurrence of these stones. This study sought to define the growth of bladder stones, guided by micro-computed tomography imaging, and to profile dynamic stone proteome changes in a cystinuria mouse model. After bladder stones developed in vivo , they were harvested and separated into four developmental stages (sand, small, medium and large stone), based on their size. Data-dependent and data-independent acquisitions allowed deep profiling of stone proteomics. The proteomic signatures and pathways illustrated major changes as the stones grew. Stones initiate from a small nidus, grow outward, and show major enrichment in ribosomal proteins and factors related to coagulation and platelet degranulation, suggesting a major dysregulation in specific pathways that can be targeted for new therapeutic options.

Diastolic dysfunction is a prominent feature of cardiac aging in both mice and humans. We show here that 8-week treatment of old mice with the mitochondrial targeted peptide SS-31 (elamipretide) can substantially reverse this deficit. SS-31 normalized the increase in proton leak and reduced mitochondrial ROS in cardiomyocytes from old mice, accompanied by reduced protein oxidation and a shift towards a more reduced protein thiol redox state in old hearts. Improved diastolic function was concordant with increased phosphorylation of cMyBP-C Ser282 but was independent of titin isoform shift. Late-life viral expression of mitochondrial-targeted catalase (mCAT) produced similar functional benefits in old mice and SS-31 did not improve cardiac function of old mCAT mice, implicating normalizing mitochondrial oxidative stress as an overlapping mechanism. These results demonstrate that pre-existing cardiac aging phenotypes can be reversed by targeting mitochondrial dysfunction and implicate mitochondrial energetics and redox signaling as therapeutic targets for cardiac aging.

Abstract Proteoforms containing post-translational modifications (PTMs) represent a degree of functional diversity only harnessed through analytically precise simultaneous quantification of multiple PTMs. Here we present a method to accurately differentiate an unmodified peptide from its PTM-containing counterpart through data-independent acquisition-mass spectrometry, leveraging small precursor mass windows to physically separate modified peptidoforms from each other during MS2 acquisition. We utilize a lysine and arginine PTM-enriched peptide assay library and site localization algorithm to simultaneously localize and quantify seven PTMs including mono-, di-, and tri-methylation, acetylation, and succinylation in addition to total protein quantification in a single MS run without the need to enrich experimental samples. To evaluate biological relevance, this method was applied to liver lysate from differentially methylated non-alcoholic steatohepatitis (NASH) mouse models. We report altered methylation and acetylation together with total protein changes drive the novel hypothesis of a regulatory function of PTMs in protein synthesis and mRNA stability in NASH. Graphical Abstract