It has been difficult to establish whether we are limited to the heart muscle cells we are born with or if cardiomyocytes are generated also later in life. We have taken advantage of the integration of carbon-14, generated by nuclear bomb tests during the Cold War, into DNA to establish the age of cardiomyocytes in humans. We report that cardiomyocytes renew, with a gradual decrease from 1% turning over annually at the age of 25 to 0.45% at the age of 75. Fewer than 50% of cardiomyocytes are exchanged during a normal life span. The capacity to generate cardiomyocytes in the adult human heart suggests that it may be rational to work toward the development of therapeutic strategies aimed at stimulating this process in cardiac pathologies.

Summary

 The contribution of cell generation to physiological heart growth and maintenance in humans has been difficult to establish and has remained controversial. We report that the full complement of cardiomyocytes is established perinataly and remains stable over the human lifespan, whereas the numbers of both endothelial and mesenchymal cells increase substantially from birth to early adulthood. Analysis of the integration of nuclear bomb test-derived ¹⁴C revealed a high turnover rate of endothelial cells throughout life (>15% per year) and more limited renewal of mesenchymal cells (<4% per year in adulthood). Cardiomyocyte exchange is highest in early childhood and decreases gradually throughout life to <1% per year in adulthood, with similar turnover rates in the major subdivisions of the myocardium. We provide an integrated model of cell generation and turnover in the human heart. 

Video Abstract

In most mammals, neurons are added throughout life in the hippocampus and olfactory bulb. One area where neuroblasts that give rise to adult-born neurons are generated is the lateral ventricle wall of the brain. We show, using histological and carbon-14 dating approaches, that in adult humans new neurons integrate in the striatum, which is adjacent to this neurogenic niche. The neuronal turnover in the striatum appears restricted to interneurons, and postnatally generated striatal neurons are preferentially depleted in patients with Huntington’s disease. Our findings demonstrate a unique pattern of neurogenesis in the adult human brain.

The myelination of axons by oligodendrocytes has been suggested to be modulated by experience, which could mediate neural plasticity by optimizing the performance of the circuitry. We have assessed the dynamics of oligodendrocyte generation and myelination in the human brain. The number of oligodendrocytes in the corpus callosum is established in childhood and remains stable after that. Analysis of the integration of nuclear bomb test-derived 14C revealed that myelin is exchanged at a high rate, whereas the oligodendrocyte population in white matter is remarkably stable in humans, with an annual exchange of 1/300 oligodendrocytes. We conclude that oligodendrocyte turnover contributes minimally to myelin modulation in human white matter and that this instead may be carried out by mature oligodendrocytes, which may facilitate rapid neural plasticity.

The hematopoietic system seeds the CNS with microglial progenitor cells during the fetal period, but the subsequent cell generation dynamics and maintenance of this population have been poorly understood. We report that microglia, unlike most other hematopoietic lineages, renew slowly at a median rate of 28% per year, and some microglia last for more than two decades. Furthermore, we find no evidence for the existence of a substantial population of quiescent long-lived cells, meaning that the microglia population in the human brain is sustained by continuous slow turnover throughout adult life.

Summary

 Continuous turnover of neurons in the olfactory bulb is implicated in several key aspects of olfaction. There is a dramatic decline postnatally in the number of migratory neuroblasts en route to the olfactory bulb in humans, and it has been unclear to what extent the small number of neuroblasts at later stages contributes new neurons to the olfactory bulb. We have assessed the age of olfactory bulb neurons in humans by measuring the levels of nuclear bomb test-derived ¹⁴C in genomic DNA. We report that ¹⁴C concentrations correspond to the atmospheric levels at the time of birth of the individuals, establishing that there is very limited, if any, postnatal neurogenesis in the human olfactory bulb. This identifies a fundamental difference in the plasticity of the human brain compared to other mammals.

Summary Physiological liver cell replacement is central to maintaining the organ’s high metabolic activity, although its characteristics are difficult to study in humans. Using retrospective 14 C birth dating of cells, we report that human hepatocytes show continuous and lifelong turnover, maintaining the liver a young organ (average age < 3 years). Hepatocyte renewal is highly dependent on the ploidy level. Diploid hepatocytes show an seven-fold higher annual exchange rate than polyploid hepatocytes. These observations support the view that physiological liver cell renewal in humans is mainly dependent on diploid hepatocytes, whereas polyploid cells are compromised in their ability to divide. Moreover, cellular transitions between these two subpopulations are limited, with minimal contribution to the respective other ploidy class under homeostatic conditions. With these findings, we present a new integrated model of homeostatic liver cell generation in humans that provides fundamental insights into liver cell turnover dynamics.

BACKGROUND: Cardiomyocytes in the adult human heart show a regenerative capacity, with an annual renewal rate of ≈0.5%. Whether this regenerative capacity of human cardiomyocytes is employed in heart failure has been controversial. METHODS: We determined cardiomyocyte renewal in 52 patients with advanced heart failure, 28 of whom received left ventricular assist device support. We measured the concentration of nuclear bomb test–derived 14 C in cardiomyocyte genomic DNA and performed mathematical modeling to establish cardiomyocyte renewal in heart failure with and without LVAD unloading. RESULTS: We show that cardiomyocyte generation is minimal in end-stage heart failure patients at rates 18 to 50× lower compared with the healthy heart. However, patients receiving left ventricle support device therapy, who showed significant functional and structural cardiac improvement, had a >6-fold increase in cardiomyocyte renewal relative to the healthy heart. CONCLUSIONS: Our findings reveal a substantial cardiomyocyte regeneration potential in human heart disease, which could be exploited therapeutically.

Abstract Age is an independent risk factor for adverse outcome in patients following COVID-19 infection. We hypothesised that differential expression of genes encoding proteins proposed to be required for entry of SARS-Cov-2 in aged compared to younger cardiomyocytes might contribute to the susceptibility of older individuals to COVID-19-associated cardiovascular complications. We generated strand-specific RNA-sequencing libraries from RNA isolated from flow-sorted cardiomyocyte nuclei from left ventricular tissue. RNASeq data were compared between five young (19-25yr) and five older (63-78yr) Caucasian males who had not been on medication or exhibited evidence of cardiovascular disease post-mortem. Expression of relevant genes encoding ACE2, TMPRSS2, TMPRS11D, TMPRS11E, FURIN, CTSL, CTSB and B 0 AT1/SLC6A19 were upregulated in aged cardiomyocytes and the combined relative cardiomyocyte expression of these genes correlated positively with age. Genes encoding proteins in the RAAS and interferon/interleukin pathways were also upregulated such as ACE, AGTR1, MAS1 and IL6R . Our results highlight SARS-CoV-2 related genes that have higher expression in aged compared with young adult cardiomyocytes. These data may inform studies using selective enzyme inhibitors/antagonists, available as experimental compounds or clinically approved drugs e.g. remdesivir that has recently been rapidly accepted for compassionate use, to further understand the contribution of these pathways in human cardiomyocytes to disease outcome in COVID-19 patients.

Abstract Heart failure is a leading cause of death that develops subsequent to deleterious hypertrophic cardiac remodelling. MAPK pathways play a key role in coordinating the induction of gene expression during hypertrophy. Induction of the immediate early gene (IEG) response is a necessary and early event in this process. How MAPK and IEG expression are coupled during cardiac hypertrophy is not yet resolved. Here, in vitro, in rodent models and in human samples, we demonstrate that MAPK-stimulated IEG induction depends on the Mitogen and Stress activated protein Kinase (MSK) and its phosphorylation of histone H3 at serine 28 (pH3S28). pH3S28 in IEG promoters in turn recruits Brg1, a BAF60 ATP-dependent chromatin remodelling complex component, initiating gene expression. Without MSK activity and IEG induction, the hypertrophic response is suppressed. These studies provide new mechanistic insights and highlight the role of signalling to the epigenome in gene expression regulation during cardiac hypertrophy. Brief summary one sentence MSK1/2 phosphorylation of Histone 3 Serine 28 couples MAPK signalling with chromatin remodelling and immediate early gene expression to induce pro-hypertrophic cardiac transcriptional responses.