Abstract Inhibition of the master growth regulator mTORC1 (mechanistic target of rapamycin complex 1) slows ageing across phyla, in part by reducing protein synthesis. Various stresses globally suppress protein synthesis through the integrated stress response (ISR), resulting in preferential translation of the transcription factor ATF-4. Here we show in C. elegans that inhibition of translation or mTORC1 increases ATF-4 expression, and that ATF-4 mediates longevity under these conditions independently of ISR signalling. ATF-4 promotes longevity by activating canonical anti-ageing mechanisms, but also by elevating expression of the transsulfuration enzyme CTH-2 to increase hydrogen sulfide (H 2 S) production. This H 2 S boost increases protein persulfidation, a protective modification of redox-reactive cysteines. The ATF-4/CTH-2/H 2 S pathway also mediates longevity and increased stress resistance from mTORC1 suppression. Increasing H 2 S levels, or enhancing mechanisms that H 2 S influences through persulfidation, may represent promising strategies for mobilising therapeutic benefits of the ISR, translation suppression, or mTORC1 inhibition.

Abstract The Structural Maintenance of Chromosomes (SMC) complexes, cohesin and condensins, are named for their roles in separating and compacting chromosomes during meiosis and mitosis. Recent data from mammalian cells have revealed additional functions for cohesin, including folding the interphase genome into loops and domains. However, it remains unclear what determines genome folding in holocentric species. To address this question, we systematically and acutely inactivated each SMC complex. Surprisingly, we found that, in contrast to mammals, condensin I is the major long-range genome loop extruder, while cohesin only creates small loops. Specifically, loss of condensin I led to genome-wide decompaction, chromosome mixing, and the disappearance of topologically associating domain (TAD) structures, while reinforcing fine-scale epigenomic compartments. Strikingly, inactivating condensin I and its X-specific variant condensin I DC from the X chromosomes revealed the existence of a third compartment that groups together a subset of previously characterized loading sites for condensin I DC and binding sites for the X-targeting complex SDC. Although the inactivation of cohesin, condensin II, and condensin I/I DC led to minor transcriptional changes for all autosomes, removing condensin I/I DC from the X chromosome resulted in the up-regulation of X-linked genes. In conclusion, our findings describe a novel function for C. elegans condensin I/I DC in organizing holocentric interphase chromosomes, which substitutes for the role played by cohesin in mammals.

ABSTRACT Systems biology approaches often use inferred networks of gene expression and metabolite data to identify regulatory factors and pathways connected with phenotypic variance. Generally, study-specific multi-layer “Omics” datasets are used to contextualize generic molecular networks. In this regard separating upstream causal mechanisms, downstream biomarkers, and incidental correlations remains a significant challenge, yet it is essential for designing mechanistic experiments. To address this, we designed a study following a population of 2157 individuals from 89 isogenic BXD mouse strains across their lifespan to identify molecular interactions among genotype, environment, age (GxExA) and metabolic fitness. Each strain was separated into two cohorts, one fed low fat (6% cal/fat) and the other high fat (60% cal/fat) diets. Tissues were collected for 662 individuals (309 cohorts) diverging across age (7, 12, 18, and 24 months), diet, sex, and strain. Transcriptome, proteome, and metabolome data were generated for liver. Of these we identified linear relations among these molecular data with lifespan for the same genomes of mice (Roy et al. 2020), and we defined ∼1100 novel protein-coding genes associated with longevity. We knocked down the ortholog of Ctsd in C. elegans . The treatment reduced longevity both in wildtype and in mutant long-lived strains, thus validating the prediction. Next, to assess the molecular impact of GxExA on gene expression, the multi-omics data was parsed into metabolic networks where connectivity varied due to the independent variables. Differences in edge strengths connecting nodes in these molecular networks according to each variable enabled causal inference by using stability selection, with roughly 21% of novel gene–pathway connections being causally affected by diet and/or age. For instance, Chchd2 is activated by aging and drives changes in the proteasome, oxidative phosphorylation, and mitochondrial translation transcriptional networks. Together, we have developed a large multi-omics resource for studying aging in the liver, and a resource for turning standard associations into causal networks.

Abstract Although it is postulated that dysfunctional extracellular matrices (ECM) drive aging and disease, how ECM integrity assures longevity is unknown. Here, using proteomics and in-vivo monitoring of fluorescently tagged ECM proteins, we systematically examined the ECM composition during Caenorhabditis elegans aging revealing three distinct collagen dynamics. We show that age-dependent stiffening of inert collagen was slowed by longevity interventions through prolonged replenishing of collagens. In genetic and automated lifespan screens for the regulators that drive this remodeling, we identify hemidesmosome-containing structures that span from the exoskeletal ECM through the hypodermis, basement membrane ECM, to the muscles, coupling mechanical forces to adjust ECM gene expression across tissues. The hemidesmosome tension-induced adaptation is mediated via transcriptional co-activator YAP. Our data reveal a novel mechanism of mechano-coupling and synchronizing of two functionally distinct and spatially distant ECMs that is indispensable for longevity. Thus, besides signaling molecules, mechanotransduction-coordinated ECM remodeling systemically promotes healthy aging. Graphical Abstract Highlights Proteomics, genetics screen, and automated lifespan assays of >55’000 animals all point to hemidesmosome-containing structures for the mechano-regulation of ECM homeostasis and longevity Coupling of biomechanical properties of two ECMs with underlying cellular signaling Transcriptional co-activator YAP-1 is required for longevity and pressure-induced collagen homeostasis

Abstract Transcriptomic signatures based on cellular mRNA expression profiles can be used to categorize cell types and states. Yet whether different functional groups of genes perform better or worse in this process remains largely unexplored. Here we test the core matrisome - that is, all genes coding for structural proteins of the extracellular matrix - for its ability to delineate distinct cell types in embryonic single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) data. We show that even though expressed core matrisome genes correspond to less than 2% of an entire cellular transcriptome, their RNA expression levels suffice to recapitulate important aspects of cell type-specific clustering. Notably, using scRNA-seq data from the embryonic limb, we demonstrate that core matrisome gene expression outperforms random gene subsets of similar sizes and can match and exceed the predictive power of transcription factors. While transcription factor signatures generally perform better in predicting cell types at early stages of chicken and mouse limb development, i.e., when cells are less differentiated, the information content of the core matrisome signature increases in more differentiated cells. Our findings suggest that each cell type produces its own unique extracellular matrix, or matreotype, which becomes progressively more refined and cell type-specific as embryonic tissues mature. Highlights Cell types produce unique extracellular matrix compositions Dynamic extracellular matrix gene expression profiles hold predictive power for cell type and cell state identification

Summary Human centenarians and longevity mutants of model organisms show lower incidence rates of late-life morbidities than the average population. However, whether longevity is caused by a compression of the portion of life spent in a state of morbidity, i . e ., “sickspan,” is highly debated even in isogenic C. elegans . Here, we developed a microfluidic device that employs acoustophoretic force fields to quantify the maximum muscle strength and dynamic power in aging C. elegans . Together with different biomarkers for healthspan, we found a stochastic onset of morbidity, starting with a decline in dynamic muscle power and structural integrity, culminating in frailty. Surprisingly, we did not observe a compression of sickspan in longevity mutants but instead observed a temporal scaling of healthspan. Given the conservation of these longevity interventions, this raises the question of whether the healthspan of mammalian longevity interventions is also temporally scaled.

Abstract Preferably, lifespan-extending therapies should work when applied late in life without causing undesired pathologies. However, identifying lifespan-extending interventions that are effective late in life and which avoid undesired secondary pathologies remains elusive. Reducing Insulin/IGF-1 signaling (IIS) increases lifespan across species, but the effects of reduced IIS interventions in extreme geriatric ages remains unknown. Using the nematode C. elegans , we engineered the conditional depletion of the DAF-2/insulin/IGF-1 transmembrane receptor using an auxin-inducible degradation (AID) system that allows for the temporal and spatial reduction in DAF-2 protein levels at time points after which interventions such as RNAi may lose efficacy. Using this system, we found that AID-mediated depletion of DAF-2 protein efficiently extends animal lifespan. Depletion of DAF-2 during early adulthood resulted in multiple adverse phenotypes, including growth retardation, germline shrinkage, egg-retention, and reducing offspring. By contrast, however, AID-mediated depletion of DAF-2 specifically in the intestine resulted in an extension of lifespan without these deleterious effects. Importantly, AID-mediated depletion of DAF-2 protein in animals past their median lifespan allowed for an extension of lifespan without affecting growth or behavioral capacity. Thus, both late-in-life targeting and tissue-specific targeting of IIS minimize the deleterious effects typically seen with interventions that reduced IIS, suggesting potential therapeutic methods by which longevity and healthspan can be increased in even geriatric populations.

Abstract Collagen has been postulated to be the most abundant protein in our body, making up one-third of the total protein content in mammals. However, to the best of our knowledge, a direct assessment of the total collagen levels of an entire mammal to confirm this estimate is missing. Here we measured hydroxyproline levels as a proxy for collagen content together with total protein levels of entire mice or of individual tissues. Collagen content normalized to the total protein is approximately 0.1% in the brain and liver, 1% in the heart and kidney, 4% in the muscle and lung, 6% in the colon, 20-40% in the skin, 25-35% in bones, and 40-50% in tendons of wild-type (CD1 and CB57BL/6) mice, consistent with previous reports. Mice consist of 37 mg of collagen and 265 mg of protein per g of body weight. To our surprise, we find that collagen is approximately 12% in females and 17% in males of the total protein content of entire wild-type (CD1 and CB57BL/6) mice. High-Performance Liquid Chromatography approaches confirmed a 10-12% collagen over total protein estimates for female mice. Collagen staining methods and extracellular matrix-enriched proteomics estimated 5-6% of collagens over the total protein extracted. Although collagen type I is the most abundant collagen, the most abundant proteins are albumin, hemoglobulin, histones, actin, serpina, and then collagen type I. Analyzing amino acid compositions of mice revealed glycine as the most abundant amino acid. Thus, we provide reference points for collagen, matrisome, protein, and amino acid composition of healthy wild-type mice that are important for tissue and biomaterial engineering and for the comparison of these factors in various disease models.

Abstract The amyloid-beta (Aβ) plaques found in Alzheimer’s disease (AD) patients’ brains contain collagens and are embedded extracellularly. Several collagens have been proposed to influence Aβ aggregate formation, yet their role in clearance is unknown. To investigate the potential role of collagens in forming and clearance extracellular aggregates in vivo , we created a transgenic Caenorhabditis elegans strain that expresses and secretes human Aβ 1-42 . This secreted Aβ forms aggregates in two distinct places within the extracellular matrix. In a screen for extracellular human Aβ aggregation regulators, we identified different collagens to ameliorate or potentiate Aβ aggregation. We show that a disintegrin and metalloprotease ADM-2, an orthologue of ADAM9, reduces the load of extracellular Aβ aggregates. ADM-2 is required and sufficient to remove the extracellular Aβ aggregates. Thus, we provide in-vivo evidence of collagens essential for aggregate formation and metalloprotease participating in extracellular Aβ aggregate removal. Highlights Extracellular aggregates of amyloid beta are a hallmark of Alzheimer’s disease. Here we developed a novel C. elegans transgenic line that secretes human amyloid beta, which forms aggregates in the extracellular matrix (ECM). We show that ECM dynamics can disturb aggregation and that ADM-2, an ortholog of Human ADAM9, is involved in removing these extracellular aggregates.