SUMMARY The induction of cellular reprogramming by forced expression of the transcription factors OCT4, SOX2, KLF4, and C-MYC (OSKM) has been shown to allow the dedifferentiation of somatic cells and ameliorate age-associated phenotypes in multiple tissues and organs. Yet to date, the benefits of in vivo reprogramming are limited by the occurrence of detrimental side-effects. Here, using complementary genetic approaches, we demonstrated that continuous in vivo induction of the reprogramming factors leads to hepatic and intestinal dysfunction resulting in decreased body weight and premature death. By generating a novel transgenic reprogrammable mouse strain, which avoids OSKM expression in both liver and intestine, we drastically reduced the early lethality and adverse effects associated with in vivo reprogramming. This new reprogramming mouse allows safe and long-term continuous induction of OSKM and might enable a better understanding of in vivo reprogramming as well as maximize its potential effects on rejuvenation and regeneration.

ABSTRACT Over the last decades, several premature aging mouse models have been developed to study aging and identify interventions that can delay age-related diseases. Yet, it is still unclear whether these models truly recapitulate natural aging. Here, we analyzed DNA methylation in multiple tissues of four previously reported mouse models of premature aging (ERCC1, LAKI, POLG and XPG). We estimated DNA methylation (DNAm) age of these samples using the Horvath clock. The most pronounced increase in DNAm age could be observed in ERCC1 mice, a strain which exhibits a deficit in DNA nucleotide excision repair. In line with these results, we detected an increase in epigenetic age in fibroblasts isolated from patients with progeroid syndromes associated with mutations in DNA excision repair genes. These findings highlight ERCC1 as a particularly attractive mouse model to study aging in mammals and suggest a strong connection between DNA damage and epigenetic dysregulation during aging.

ABSTRACT Schizophrenia (SCZ) is caused by a complex interplay of polygenic risk and environmental factors, which might alter regulators of gene expression leading to pathogenic mis-expression of SCZ risk genes. The RNA binding protein family CPEB (CPEB1, CPEB2, CPEB3, CPEB4) regulates the translation of target RNAs bearing CPE sequences in their 3’UTR (approximately 40% of overall genes). We previously identified CPEB4 as a key dysregulated translational regulator in autism spectrum disorder (ASD), proving that its neuronal-specific microexon (exon 4) is mis-spliced in brains of ASD probands, leading to concerted underexpression of a plethora of high confidence ASD-risk genes. The genetic and pathogenic mechanisms shared between SCZ and ASD make it plausible that mis-splicing of CPEB4 might occur also in SCZ patients, leading to downstream altered brain expression of multiple SCZ-related genes. In this study, we first analyzed Psychiatric Genomics Consortium GWAS data and found significant enrichment of SCZ-associated genes for CPEB4-binder transcripts. We also found decreased inclusion of CPEB4 microexon in postmortem prefrontal cortex of SCZ probands. This mis-splicing is associated with decreased protein levels of SCZ-associated genes that are targets of CPEB4. Interestingly, this happens specifically in individuals with low exposure to antipsychotic medication. Finally, we show that mild overexpression of a CPEB4 transcript lacking exon 4 (CPEB4Δ4) in mice suffices to induce decreased protein levels of SCZ genes targeted by CPEB4; these mice are also characterized by SCZ-linked behaviors. In summary, this study identifies aberrant CPEB4 splicing and downstream mis-expression of SCZ-risk genes as a novel etiological mechanism in SCZ.

Summary In vivo reprogramming through the forced expression of Oct4, Sox2, Klf4, and c-Myc (OSKM) has demonstrated great potential for reversing age-associated phenotypes, as the combination of these transcription factors actively promote cell regeneration and rejuvenation in various tissues and organs. However, continuous in vivo OSKM expression raised safety concerns due to loss of cell identity, decrease in body weight, and premature death. Although cyclic short-term or targeted expression of the reprogramming factors can mitigate some of these detrimental effects in mice, systemic rejuvenation of wild type mice has remained elusive potentially due to these current technical limitations. To improve the fundamental understanding of in vivo reprogramming, we conducted a comparative analysis across multiple reprogrammable mouse strains, tissues, and expression methods, presenting a comprehensive atlas of formerly established strains. In addition, we developed novel reprogrammable mouse strains by avoiding OSKM expression in specific organs, in dividing cells, or implementing chimeric expression approaches within specific cells, thereby offering safer strategies to induce in vivo reprogramming and fully harness its potential. We hope that these new tools will become valuable resources for future research in this very exciting field of research with potential implications to human health.

Autism spectrum disorders are early onset neurodevelopmental disorders characterized by deficits in social communication and restricted repetitive behaviors, yet they are quite heterogeneous in terms of their genetic basis and phenotypic manifestations. Recently, de novo pathogenic mutations in DYRK1A, a chromosome 21 gene associated to neuropathological traits of Down syndrome, have been identified in patients presenting a recognizable syndrome included in the autism spectrum. These mutations produce DYRK1A kinases with partial or complete absence of the catalytic domain, or they represent missense mutations located within this domain. Here, we undertook an extensive biochemical characterization of the DYRK1A missense mutations reported to date and show that most of them, but not all, result in enzymatically dead DYRK1A proteins. We also show that haploinsufficient Dyrk1a+/- mutant mice mirror the neurological traits associated with the human pathology, such as defective social interactions, stereotypic behaviors and epileptic activity. These mutant mice present altered proportions of excitatory and inhibitory neocortical neurons and synapses. Moreover, we provide evidence that alterations in the production of cortical excitatory neurons are contributing to these defects. Indeed, by the end of the neurogenic period, the expression of developmental regulated genes involved in neuron differentiation and/or activity is altered. Therefore, our data indicate that altered neocortical neurogenesis could critically affect the formation of cortical circuits, thereby contributing to the neuropathological changes in DYRK1A haploinsufficiency syndrome.

Abstract Age-associated neurodegenerative disorders represent significant challenges due to progressive neuronal decline and limited treatments. In aged mice, partial reprogramming, characterized by pulsed expression of reprogramming factors, has shown promise in improving function in various tissues, but its impact on the aging brain remains poorly understood. Here we investigated the impact of in vivo partial reprogramming on mature neurons in the dentate gyrus of young and aged mice. Using two different approaches – a neuron-specific transgenic reprogrammable mouse model and neuron-specific targeted lentiviral delivery of OSKM reprogramming factors – we demonstrated that in vivo partial reprogramming of mature neurons in the dentate gyrus, a neurogenic niche in the adult mouse brain, can influence animal behavior, and ameliorate age-related decline in memory and learning. These findings underscore the potential of in vivo partial reprogramming as an important therapeutic intervention to rejuvenate the neurogenic niche and ameliorate cognitive decline associated with aging or neurodegeneration.

Aging is the major risk factor for most human diseases and represents a major socio-economical challenge for modern societies. Despite its importance, the process of aging remains poorly understood. Epigenetic dysregulation has been proposed as a key driver of the aging process. Modifications in transcriptional networks and chromatin structure might be central to age-related functional decline. A prevalent feature described during aging is the overall reduction in heterochromatin, specifically marked by the loss of repressive histone modification, Histone 3 lysine 9 trimethylation (H3K9me3). However, the role of H3K9me3 in aging, especially in mammals, remains unclear. Here we show using a novel mouse strain (TKOc), carrying a triple knockout of three methyltransferases responsible for H3K9me3 deposition, that the inducible loss of H3K9me3 in adulthood results in premature aging. TKOc mice exhibit reduced lifespan, lower body weight, increased frailty index, multi-organ degeneration, transcriptional changes with significant upregulation of transposable elements, and accelerated epigenetic age. Our data strongly supports the concept that the loss of epigenetic information directly drives the aging process. These findings reveal the importance of epigenetic regulation in aging and suggest that interventions targeting epigenetic modifications could potentially slow down or reverse age-related decline. Understanding the molecular mechanisms underlying the process of aging will be crucial for developing novel therapeutic strategies that can delay the onset of age-associated diseases and preserve human health at old age specially in rapidly aging societies.

Abstract Objective Pharmacoresistance and the lack of disease-modifying actions of current anti-seizure drugs persist as major challenges in the treatment of epilepsy. Experimental models of chemoconvulsant-induced status epilepticus remain the models of choice to discover potential anti-epileptogenic drugs but doubts remain as to the extent to which they model human pathophysiology. The aim of the present study was to compare the molecular landscape of the intraamygdala kainic acid model of status epilepticus in mice with findings in resected brain tissue from patients with drug-resistant temporal lobe epilepsy (TLE). Methods Status epilepticus was induced via intraamygdala microinjection of kainic acid in C57BL/6 mice and gene expression analysed via microarrays in hippocampal tissue at acute and chronic time-points. Results were compared to reference datasets in the intraperitoneal pilocarpine and intrahippocampal kainic acid model and to human resected brain tissue (hippocampus and cortex) from patients with drug-resistant TLE. Results Intraamygdala kainic acid injection in mice triggered extensive dysregulation of gene expression which was ∼3-fold greater shortly after status epilepticus (2729 genes) when compared to epilepsy (412). Comparison to samples of patients with TLE revealed a particular high correlation of gene dysregulation during established epilepsy. Pathway analysis found suppression of calcium signalling to be highly conserved across different models of epilepsy and patients. CREB was predicted as one of the main up-stream transcription factors regulating gene expression during acute and chronic phases and inhibition of CREB reduced seizure severity in the intraamygdala kainic acid model. Significance Our findings suggest the intraamygdala kainic acid model faithfully replicates key molecular features of human drug-resistant temporal lobe epilepsy and provides potential rationale target approaches for disease-modification through new insights into the unique and shared gene expression landscape in experimental epilepsy. Key point box More genes show expression changes shortly following intraamygdala kainic acid-induced status epilepticus when compared to established epilepsy. The intraamygdala kainic acid mouse model mimics closely the gene expression landscape in the brain of patients with temporal lobe epilepsy. Supressed calcium signalling in the brain as common feature across experimental models of epilepsy and patients with temporal lobe epilepsy. CREB is a major up-stream transcription factor during early changes following status epilepticus and once epilepsy is established.

Abstract Unlike aged somatic cells, which exhibit a decline in molecular fidelity and eventually reach a state of replicative senescence, pluripotent stem cells can indefinitely replenish themselves while retaining full homeostatic capacity. The conferment of beneficial-pluripotency related traits via in vivo partial cellular reprogramming (IVPR) significantly extends lifespan and restores aging phenotypes in mouse models. Although the phases of cellular reprogramming are well characterized, details of the rejuvenation processes are poorly defined. To understand whether epigenetic reprogramming can ameliorate DNA damage, we created reprogrammable accelerated aging mouse model with an ERCC1 mutation. Importantly, using enhanced partial reprogramming by combining small molecules with the Yamanaka factors, we observed potent reversion of DNA damage, significant upregulation of multiple DNA damage repair processes, and restoration of the epigenetic clock. In addition, we present evidence that pharmacological inhibition of ALK5 and ALK2 receptors in TGFb pathway is able to phenocopy some benefits including epigenetic clock restoration suggesting a role in the mechanism of rejuvenation by partial reprogramming.

The molecular mechanisms that shape the gene expression landscape during the development and maintenance of chronic states of brain hyperexcitability are incompletely understood. Here we show that cytoplasmic mRNA polyadenylation, a posttranscriptional mechanism for regulating gene expression, undergoes widespread reorganisation in temporal lobe epilepsy. Specifically, over 25% of the hippocampal transcriptome displayed changes in their poly(A) tail in mouse models of epilepsy, particular evident in the chronic phase. The expression of cytoplasmic polyadenylation binding proteins (CPEB1-4) was found to be altered in the hippocampus in mouse models of epilepsy and temporal lobe epilepsy patients and CPEB4 target transcripts were over-represented among those showing poly(A) tail changes. Supporting an adaptive function, CPEB4-deficiency leads to an increase in seizure severity and neurodegeneration in mouse models of epilepsy. Together, these findings reveal an additional layer of gene expression control during epilepsy and point to novel targets for seizure control and disease-modification in epilepsy.