Heterochromatin in aging stem cells Analysis of human aging syndromes, such as Werner syndrome (WS), may lead to greater understanding of both premature and normal aging. Zhang et al. generated isogenic WS-specific human embryonic stem cell lines (see the Perspective by Brunauer and Kennedy). WS-mesenchymal stem cells displayed features characteristic of premature aging, including heterochromatin disorganization. WRN protein thus functions in the maintenance of heterochromatin, and heterochromatin alterations may represent a driving force of human aging. Science , this issue p. 1160 ; see also p. 1093

Hutchinson-Gilford progeria syndrome (HGPS) is a rare, invariably fatal premature aging disorder. The disease is caused by constitutive production of progerin, a mutant form of the nuclear architectural protein lamin A, leading, through unknown mechanisms, to diverse morphological, epigenetic, and genomic damage and to mesenchymal stem cell (MSC) attrition in vivo. Using a high-throughput siRNA screen, we identify the NRF2 antioxidant pathway as a driver mechanism in HGPS. Progerin sequesters NRF2 and thereby causes its subnuclear mislocalization, resulting in impaired NRF2 transcriptional activity and consequently increased chronic oxidative stress. Suppressed NRF2 activity or increased oxidative stress is sufficient to recapitulate HGPS aging defects, whereas reactivation of NRF2 activity in HGPS patient cells reverses progerin-associated nuclear aging defects and restores in vivo viability of MSCs in an animal model. These findings identify repression of the NRF2-mediated antioxidative response as a key contributor to the premature aging phenotype.

SIRT6 belongs to the mammalian homologs of Sir2 histone NAD+-dependent deacylase family. In rodents, SIRT6 deficiency leads to aging-associated degeneration of mesodermal tissues. It remains unknown whether human SIRT6 has a direct role in maintaining the homeostasis of mesodermal tissues. To this end, we generated SIRT6 knockout human mesenchymal stem cells (hMSCs) by targeted gene editing. SIRT6-deficient hMSCs exhibited accelerated functional decay, a feature distinct from typical premature cellular senescence. Rather than compromised chromosomal stability, SIRT6-null hMSCs were predominately characterized by dysregulated redox metabolism and increased sensitivity to the oxidative stress. In addition, we found SIRT6 in a protein complex with both nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (NRF2) and RNA polymerase II, which was required for the transactivation of NRF2-regulated antioxidant genes, including heme oxygenase 1 (HO-1). Overexpression of HO-1 in SIRT6-null hMSCs rescued premature cellular attrition. Our study uncovers a novel function of SIRT6 in maintaining hMSC homeostasis by serving as a NRF2 coactivator, which represents a new layer of regulation of oxidative stress-associated stem cell decay.

SUMMARY Sirtuin 6 (SIRT6) is a deacylase and mono-ADP ribosyl transferase (mADPr) enzyme involved in multiple cellular pathways implicated in the regulation of aging and metabolism. Targeted sequencing identified a SIRT6 allele containing two linked substitutions (N308K/A313S) as enriched in Ashkenazi Jewish (AJ) centenarians as compared to AJ control individuals. Characterization of this SIRT6 (centSIRT6) allele demonstrated it to be a stronger suppressor of LINE1 retrotransposons, confer enhanced stimulation of DNA double strand break repair, and more robust cancer cell killing compared to the wild type. Surprisingly, centSIRT6 displayed weaker deacetylase activity, but stronger mADPr activity, over a range of NAD + concentrations and substrates. Additionally, centSIRT6 displayed a stronger interaction with Lamin A/C (LMNA), which correlated with enhanced ribosylation of LMNA. Our results suggest that enhanced SIRT6 function contributes to human longevity by improving genome maintenance via increased mADPr activity and enhanced interaction with LMNA.

The ovary is the first organ to age in the human body, affecting both fertility and overall health. However, the biological mechanisms underlying human ovarian aging remain poorly understood. Here we present a comprehensive single-nuclei multi-omics atlas of four young (ages 23–29 years) and four reproductively aged (ages 49–54 years) human ovaries. Our analyses reveal coordinated changes in transcriptomes and chromatin accessibilities across cell types in the ovary during aging, notably mTOR signaling being a prominent ovary-specific aging pathway. Cell-type-specific regulatory networks reveal enhanced activity of the transcription factor CEBPD across cell types in the aged ovary. Integration of our multi-omics data with genetic variants associated with age at natural menopause demonstrates a global impact of functional variants on gene regulatory networks across ovarian cell types. We nominate functional non-coding regulatory variants, their target genes and ovarian cell types and regulatory mechanisms. This atlas provides a valuable resource for understanding the cellular, molecular and genetic basis of human ovarian aging. The molecular and cellular mechanisms underlying ovarian aging are incompletely understood. Here the authors provide single-nuclei RNA and ATAC-seq of human ovarian tissue from four young and four reproductively aged donors, revealing coordinated transcriptomic and epigenomic changes across cell types and highlighting a role for mTOR signaling in reproductive aging.

Abstract Given the pro and anti-geronic roles of the TGF-β superfamily in aging, we hypothesized that human longevity involves genetic variation in TGF-β signaling genes. Here we utilized a candidate functional genomic approach to identify and characterize functional variants in TGF- β signaling associated with human longevity. Targeted sequencing of 113 genes involved in aging- associated TGF- β signaling in an Ashkenazi Jewish centenarian cohort identified genetic variants robustly associated with human longevity. In particular, a centenarian-enriched intronic variant residing in a cell-type specific enhancer in SMAD3, a critical receptor-regulated TGF- β signal transducer, was identified. This non-coding SMAD3 variant (rs8040709) altered binding of ELK1, a member of the ETS family of transcription factor important for enhancer activity in certain cell types, resulting in reduced SMAD3 expression. Analysis of the variant in cell types derived from gene edited iPSCs demonstrated the variant reduced SMAD3 expression, senescence and inflammation in endothelial cells. In addition, heterozygosity in SMAD3 improved healthspan and reduced senescence in the Ercc1 -/Δ progeroid mouse model of accelerated aging. Taken together, these experiments demonstrate that variants in a cell type specific enhancer of SMAD3 resulted in reduced expression, senescence and inflammation and contributes to human longevity. Thus, SMAD3 represents a validated targeted for drug development for extending human healthspan.

Abstract MicroRNAs (miRNAs) have been demonstrated to modulate life span in the invertebrates C. elegans and Drosophila by targeting conserved pathways of aging, such as insulin/IGF-1 signaling (IIS). However, a role for miRNAs in modulating human longevity has not been fully explored. Here we investigated novel roles of miRNAs as a major epigenetic component of exceptional longevity in humans. By profiling the miRNAs in B-cells from Ashkenazi Jewish centenarians and 70-year-old controls without a longevity history, we found that the majority of differentially expressed miRNAs were upregulated in centenarians and predicted to modulate the IIS pathway. Notably, decreased IIS activity was found in B cells from centenarians who harbored these upregulated miRNAs. miR-142-3p, the top upregulated miRNA, was verified to dampen the IIS pathway by targeting multiple genes including GNB2, AKT1S1, RHEB and FURIN . Overexpression of miR-142-3p improved the stress resistance under genotoxicity and induced the impairment of cell cycle progression in IMR90 cells. Furthermore, mice injected with a miR-142-3p mimic showed reduced IIS signaling and improved longevity-associated phenotypes including enhanced stress resistance, improved diet/aging-induced glucose intolerance, and longevity-associated change of metabolic profile. These data suggest that miR-142-3p is involved in human longevity through regulating IIS-mediated pro-longevity effects. This study provides strong support for the use of miR-142-3p as a novel therapeutic to promote longevity or prevent aging/aging-related diseases in human.

Abstract Female reproductive aging affects fertility and overall health. Functional decline in mouse ovary during reproductive aging is accompanied by estrous cycle prolongation and cessation. However, the molecular mechanism underlying reproductive aging concomitant with such cycle changes remains unclear. Using single-cell transcriptomics, we characterized aging signatures in mouse ovaries across the reproductive lifespan ranging from reproductively young (regular cycle) through peri-estropause (regular vs. irregular cycles) to post-estropause age (acyclic). Reproductive aging significantly remodeled cell compositions and increased transcriptional heterogeneity, with more pronounced changes post-estropause, exhibiting coordinated alterations across cell types in the ovary. Genes undergoing monotonic changes during reproductive aging across cell types were consistently enriched in the conserved pathways of aging, including oxidative phosphorylation, stress responses, and proteostasis. Additionally, cell type-specific changes were identified including dysregulation of hormone synthesis in granulosa cells, alterations in collagen and hyaluronan metabolism in stromal and early theca cells, and functional decline of a unique phagocytosis-associated macrophage. Aging also led to a significant decrease in cell-cell communications, particularly between stromal and granulosa cells, and an increase in extracellular vesicle secretion. Furthermore, we found increased expression of the senescence marker Cdkn1a and senescence-associated secretory phenotype (SASP) factors during ovarian aging, especially in granulosa cells. Notably, most of these aging-associated changes were more pronounced in irregular cycling ovaries compared to the regular cycling counterparts at the same age during the peri-estropause stage, suggesting that aging-related molecular changes in the ovary drive the estropausal transition in mice.

Several decades of heterochronic parabiosis (HCPB) studies have demonstrated the restorative impact of young blood, and deleterious influence of aged blood, on physiological function and homeostasis across tissues, although few of the factors responsible for these observations have been identified. Here we develop an in vitro HCPB system to identify these circulating factors, using replicative lifespan (RLS) of primary human fibroblasts as an endpoint of cellular health. We find that RLS is inversely correlated with serum donor age and sensitive to the presence or absence of specific serum components. Through in vitro HCPB, we identify the secreted protein pigment epithelium-derived factor (PEDF) as a circulating factor that extends RLS of primary human fibroblasts and declines with age in mammals. Systemic administration of PEDF to aged mice reverses age-related functional decline and pathology across several tissues, improving cognitive function and reducing hepatic fibrosis and renal lipid accumulation. Together, our data supports PEDF as a systemic mediator of the effect of young blood on organismal health and homeostasis and establishes our in vitro HCPB system as a valuable screening platform for the identification of candidate circulating factors involved in aging and rejuvenation.

Summary Cells adapt to changes in their environment through transcriptional responses that are hard-coded in their regulatory networks. Such dedicated pathways, however, may be inadequate for adaptation to novel or extreme environments. We propose the existence of a fitness optimization mechanism that tunes the global transcriptional output of a genome to match arbitrary external conditions in the absence of dedicated gene-regulatory networks. We provide evidence for the proposed tuning mechanism in the adaptation of Saccharomyces cerevisiae to laboratory-engineered environments that are foreign to its native gene-regulatory network. We show that transcriptional tuning operates locally at individual gene promoters and its efficacy is modulated by genetic perturbations to chromatin modification machinery.