Ageing is characterized by a progressive loss of physiological integrity, leading to impaired function and increased vulnerability to death1. Despite rapid advances over recent years, many of the molecular and cellular processes that underlie the progressive loss of healthy physiology are poorly understood2. To gain a better insight into these processes, here we generate a single-cell transcriptomic atlas across the lifespan of Mus musculus that includes data from 23 tissues and organs. We found cell-specific changes occurring across multiple cell types and organs, as well as age-related changes in the cellular composition of different organs. Using single-cell transcriptomic data, we assessed cell-type-specific manifestations of different hallmarks of ageing-such as senescence3, genomic instability4 and changes in the immune system2. This transcriptomic atlas-which we denote Tabula Muris Senis, or 'Mouse Ageing Cell Atlas'-provides molecular information about how the most important hallmarks of ageing are reflected in a broad range of tissues and cell types.

Ageing is the single greatest cause of disease and death worldwide, and understanding the associated processes could vastly improve quality of life. Although major categories of ageing damage have been identified—such as altered intercellular communication, loss of proteostasis and eroded mitochondrial function1—these deleterious processes interact with extraordinary complexity within and between organs, and a comprehensive, whole-organism analysis of ageing dynamics has been lacking. Here we performed bulk RNA sequencing of 17 organs and plasma proteomics at 10 ages across the lifespan of Mus musculus, and integrated these findings with data from the accompanying Tabula Muris Senis2—or ‘Mouse Ageing Cell Atlas’—which follows on from the original Tabula Muris3. We reveal linear and nonlinear shifts in gene expression during ageing, with the associated genes clustered in consistent trajectory groups with coherent biological functions—including extracellular matrix regulation, unfolded protein binding, mitochondrial function, and inflammatory and immune response. Notably, these gene sets show similar expression across tissues, differing only in the amplitude and the age of onset of expression. Widespread activation of immune cells is especially pronounced, and is first detectable in white adipose depots during middle age. Single-cell RNA sequencing confirms the accumulation of T cells and B cells in adipose tissue—including plasma cells that express immunoglobulin J—which also accrue concurrently across diverse organs. Finally, we show how gene expression shifts in distinct tissues are highly correlated with corresponding protein levels in plasma, thus potentially contributing to the ageing of the systemic circulation. Together, these data demonstrate a similar yet asynchronous inter- and intra-organ progression of ageing, providing a foundation from which to track systemic sources of declining health at old age. Bulk RNA sequencing of organs and plasma proteomics at different ages across the mouse lifespan is integrated with data from the Tabula Muris Senis, a transcriptomic atlas of ageing mouse tissues, to describe organ-specific changes in gene expression during ageing.

The vascular interface of the brain, known as the blood-brain barrier (BBB), is understood to maintain brain function in part via its low transcellular permeability1-3. Yet, recent studies have demonstrated that brain ageing is sensitive to circulatory proteins4,5. Thus, it is unclear whether permeability to individually injected exogenous tracers-as is standard in BBB studies-fully represents blood-to-brain transport. Here we label hundreds of proteins constituting the mouse blood plasma proteome, and upon their systemic administration, study the BBB with its physiological ligand. We find that plasma proteins readily permeate the healthy brain parenchyma, with transport maintained by BBB-specific transcriptional programmes. Unlike IgG antibody, plasma protein uptake diminishes in the aged brain, driven by an age-related shift in transport from ligand-specific receptor-mediated to non-specific caveolar transcytosis. This age-related shift occurs alongside a specific loss of pericyte coverage. Pharmacological inhibition of the age-upregulated phosphatase ALPL, a predicted negative regulator of transport, enhances brain uptake of therapeutically relevant transferrin, transferrin receptor antibody and plasma. These findings reveal the extent of physiological protein transcytosis to the healthy brain, a mechanism of widespread BBB dysfunction with age and a strategy for enhanced drug delivery.

The ability to slow or reverse biological ageing would have major implications for mitigating disease risk and maintaining vitality1. Although an increasing number of interventions show promise for rejuvenation2, their effectiveness on disparate cell types across the body and the molecular pathways susceptible to rejuvenation remain largely unexplored. Here we performed single-cell RNA sequencing on 20 organs to reveal cell-type-specific responses to young and aged blood in heterochronic parabiosis. Adipose mesenchymal stromal cells, haematopoietic stem cells and hepatocytes are among those cell types that are especially responsive. On the pathway level, young blood invokes new gene sets in addition to reversing established ageing patterns, with the global rescue of genes encoding electron transport chain subunits pinpointing a prominent role of mitochondrial function in parabiosis-mediated rejuvenation. We observed an almost universal loss of gene expression with age that is largely mimicked by parabiosis: aged blood reduces global gene expression, and young blood restores it in select cell types. Together, these data lay the groundwork for a systemic understanding of the interplay between blood-borne factors and cellular integrity.

The Tabula Muris Consortium We have created a compendium of single cell transcriptome data from the model organism Mus musculus comprising more than 100,000 cells from 20 organs and tissues. These data represent a new resource for cell biology, revealing gene expression in poorly characterized cell populations and allowing for direct and controlled comparison of gene expression in cell types shared between tissues, such as T-lymphocytes and endothelial cells from distinct anatomical locations. Two distinct technical approaches were used for most tissues: one approach, microfluidic droplet-based 3’-end counting, enabled the survey of thousands of cells at relatively low coverage, while the other, FACS-based full length transcript analysis, enabled characterization of cell types with high sensitivity and coverage. The cumulative data provide the foundation for an atlas of transcriptomic cell biology.

Abstract Antigen-specific CD8 + T cell accumulation in tumors is a prerequisite for effective immunotherapy, and yet, the mechanisms of lymphocyte transit remain poorly defined. We find that tumor-associated lymphatic vessels control T cell exit from tumors via the chemokine CXCL12, and intratumoral antigen encounter tunes CXCR4 expression on effector CD8 + T cells. Only high affinity antigen downregulates CXCR4 and upregulates the CXCL12 decoy receptor, ACKR3, thereby reducing CXCL12 sensitivity and promoting T cell retention. A diverse repertoire of functional tumor-specific CD8 + T cells exit the tumor, thereby limiting tumor control. CXCR4 inhibition and loss of lymphatic-specific CXCL12 boosts T cell retention and enhances response to therapeutic immune checkpoint blockade. Strategies that limit T cell egress, therefore, provide a new tool to boost immunotherapy response. One-Sentence Summary Lymphatic vessel-mediated, antigen-dependent CD8 + T cell egress limits T cell accumulation in melanomas and impairs anti-tumor immunity.

Abstract Lymphatic vessels are often considered passive conduits that rapidly flush antigenic material, pathogens, and cells to draining lymph nodes. Recent evidence, however, suggests that lymphatic vessels actively regulate diverse processes from antigen transport to leukocyte trafficking and dietary lipid absorption. Here we tested the hypothesis that dermal lymphatic transport is dynamic and contributes to innate host defense during viral infection. We demonstrate that cutaneous vaccinia virus infection activates the tightening of lymphatic interendothelial junctions, termed zippering, in a VEGFA/VEGFR2-dependent manner. Both antibody-mediated blockade of VEGFA/VEGFR2 and lymphatic-specific deletion of Vegfr2 impaired lymphatic capillary zippering and increased fluid flux out of tissue. Strikingly, inhibition of lymphatic zippering allows viral dissemination to draining lymph nodes independent of dendritic cell migration and impairs CD8 + T cell priming. These data indicate that infection-induced dermal lymphatic capillary zippering is a context-dependent, active mechanism of innate host defense that limits interstitial fluid and virion flux and promotes protective, anti-viral CD8 + T cell responses. Summary Cutaneous infection with vaccinia virus induces VEGFR2-dependent dermal lymphatic capillary zippering. This tightening of lymphatic junctions exacerbates tissue edema, sequesters virus, and promotes anti-viral CD8 + T cell responses. Dermal lymphatic capillaries are therefore an active component of innate host defense.