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.

Menin, the product of the Men1 gene mutated in familial multiple endocrine neoplasia type 1 (MEN1), regulates transcription in differentiated cells. Menin associates with and modulates the histone methyltransferase activity of a nuclear protein complex to activate gene expression. However, menin-dependent histone methyltransferase activity in endocrine cells has not been demonstrated, and the mechanism of endocrine tumor suppression by menin remains unclear. Here, we show that menin-dependent histone methylation maintains the in vivo expression of cyclin-dependent kinase (CDK) inhibitors to prevent pancreatic islet tumors. In vivo expression of CDK inhibitors, including p27 and p18, and other cell cycle regulators is disrupted in mouse islet tumors lacking menin. Chromatin immunoprecipitation studies reveal that menin directly associates with regions of the p27 and p18 promoters and increases methylation of lysine 4 (Lys-4) in histone H3 associated with these promoters. Moreover, H3 Lys-4 methylation associated with p27 and p18 is reduced in islet tumors from Men1 mutant mice. Thus, H3 Lys-4 methylation is a crucial function of menin in islet tumor suppression. These studies suggest an epigenetic mechanism of tumor suppression: by promoting histone modifications, menin maintains transcription at multiple loci encoding cell cycle regulators essential for endocrine growth control.

Proliferation of pancreatic islet beta cells is an important mechanism for self-renewal and for adaptive islet expansion. Increased expression of the Ink4a/Arf locus, which encodes the cyclin-dependent kinase inhibitor p16(INK4a) and tumor suppressor p19(Arf), limits beta-cell regeneration in aging mice, but the basis of beta-cell Ink4a/Arf regulation is poorly understood. Here we show that Enhancer of zeste homolog 2 (Ezh2), a histone methyltransferase and component of a Polycomb group (PcG) protein complex, represses Ink4a/Arf in islet beta cells. Ezh2 levels decline in aging islet beta cells, and this attrition coincides with reduced histone H3 trimethylation at Ink4a/Arf, and increased levels of p16(INK4a) and p19(Arf). Conditional deletion of beta-cell Ezh2 in juvenile mice also reduced H3 trimethylation at the Ink4a/Arf locus, leading to precocious increases of p16(INK4a) and p19(Arf). These mutant mice had reduced beta-cell proliferation and mass, hypoinsulinemia, and mild diabetes, phenotypes rescued by germline deletion of Ink4a/Arf. beta-Cell destruction with streptozotocin in controls led to increased Ezh2 expression that accompanied adaptive beta-cell proliferation and re-establishment of beta-cell mass; in contrast, mutant mice treated similarly failed to regenerate beta cells, resulting in lethal diabetes. Our discovery of Ezh2-dependent beta-cell proliferation revealed unique epigenetic mechanisms underlying normal beta-cell expansion and beta-cell regenerative failure in diabetes pathogenesis.

During pregnancy, maternal pancreatic islets grow to match dynamic physiological demands, but the mechanisms regulating adaptive islet growth in this setting are poorly understood. Here we show that menin, a protein previously characterized as an endocrine tumor suppressor and transcriptional regulator, controls islet growth in pregnant mice. Pregnancy stimulated proliferation of maternal pancreatic islet β-cells that was accompanied by reduced islet levels of menin and its targets. Transgenic expression of menin in maternal β-cells prevented islet expansion and led to hyperglycemia and impaired glucose tolerance, hallmark features of gestational diabetes. Prolactin, a hormonal regulator of pregnancy, repressed islet menin levels and stimulated β-cell proliferation. These results expand our understanding of mechanisms underlying diabetes pathogenesis and reveal potential targets for therapy in diabetes.

There is widespread interest in defining factors and mechanisms that stimulate proliferation of pancreatic islet cells. Wnt signaling is an important regulator of organ growth and cell fates, and genes encoding Wnt-signaling factors are expressed in the pancreas. However, it is unclear whether Wnt signaling regulates pancreatic islet proliferation and differentiation. Here we provide evidence that Wnt signaling stimulates islet β cell proliferation. The addition of purified Wnt3a protein to cultured β cells or islets promoted expression of Pitx2, a direct target of Wnt signaling, and Cyclin D2, an essential regulator of β cell cycle progression, and led to increased β cell proliferation in vitro . Conditional pancreatic β cell expression of activated β-catenin, a crucial Wnt signal transduction protein, produced similar phenotypes in vivo , leading to β cell expansion, increased insulin production and serum levels, and enhanced glucose handling. Conditional β cell expression of Axin, a potent negative regulator of Wnt signaling, led to reduced Pitx2 and Cyclin D2 expression by β cells, resulting in reduced neonatal β cell expansion and mass and impaired glucose tolerance. Thus, Wnt signaling is both necessary and sufficient for islet β cell proliferation, and our study provides previously unrecognized evidence of a mechanism governing endocrine pancreas growth and function.

Determining the signalling pathways that direct tissue expansion is a principal goal of regenerative biology. Vigorous pancreatic β-cell replication in juvenile mice and humans declines with age, and elucidating the basis for this decay may reveal strategies for inducing β-cell expansion, a long-sought goal for diabetes therapy. Here we show that platelet-derived growth factor receptor (Pdgfr) signalling controls age-dependent β-cell proliferation in mouse and human pancreatic islets. With age, declining β-cell Pdgfr levels were accompanied by reductions in β-cell enhancer of zeste homologue 2 (Ezh2) levels and β-cell replication. Conditional inactivation of the Pdgfra gene in β-cells accelerated these changes, preventing mouse neonatal β-cell expansion and adult β-cell regeneration. Targeted human PDGFR-α activation in mouse β-cells stimulated Erk1/2 phosphorylation, leading to Ezh2-dependent expansion of adult β-cells. Adult human islets lack PDGF signalling competence, but exposure of juvenile human islets to PDGF-AA stimulated β-cell proliferation. The discovery of a conserved pathway controlling age-dependent β-cell proliferation indicates new strategies for β-cell expansion. Pancreatic β-cell expansion declines with age, and the identification of the mechanism involved could help with the design of treatments for diabetes mellitus. Chen et al. show, surprisingly, that reduced platelet-derived growth factor receptor (PDGFR) signalling underlies this problem in mouse and human pancreatic islets. Declining β-cell PDGFR expression reduces levels of Enhancer of zeste homolog 2 (Ezh2), and impedes replication of the β cells.

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.