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.

Microglia become progressively activated and seemingly dysfunctional with age, and genetic studies have linked these cells to the pathogenesis of a growing number of neurodegenerative diseases. Here we report a striking buildup of lipid droplets in microglia with aging in mouse and human brains. These cells, which we call ‘lipid-droplet-accumulating microglia’ (LDAM), are defective in phagocytosis, produce high levels of reactive oxygen species and secrete proinflammatory cytokines. RNA-sequencing analysis of LDAM revealed a transcriptional profile driven by innate inflammation that is distinct from previously reported microglial states. An unbiased CRISPR–Cas9 screen identified genetic modifiers of lipid droplet formation; surprisingly, variants of several of these genes, including progranulin (GRN), are causes of autosomal-dominant forms of human neurodegenerative diseases. We therefore propose that LDAM contribute to age-related and genetic forms of neurodegeneration. Microglia in the aging hippocampus accumulate lipid droplets, and are functionally impaired and inflamed. Lipid droplet formation in microglia is regulated by genes linked to neurodegeneration such as progranulin.

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.

Microglia maintain homeostasis in the central nervous system through phagocytic clearance of protein aggregates and cellular debris. This function deteriorates during ageing and neurodegenerative disease, concomitant with cognitive decline. However, the mechanisms of impaired microglial homeostatic function and the cognitive effects of restoring this function remain unknown. We combined CRISPR-Cas9 knockout screens with RNA sequencing analysis to discover age-related genetic modifiers of microglial phagocytosis. These screens identified CD22, a canonical B cell receptor, as a negative regulator of phagocytosis that is upregulated on aged microglia. CD22 mediates the anti-phagocytic effect of α2,6-linked sialic acid, and inhibition of CD22 promotes the clearance of myelin debris, amyloid-β oligomers and α-synuclein fibrils in vivo. Long-term central nervous system delivery of an antibody that blocks CD22 function reprograms microglia towards a homeostatic transcriptional state and improves cognitive function in aged mice. These findings elucidate a mechanism of age-related microglial impairment and a strategy to restore homeostasis in the ageing brain.

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.

Recent understanding of how the systemic environment shapes the brain throughout life has led to numerous intervention strategies to slow brain ageing1–3. Cerebrospinal fluid (CSF) makes up the immediate environment of brain cells, providing them with nourishing compounds4,5. We discovered that infusing young CSF directly into aged brains improves memory function. Unbiased transcriptome analysis of the hippocampus identified oligodendrocytes to be most responsive to this rejuvenated CSF environment. We further showed that young CSF boosts oligodendrocyte progenitor cell (OPC) proliferation and differentiation in the aged hippocampus and in primary OPC cultures. Using SLAMseq to metabolically label nascent mRNA, we identified serum response factor (SRF), a transcription factor that drives actin cytoskeleton rearrangement, as a mediator of OPC proliferation following exposure to young CSF. With age, SRF expression decreases in hippocampal OPCs, and the pathway is induced by acute injection with young CSF. We screened for potential SRF activators in CSF and found that fibroblast growth factor 17 (Fgf17) infusion is sufficient to induce OPC proliferation and long-term memory consolidation in aged mice while Fgf17 blockade impairs cognition in young mice. These findings demonstrate the rejuvenating power of young CSF and identify Fgf17 as a key target to restore oligodendrocyte function in the ageing brain. Fgf17 in young CSF boosts oligodendrocyte progenitor cell proliferation and differentiation in the aged hippocampus, improving memory function.

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 Myelination of neuronal axons is essential for nervous system development. Myelination requires dramatic cytoskeletal dynamics in oligodendrocytes, but how actin is regulated during myelination is poorly understood. We recently identified serum response factor (SRF)—a transcription factor known to regulate expression of actin and actin regulators in other cell types—as a critical driver of myelination in the aged brain. Yet, a major gap remains in understanding the fundamental role of SRF in oligodendrocyte lineage cells. Here we show that SRF is required cell autonomously in oligodendrocytes for myelination during development. Combining ChIP-seq with RNA-seq identifies SRF-target genes in OPCs and oligodendrocytes that include actin and other key cytoskeletal genes. Accordingly, SRF knockout oligodendrocytes exhibit dramatically reduced actin filament levels early in differentiation, consistent with its role in actin-dependent myelin sheath initiation. Together, our findings identify SRF as a transcriptional regulator that controls the expression of cytoskeletal genes required in oligodendrocytes for myelination. This study identifies a novel pathway regulating oligodendrocyte biology with high relevance to brain development, aging, and disease. Highlights Developmental CNS myelination requires the transcription factor SRF in oligodendrocytes. SRF targets actin and actin-regulatory but not myelin related genes. SRF drives oligodendrocyte actin cytoskeleton dynamics during early stages of myelination.

Microglia become progressively activated and seemingly dysfunctional with age, and genetic studies have linked these cells to the pathogenesis of a growing number of neurodegenerative diseases. Here we report a striking buildup of lipid droplets in microglia with aging in mouse and human brains. These cells, which we call lipid droplet-accumulating microglia (LAM), are defective in phagocytosis, produce high levels of reactive oxygen species, and secrete pro-inflammatory cytokines. RNA sequencing analysis of LAM revealed a transcriptional profile driven by innate inflammation distinct from previously reported microglial states. An unbiased CRISPR-Cas9 screen identified genetic modifiers of lipid droplet formation; surprisingly, variants of several of these genes, including progranulin, are causes of autosomal dominant forms of human neurodegenerative diseases. We thus propose that LAM contribute to age-related and genetic forms of neurodegeneration.