Deregulation of micro-RNAs (miRNAs) is emerging as a major aspect of cancer etiology because their capacity to direct the translation and stability of targeted transcripts can dramatically influence cellular physiology. To explore the potential of exogenously applied miRNAs to suppress oncogenic proteins, the ERBB oncogene family was chosen with a bioinformatics search identifying targeting seed sequences for miR-125a and miR-125b within the 3'-untranslated regions of both ERBB2 and ERBB3. Using the human breast cancer cell line SKBR3 as a model for ERBB2 and ERBB3 dependence, infection of these cells with retroviral constructs expressing either miR-125a or miR-125b resulted in suppression of ERBB2 and ERBB3 at both the transcript and protein level. Luciferase constructs containing the 3' 3'-untranslated regions of ERBB2 and ERBB3 demonstrated approximately 35% less activity in miR-125a- and miR-125b-expressing cells relative to controls. Additionally, phosphorylation of ERK1/2 and AKT was suppressed in SKBR3 cells overexpressing either miR-125a or miR-125b. Consistent with suppression of both ERBB2 and ERBB3 signaling, miR-125a-or miR-125b-overexpressing SKBR3 cells were impaired in their anchorage-dependent growth and exhibited reduced migration and invasion capacities. Parallel studies performed on MCF10A cells demonstrated that miR-125a or miR-125b overexpression produced only marginal influences on the growth and migration of these non-transformed human mammary epithelial cells. These results illustrate the feasibility of using miRNAs as a therapeutic strategy to suppress oncogene expression and function.

Cancer cells often acquire a constitutively active nuclear factor-κB (NF-κB) program to promote survival, proliferation and metastatic potential by mechanisms that remain largely unknown. Extending observations from an immunologic setting, we demonstrate that microRNA-146a and microRNA-146b (miR-146a/b) when expressed in the highly metastatic human breast cancer cell line MDA-MB-231 function to negatively regulate NF-κB activity. Lentiviral-mediated expression of miR-146a/b significantly downregulated interleukin (IL)-1 receptor-associated kinase and TNF receptor-associated factor 6, two key adaptor/scaffold proteins in the IL-1 and Toll-like receptor signaling pathway, known to positively regulate NF-κB activity. Impaired NF-κB activity was evident from reduced phosphorylation of the NF-κB inhibitor IκBα, reduced NF-κB DNA-binding activity and suppressed expression of the NF-κB target genes IL-8, IL-6 and matrix metalloproteinase-9. Functionally, miR-146a/b-expressing MDA-MB-231 cells showed markedly impaired invasion and migration capacity relative to control cells. These findings implicate miR-146a/b as a negative regulator of constitutive NF-κB activity in a breast cancer setting and suggest that modulating miR-146a/b levels has therapeutic potential to suppress breast cancer metastases.

Inflammation underlies most age-related diseases, including cancer, but the etiology is poorly understood. One proposed factor is the presence of senescent cells, which increase with age. The senescence response arrests the proliferation of potentially oncogenic cells, and most senescent cells secrete high levels of proinflammatory cytokines and other proteins. The complex senescence-associated secretory phenotype is likely regulated at multiple levels, most of which are unknown. We show that cell surface-bound IL-1α is essential for signaling the senescence-associated secretion of IL-6 and IL-8, 2 proinflammatory cytokines that also reinforce the senescence growth arrest. Senescent human fibroblasts expressed high levels of IL-1α mRNA, intracellular protein, and cell surface-associated protein, but secreted very little protein. An IL-1 receptor (IL1R) antagonist, neutralizing IL-1α antibodies, and IL-1α depletion by RNA interference all markedly reduced senescence-associated IL-6/IL-8 secretion. Depletion of the key IL-1R signaling component IRAK1 also suppressed this secretion, and IL-1α neutralizing antibodies prevented IRAK1 degradation, indicating engagement of the IL-1R signaling pathway. Furthermore, IL-1α depletion reduced the DNA binding activity of NF-κB and C/EBPβ, which stimulate IL-6/IL-8 transcription. IL-1α was a general regulator of senescence-associated IL-6/IL-8 secretion because IL-1α blockade reduced IL-6/IL-8 secretion whether cells senesced owing to DNA damage, replicative exhaustion, oncogenic RAS, or chromatin relaxation. Furthermore, conditioned medium from IL-1α-depleted senescent cells markedly reduced the IL-6/IL-8-dependent invasiveness of metastatic cancer cells, indicating that IL-1α regulates the biological effects of these cytokines. Thus, cell surface IL-1α is an essential cell-autonomous regulator of the senescence-associated IL-6/IL-8 cytokine network.

DNA damage can induce a tumor suppressive response termed cellular senescence. Damaged senescent cells permanently arrest growth, secrete inflammatory cytokines and other proteins and harbor persistent nuclear foci that contain DNA damage response (DDR) proteins. To understand how persistent damage foci differ from transient foci that mark repairable DNA lesions, we identify sequential events that differentiate transient foci from persistent foci, which we term ‘DNA segments with chromatin alterations reinforcing senescence’ (DNA-SCARS). Unlike transient foci, DNA-SCARS associate with PML nuclear bodies, lack the DNA repair proteins RPA and RAD51, lack single-stranded DNA and DNA synthesis and accumulate activated forms of the DDR mediators CHK2 and p53. DNA-SCARS form independently of p53, pRB and several other checkpoint and repair proteins but require p53 and pRb to trigger the senescence growth arrest. Importantly, depletion of the DNA-SCARS-stabilizing component histone H2AX did not deplete 53BP1 from DNA-SCARS but diminished the presence of MDC1 and activated CHK2. Furthermore, depletion of H2AX reduced both the p53-dependent senescence growth arrest and p53-independent cytokine secretion. DNA-SCARS were also observed following severe damage to multiple human cell types and mouse tissues, suggesting that they can be used in combination with other markers to identify senescent cells. Thus, DNA-SCARS are dynamically formed distinct structures that functionally regulate multiple aspects of the senescent phenotype.

Senescence is a cellular program that irreversibly arrests the proliferation of damaged cells and induces the secretion of the inflammatory mediators IL- 6 and IL-8 which are part of a larger senescence associated secretory phenotype (SASP). We screened quiescent and senescent human fibroblasts for differentially expressed microRNAS (miRNAs) and found that miRNAs 146a and 146b (miR-146a/b) were significantly elevated during senescence. We suggest that delayed miR-146a/b induction might be a compensatory response to restrain inflammation. Indeed, ectopic expression of miR-146a/b in primary human fibroblasts suppressed IL-6 and IL-8 secretion and downregulated IRAK1, a crucial component of the IL-1 receptor signal transduction pathway. Cells undergoing senescence without induction of a robust SASP did not express miR-146a/b. Further, IL-1alpha neutralizing antibodies abolished both miR-146a/b expression and IL-6 secretion. Our findings expand the biological contexts in which miRNA-146a/b modulates inflammatory responses. They suggest that IL-1 receptor signaling initiates both miR-146a/b upregulation and cytokine secretion, and that miR-146a/b is expressed in response to rising inflammatory cytokine levels as part of a negative feedback loop that restrains excessive SASP activity.

SUMMARY Loss of proteostasis is a hallmark of aging and Alzheimer disease (AD). Here, we identify β-hydroxybutyrate (βHB), a ketone body, as a regulator of protein solubility in the aging brain. βHB is a small molecule metabolite which primarily provides an oxidative substrate for ATP during hypoglycemic conditions, and also regulates other cellular processes through covalent and noncovalent protein interactions. We demonstrate βHB-induced protein insolubility across in vitro , ex vivo , and in vivo mouse systems. This activity is shared by select structurally similar metabolites, is not dependent on covalent protein modification, pH, or solute load, and is observable in mouse brain in vivo after delivery of a ketone ester. Furthermore, this phenotype is selective for pathological proteins such as amyloid-β, and exogenous βHB ameliorates pathology in nematode models of amyloid-β aggregation toxicity. We have generated a comprehensive atlas of the βHB-induced protein insolublome ex vivo and in vivo using mass spectrometry proteomics, and have identified common protein domains within βHB target sequences. Finally, we show enrichment of neurodegeneration-related proteins among βHB targets and the clearance of these targets from mouse brain, likely via βHB-induced autophagy. Overall, these data indicate a new metabolically regulated mechanism of proteostasis relevant to aging and AD.

Abstract The Caenorhabditis Intervention Testing Program (CITP) is an NIH-funded research consortium of investigators who conduct analyses at three independent sites to identify chemical interventions that reproducibly promote health and lifespan in a robust manner. The founding principle of the CITP is that compounds with positive effects across a genetically diverse panel of Caenorhabditis species and strains are likely engaging conserved biochemical pathways to exert their effects. As such, interventions that are broadly efficacious might be considered prominent compounds for translation for pre-clinical research and human clinical applications. Here, we report results generated using a recently streamlined pipeline approach for the evaluation of the effects of chemical compounds on lifespan and health. We studied five compounds previously shown to extend C. elegans lifespan or thought to promote mammalian health: 17α-estradiol, acarbose, green tea extract, nordihydroguaiaretic acid, and rapamycin. We found that green tea extract and nordihydroguaiaretic acid extend Caenorhabditis lifespan in a species-specific manner. Additionally, these two antioxidants conferred assay-specific effects in some studies—for example, decreasing survival for certain genetic backgrounds in manual survival assays in contrast with extended lifespan as assayed using automated C. elegans Lifespan Machines. We also observed that GTE and NDGA impact on older adult mobility capacity is dependent on genetic background, and that GTE reduces oxidative stress resistance in some Caenorhabditis strains. Overall, our analysis of the five compounds supports the general idea that genetic background and assay type can influence lifespan and health effects of compounds, and underscores that lifespan and health can be uncoupled by chemical interventions.

The decline in early life mortality since the 1950s has resulted in dramatic demographic shift towards aged population. Aging manifests as a decline in health, multiple organ dysfunction and increased vulnerability to diseases, which degrades quality of life. A verity of genetic and pharmacological interventions, mostly from non-vertebrate models, have been identified that can enhance lifespan. Whether these interventions extend healthspan, the disease free and functional period of life, has only sometimes been tested and is often a matter of debate. Human aging indices have been developed to assess elements of functional decline with aging (e.g. sarcopenia, cognitive function). However, corresponding comprehensive indices in mice are seldom applied to aging studies. To probe the relationship between healthspan and lifespan extension in mammals, we performed a series of longitudinal, clinically-relevant healthspan measurements. Metabolism and aging are tightly connected and specific perturbations of nutrient-sensing pathways can enhance longevity in laboratory animals. Here we show that alpha-ketoglutarate (delivered in the form of a Calcium salt, CaAKG), a key metabolite in tricarboxylic (TCA) cycle that is reported to extend lifespan in worms , can significantly extend lifespan and healthspan in mice. AKG is involved in various fundamental processes including collagen synthesis and epigenetic changes. Due to its broad roles in multiple biological processes, AKG has been a subject of interest for researchers in various fields. AKG also influences several age-related processes, including stem cell proliferation and osteoporosis. To determine its role in mammalian aging, we administered CaAKG in 18 months old mice and determined its effect on the onset of frailty and survival, discovering that the metabolite promotes longer, healthier life associated with a decrease in levels of inflammatory factors. Interestingly the reduction in frailty was more dramatic than the increase in lifespan, leading us to propose that CaAKG compresses morbidity.

Abstract Alzheimer’s disease and Alzheimer’s related diseases (ADRD) are a class of prevalent age-related neurodegenerative disorders characterized by the accumulation of amyloid- β (Aβ) plaques and Tau neurofibrillary tangles. The intricate interplay between Aβ and Tau proteins requires further investigation to better understand the precise mechanisms underlying disease pathology. The nematode Caenorhabditis elegans ( C. elegans ) serves as an invaluable model organism for studying aging and neurodegenerative diseases. Here we performed an unbiased systems analysis of a C. elegans strain expressing both Aβ and Tau proteins within neurons. Intriguingly, even at an early stage of adulthood, we observed reproductive impairments and mitochondrial dysfunction consistent with substantial disruptions in mRNA transcript abundance, protein solubility, and metabolite levels. Notably, the simultaneous expression of these two neurotoxic proteins exhibited a synergistic effect, leading to accelerated aging in the model organism. Our comprehensive findings shed new light on the intricate relationship between normal aging processes and the etiology of ADRD. Specifically, we demonstrate the alterations to metabolic functions precede age-related neurotoxicity, offering critical insights into potential therapeutic strategies.

Loss of proteostasis is a highly conserved feature of aging across model organisms and typically results in the accumulation of insoluble protein aggregates. Protein insolubility is a central feature of major age-related neurodegenerative diseases including Alzheimer's Disease (AD), where hundreds of insoluble proteins associate with aggregated amyloid beta (Aβ) in senile plaques. Despite the established connection between aging and AD risk, therapeutic approaches to date have overlooked aging and proteome-wide protein insolubility as causal factors, instead focusing on Aβ and Tau. Here, using an unbiased proteomics approach, we questioned the relationship between Aβ and age-related protein insolubility. We demonstrate that, in C. elegans, Aβ expression is sufficient to drive proteome-wide protein insolubility. The Aβ-driven insoluble proteome bears a highly significant overlap with the aging-driven insoluble proteome, suggesting there exists a core, sub-proteome which is vulnerable to insolubility. Using human genome-wide association studies (GWAS) we show that this insoluble sub proteome is replete with biological processes implicated across not only neurodegenerative diseases but also across a broad array of chronic, age-related diseases (CARDs), providing suggestive evidence that age-related loss of proteostasis could play a role in general CARD risk. Finally, we show that the gut metabolite, Urolithin A, relieves Aβ toxicity supporting its use in clinical trials for dementia and other age-related diseases.