Purpose Glioblastomas are notorious for resistance to therapy, which has been attributed to DNA-repair proficiency, a multitude of deregulated molecular pathways, and, more recently, to the particular biologic behavior of tumor stem-like cells. Here, we aimed to identify molecular profiles specific for treatment resistance to the current standard of care of concomitant chemoradiotherapy with the alkylating agent temozolomide. Patients and Methods Gene expression profiles of 80 glioblastomas were interrogated for associations with resistance to therapy. Patients were treated within clinical trials testing the addition of concomitant and adjuvant temozolomide to radiotherapy. Results An expression signature dominated by HOX genes, which comprises Prominin-1 (CD133), emerged as a predictor for poor survival in patients treated with concomitant chemoradiotherapy (n = 42; hazard ratio = 2.69; 95% CI, 1.38 to 5.26; P = .004). This association could be validated in an independent data set. Provocatively, the HOX cluster was reminiscent of a “self-renewal” signature (P = .008; Gene Set Enrichment Analysis) recently characterized in a mouse leukemia model. The HOX signature and EGFR expression were independent prognostic factors in multivariate analysis, adjusted for the O-6-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) methylation status, a known predictive factor for benefit from temozolomide, and age. Better outcome was associated with gene clusters characterizing features of tumor-host interaction including tumor vascularization and cell adhesion, and innate immune response. Conclusion This study provides first clinical evidence for the implication of a “glioma stem cell” or “self-renewal” phenotype in treatment resistance of glioblastoma. Biologic mechanisms identified here to be relevant for resistance will guide future targeted therapies and respective marker development for individualized treatment and patient selection.

DNA sequence variation has been associated with quantitative changes in molecular phenotypes such as gene expression, but its impact on chromatin states is poorly characterized. To understand the interplay between chromatin and genetic control of gene regulation, we quantified allelic variability in transcription factor binding, histone modifications, and gene expression within humans. We found abundant allelic specificity in chromatin and extensive local, short-range, and long-range allelic coordination among the studied molecular phenotypes. We observed genetic influence on most of these phenotypes, with histone modifications exhibiting strong context-dependent behavior. Our results implicate transcription factors as primary mediators of sequence-specific regulation of gene expression programs, with histone modifications frequently reflecting the primary regulatory event.

Muscle regeneration is impaired in the aged organism, due to both intrinsic defects of muscle stem cells (MuSCs) and alterations of their environmental niche. However, the latter has still been poorly explored. Here, we compared and analyzed the time course of the various cell types constituting the MuSC niche during muscle generation in young and old mice. Aging altered the amplification of all niche cells with particularly prominent phenotypes in macrophages that impaired the resolution of inflammation in the old regenerating muscle. RNAsequencing of FACs-isolated MuSCs and non-myogenic niche cells during regeneration uncovered specific profiles and kinetics of genes and molecular pathways differentially regulated in old versus young regenerating muscle, indicating that each cell type responded to aging in a specific manner. Through this, we discovered that macrophages have a strong signature of aging with altered the activation of Selenoprotein P (Sepp1) expression in macrophages during the resolution of inflammation in regenerating muscle. Macrophage-specific deletion of Sepp1 gene was sufficient to impair the acquisition of the repair inflammatory profile, perturbed the support of macrophages to MuSCs in vitro and in vivo, and to cause inefficient skeletal muscle regeneration. When transplanted in aged mice, bone marrow from young WT mice, but not Sepp1 KOs, restored muscle regeneration to youthful levels. Altogether this work provides a unique resource to study the aging of the MuSC niche, reveals that aging of niche cells is asynchronous and establishes impaired macrophage dynamics/polarization and the anti-oxidant Selenoprotein P expression as drivers of age-related decline of muscle regeneration.

Summary Increasing evidence suggests heterogeneity in the muscle stem cell (MuSC) pool. In particular, a rare subset of Pax7 positive MuSCs that has never expressed the myogenic regulatory factor Myf5 has enhanced self-renewal and engraftment characteristics. However, the scarcity and limited availability of protein markers make the characterization of these cells challenging. We describe the generation of StemRep reporter mice allowing to monitor Pax7 and Myf5 protein based on equimolar levels of dual nuclear fluorescence. High levels of Pax7 protein and low levels of Myf5 delineate a deeply quiescent MuSC subpopulation with distinct molecular signatures and dynamics of activation, proliferation, and commitment. Aging decreases the number of these cells, and skews the MuSC pool towards Myf5- High cells with impaired quiescence. Altogether, we describe a novel deeply quiescent MuSC subpopulation whose maintenance is impaired in old muscles, and establish the StemRep line as a versatile tool to study quiescence and MuSC heterogeneity.

Increasing evidence suggests that the muscle stem cell (MuSC) pool is heterogeneous. In particular, a rare subset of PAX7-positive MuSCs that has never expressed the myogenic regulatory factor MYF5 displays unique self-renewal and engraftment characteristics. However, the scarcity and limited availability of protein markers make the characterization of these cells challenging. Here, we describe the generation of StemRep reporter mice enabling the monitoring of PAX7 and MYF5 proteins based on equimolar levels of dual nuclear fluorescence. High levels of PAX7 protein and low levels of MYF5 delineate a deeply quiescent MuSC subpopulation with an increased capacity for asymmetric division and distinct dynamics of activation, proliferation, and commitment. Aging primarily reduces the MYF5Low MuSCs and skews the stem cell pool toward MYF5High cells with lower quiescence and self-renewal potential. Altogether, we establish the StemRep model as a versatile tool to study MuSC heterogeneity and broaden our understanding of mechanisms regulating MuSC quiescence and self-renewal in homeostatic, regenerating, and aged muscles.

SUMMARY Mitochondrial calcium (mtCa 2+ ) uptake via the Mitochondrial Calcium Uniporter (MCU) couples the regulation of calcium homeostasis to energy production. mtCa 2+ uptake is rate-limiting for mitochondrial activation during muscle contraction, but how MCU is affected during physiopathology and whether it can be stimulated therapeutically remains largely uncharacterized. By profiling human and preclinical aging of skeletal muscle, we discovered a conserved down-regulation of MCUR1 during aging that decreases mtCa 2+ uptake and drives sarcopenia. Through a screen of 5000 bioactive nutrients, we identify the natural polyphenol Oleuropein as a specific MCU activator that stimulates mitochondrial respiration via binding to MICU1. Oleuropein activates mtCa 2+ uptake and oxidative energy metabolism to enhance endurance and limit fatigue in vivo both in young and aged. These effects of Oleuropein are mediated by an MCU-dependent mechanism in skeletal muscle as they are lost upon muscle-specific MCU KO. Our work demonstrates that impaired mtCa 2+ uptake causes mitochondrial dysfunction during aging and establishes Oleuropein as a novel nutrient that specifically targets MCU to stimulate mitochondrial bioenergetics and muscle performance.

Fish species display huge differences in physical activity ranging from lethargy to migration of thousands of miles, making them an interesting model to identify determinants of physical fitness. Here, we show a remarkable plasticity of zebrafish in response to exercise and induction of PGC1α (encoded by PPARGC1A), a dominant regulator of mitochondrial biogenesis. Forced expression of human PPARGC1A induces mitochondrial biogenesis, an exercise-like gene expression signature, and physical fitness comparable to wild-type animals trained in counter-current swim tunnels. Quantifying transcriptional and proteomic changes in response to exercise or PGC1α, we identify conserved exercise adaptations, including a stoichiometric induction of the electron transport chain (ETC) that re-organizes into respiratory supercomplexes in both conditions. We further show that ndufa4/ndufa4l, previously assigned to complex I, associates to free and supramolecular complex IV in vivo. Thus, zebrafish is a useful and experimentally tractable vertebrate model to study exercise biology, including ETC expression and assembly.

Sustained exposure to a young systemic environment rejuvenates aged organisms and promotes cellular function. However, due to the intrinsic complexity of tissues it remains challenging to pinpoint niche-independent effects of circulating factors on specific cell populations. Here we describe a method for the encapsulation of human and mouse skeletal muscle progenitors in diffusible polyethersulfone hollow fiber capsules that can be used to profile systemic aging in-vivo independent of heterogeneous short-range tissue interactions. We observe that circulating long-range signaling factors in the old systemic environment have dominant effects on inflammation related processes that act in concert with increased activity of Myc and E2F transcription factors. Importantly, this signature is conserved across species and a subset of processes altered in encapsulated progenitors, are also affected in brain tissue of heterochronic parabionts. Altogether, our study characterizes the cellular signature of systemic aging mediated by direct effects of long-range signaling factors and identifies conserved therapeutic targets for systemic rejuvenation.