ABSTRACT Cellular senescence is a mechanism by which cells permanently withdraw from the cell cycle in response to stresses including telomere shortening, DNA damage, or oncogenic signaling. Senescent cells contribute to both age-related degeneration and hyperplastic pathologies, including cancer. In culture, normal human epithelial cells enter senescence after a limited number of cell divisions, known as replicative senescence. Here, to investigate how metabolic pathways regulate replicative senescence, we used LC-MS–based metabolomics to analyze senescent primary human mammary epithelial cells (HMECs). We did not observe significant changes in glucose uptake or lactate secretion in senescent HMECs. However, analysis of intracellular metabolite pool sizes indicated that senescent cells exhibit depletion of metabolites from nucleotide synthesis pathways. Furthermore, stable isotope tracing with 13 C-labeled glucose or glutamine revealed a dramatic blockage of flux of these two metabolites into nucleotide synthesis pathways in senescent HMECs. To test whether cellular immortalization would reverse these observations, we expressed telomerase in HMECs. In addition to preventing senescence, telomerase expression maintained metabolic flux from glucose into nucleotide synthesis pathways. Finally, we investigated whether inhibition of nucleotide synthesis in proliferating HMECs is sufficient to induce senescence. In proliferating HMECs, both pharmacological and genetic inhibition of ribonucleotide reductase regulatory subunit M2 (RRM2), a rate-limiting enzyme in dNTP synthesis, induced premature senescence with concomitantly decreased metabolic flux from glucose into nucleotide synthesis. Taken together, our results suggest that nucleotide synthesis inhibition plays a causative role in the establishment of replicative senescence in HMECs.

Abstract The hypothalamus contains an astounding heterogeneity of neurons to achieve its role in regulating endocrine, autonomic and behavioral functions. Despite previous progress in deciphering the gene regulatory programs linked to hypothalamus development, its molecular developmental trajectory and origin of neuronal diversity remain largely unknown. Here we combine transcriptomic profiling of 43,261 cells derived from Rax + hypothalamic neuroepithelium with lineage tracing to map a developmental landscape of mouse hypothalamus and delineate the developmental trajectory of radial glial cells (RGCs), intermediate progenitor cells (IPCs), nascent neurons and peptidergic neurons in the lineage hierarchy. We show that RGCs adopt a conserved strategy for multipotential differentiation but generate both Ascl1 + and Neurog2 + IPCs, which display regionally differential origins in telencephalon. As transit-amplifying cells, Ascl1 + IPCs differ from their telencephalic counterpart by displaying fate bifurcation to produce both glutamatergic and GABAergic neurons. After classifying the developing neurons into 29 subtypes coded by diverse transcription factors, neurotransmitters and neuropeptides, we identified their molecular determinants via regulon analysis and further found that postmitotic neurons at nascent state possess the potential to resolve into more diverse subtypes of peptidergic neurons. Together, our study offers a single-cell framework for hypothalamus development and reveals that multiple cell types along the order of lineage hierarchy contribute to the fate diversification of hypothalamic neurons in a stepwise fashion, suggesting that a cascade diversifying model can deconstruct the origin of neuronal diversity.

Abstract Enhancing the photosynthetic induction response to fluctuating light has been suggested as a key target for improvement in crop breeding programs, with the potential to substantially increase whole canopy carbon assimilation and contribute to crop yield potential. Rubisco activation may be the main physiological process that will allow us to achieve such a goal. In this study, we phenotypically assessed the rubisco activation rate in a doubled haploid (DH) barley mapping population [131 lines from a Yerong/Franklin (Y/F) cross] after a switch from moderate to saturating light. Rates of rubisco activation were found to be highly variable across the mapping population, with a median activation rate of 0.1 min −1 in the slowest genotype and 0.74 min −1 in the fastest genotype. A QTL for rubisco activation rate was identified on chromosome 7H. This is the first report on the identification of a QTL for rubisco activation rate in planta and the discovery opens the door to marker assisted breeding to improve whole canopy photosynthesis of barley. Further strength is given to this finding as this QTL colocalised with QTLs identified for steady state photosynthesis and stomatal conductance. Several other distinct QTLs were identified for these steady state traits, with a common overlapping QTL on chromosome 2H, and distinct QTLs for photosynthesis and stomatal conductance identified on chromosomes 4H and 5H respectively. Future work should aim to validate these QTLs under field conditions so that they can be used to aid plant breeding efforts. Highlight Significant variation exists in the photosynthetic induction response after a switch from moderate to saturating light across a barley doubled haploid population. A QTL for rubisco activation rate was identified on chromosome 7H, as well as overlapping QTLs for steady state photosynthesis and stomatal conductance.