Partial reprogramming by expression of reprogramming factors (Oct4, Sox2, Klf4 and c-Myc) for short periods of time restores a youthful epigenetic signature to aging cells and extends the life span of a premature aging mouse model. However, the effects of longer-term partial reprogramming in physiologically aging wild-type mice are unknown. Here, we performed various long-term partial reprogramming regimens, including different onset timings, during physiological aging. Long-term partial reprogramming lead to rejuvenating effects in different tissues, such as the kidney and skin, and at the organismal level; duration of the treatment determined the extent of the beneficial effects. The rejuvenating effects were associated with a reversion of the epigenetic clock and metabolic and transcriptomic changes, including reduced expression of genes involved in the inflammation, senescence and stress response pathways. Overall, our observations indicate that partial reprogramming protocols can be designed to be safe and effective in preventing age-related physiological changes. We further conclude that longer-term partial reprogramming regimens are more effective in delaying aging phenotypes than short-term reprogramming.

Metabolic rewiring and mitochondrial dynamics remodelling are hallmarks of cell reprogramming, but the roles of the reprogramming factors in these changes are not fully understood. Here we show that c-MYC induces biosynthesis of fatty acids and increases the rate of pentose phosphate pathway. Time-course profiling of fatty acids and complex lipids during cell reprogramming using lipidomics revealed a profound remodelling of the lipid content, as well as the saturation and length of their acyl chains, in a c-MYC-dependent manner. Pluripotent cells displayed abundant cardiolipins and scarce phosphatidylcholines, with a prevalence of monounsaturated acyl chains. Cells undergoing cell reprogramming showed an increase in mitochondrial membrane potential that paralleled that of mitochondrial-specific cardiolipins. We conclude that c-MYC controls the rewiring of somatic cell metabolism early in cell reprogramming by orchestrating cell proliferation, synthesis of macromolecular components and lipid remodelling, all necessary processes for a successful phenotypic transition to pluripotency. c-MYC promotes anabolic metabolism, mitochondrial fitness and lipid remodelling early in cell reprogramming. A high rate of aerobic glycolysis is crucial to provide intermediaries for biosynthetic pathways. To ensure the availability of nucleotides, amino acids and lipids for cell proliferation, cells must provide with a constant flux of the elemental building blocks for macromolecule assembly and fulfil the anabolic demands to reach the critical cellular mass levels to satisfactorily undergo cell division. A high rate of aerobic glycolysis is induced by c-MYC, increasing the amounts of intracellular Glucose-6-phosphate (G6P), fructose-6-phosphate (F6P), and glyceraldehyde-3-phosphate (GA3P), which can all enter pentose phosphate pathway (PPP) to produce Ribose-5-Phosphate (R5P) and NADPH, which are necessary for the biosynthesis of biomolecules such as proteins, nucleic acids, or lipids. C-MYC-dependent activation of glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PD) may play a critical role in the shunting of G6P to PPP and generation of NADPH. High glycolytic flux increases the amounts of dihydroxyacetone phosphate (DHAP), which is crucial for biosynthesis of phospholipids and triacylglycerols, and pyruvate (Pyr), which can be converted to citrate (Cit) in the mitochondria and enter the biosynthesis of fatty acids (FA). During cell reprogramming, c-MYC-dependent lipid remodelling leads to Polyunsaturated Fatty Acid (PUFA) downregulation and Monounsaturated Fatty Acid (MUFA) upregulation, which may play critical roles in cytoarchitectural remodelling of cell membrane or non-canonical autophagy, respectively. Cardiolipin (pink dots) rise early in cell reprogramming correlates with an increase in mitochondrial fitness, suggesting that c-MYC may restore proper levels of cardiolipins and antioxidant proteins, such as UCP2, to guarantee an optimal mitochondrial function while upholding ROS levels, reinforcing the idea of cell rejuvenation early in cell reprogramming.

Abstract Defect in the SMN1 gene causes spinal muscular atrophy (SMA), which shows loss of motor nerve cells, muscle weakness and atrophy. While current treatment strategies, including small molecules or viral vectors, have been reported to improve motor function and survival, an ultimate and long-term treatment to correct SMA endogenous mutations and improve its phenotypes is still highly challenging. We have previously developed a CRISPR-Cas9 based homology-independent targeted integration (HITI) strategy, which allowed for unidirectional DNA knock-in in both dividing and non-dividing cells in vivo . Here, we demonstrated its utility by correcting a SMA mutation in mice, and when combined with Smn1 cDNA supplementation show SMA long-term therapeutic benefits in mice. Our observations may provide new avenues for long term and efficient treatment of inherited diseases. Summary The Gene-DUET strategy by combining cDNA supplementation and genome editing was sufficient to ameliorate SMA phenotypes in mouse model in vivo .