Oxidative stress and inflammatory response are the key events in the pathogenesis of chronic airway diseases. The consumption of electronic cigarettes (e-cigs) with a variety of e-liquids/e-juices is alarmingly increasing without the unrealized potential harmful health effects. We hypothesized that electronic nicotine delivery systems (ENDS)/e-cigs pose health concerns due to oxidative toxicity and inflammatory response in lung cells exposed to their aerosols. The aerosols produced by vaporizing ENDS e-liquids exhibit oxidant reactivity suggesting oxidants or reactive oxygen species (OX/ROS) may be inhaled directly into the lung during a “vaping” session. These OX/ROS are generated through activation of the heating element which is affected by heating element status (new versus used), and occurs during the process of e-liquid vaporization. Unvaporized e-liquids were oxidative in a manner dependent on flavor additives, while flavors containing sweet or fruit flavors were stronger oxidizers than tobacco flavors. In light of OX/ROS generated in ENDS e-liquids and aerosols, the effects of ENDS aerosols on tissues and cells of the lung were measured. Exposure of human airway epithelial cells (H292) in an air-liquid interface to ENDS aerosols from a popular device resulted in increased secretion of inflammatory cytokines, such as IL-6 and IL-8. Furthermore, human lung fibroblasts exhibited stress and morphological change in response to treatment with ENDS/e-liquids. These cells also secrete increased IL-8 in response to a cinnamon flavored e-liquid and are susceptible to loss of cell viability by ENDS e-liquids. Finally, exposure of wild type C57BL/6J mice to aerosols produced from a popular e-cig increase pro-inflammatory cytokines and diminished lung glutathione levels which are critical in maintaining cellular redox balance. Thus, exposure to e-cig aerosols/juices incurs measurable oxidative and inflammatory responses in lung cells and tissues that could lead to unrealized health consequences.

Abstract Microgravity is associated with immunological dysfunction, though the mechanisms are poorly understood. Here, using single-cell analysis of human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) exposed to short term (25 hours) simulated microgravity, we characterize altered genes and pathways at basal and stimulated states with a Toll-like Receptor-7/8 agonist. We validate single-cell analysis by RNA sequencing and super-resolution microscopy, and against data from the Inspiration-4 (I4) mission, JAXA (Cell-Free Epigenome) mission, Twins study, and spleens from mice on the International Space Station. Overall, microgravity alters specific pathways for optimal immunity, including the cytoskeleton, interferon signaling, pyroptosis, temperature-shock, innate inflammation (e.g., Coronavirus pathogenesis pathway and IL-6 signaling), nuclear receptors, and sirtuin signaling. Microgravity directs monocyte inflammatory parameters, and impairs T cell and NK cell functionality. Using machine learning, we identify numerous compounds linking microgravity to immune cell transcription, and demonstrate that the flavonol, quercetin, can reverse most abnormal pathways. These results define immune cell alterations in microgravity, and provide opportunities for countermeasures to maintain normal immunity in space.

Cellular senescence is a major driver of aging and age-related diseases. Quantification of senescent cells remains challenging due to the lack of senescence-specific markers and generalist, unbiased methodology. Here, we describe the Fully-Automated Senescence Test (FAST), an image-based method for the high-throughput, single-cell assessment of senescence in cultured cells. FAST quantifies three of the most widely adopted senescence-associated markers for each cell imaged: senescence-associated β-galactosidase activity (SA-β-Gal) using X-Gal, proliferation arrest via lack of 5-ethynyl-2'-deoxyuridine (EdU) incorporation, and enlarged morphology via increased nuclear area. The presented workflow entails microplate image acquisition, image processing, data analysis, and graphing. Standardization was achieved by (i) quantifying colorimetric SA-β-Gal via optical density; (ii) implementing staining background controls; and (iii) automating image acquisition, image processing, and data analysis. In addition to the automated threshold-based scoring, a multivariate machine learning approach is provided. We show that FAST accurately quantifies senescence burden and is agnostic to cell type and microscope setup. Moreover, it effectively mitigates false-positive senescence marker staining, a common issue arising from culturing conditions. Using FAST, we compared X-Gal with fluorescent C

Abstract Cellular senescence is a major driver of aging and age-related diseases. Quantification of senescent cells remains challenging due to the lack of senescence-specific markers and generalist, unbiased methodology. Here, we describe the Fully-Automated Senescence Test (FAST), an image-based method for the high-throughput, single-cell assessment of senescence in cultured cells. FAST quantifies three of the most widely adopted senescence-associated markers for each cell imaged: senescence-associated β-galactosidase activity (SA-β-Gal) using X-Gal, proliferation arrest via lack of 5-ethynyl-2’-deoxyuridine (EdU) incorporation, and enlarged morphology via increased nuclear area. The presented workflow entails microplate image acquisition, image processing, data analysis, and graphing. Standardization was achieved by i) quantifying colorimetric SA-β-Gal via optical density; ii) implementing staining background controls; iii) automating image acquisition, image processing, and data analysis. In addition to the automated threshold-based scoring, a multivariate machine learning approach is provided. We show that FAST accurately quantifies senescence burden and is agnostic to cell type and microscope setup. Moreover, it effectively mitigates false-positive senescence marker staining, a common issue arising from culturing conditions. Using FAST, we compared X-Gal with fluorescent C 12 FDG live-cell SA-β-Gal staining on the single-cell level. We observed only a modest correlation between the two, indicating that those stains are not trivially interchangeable. Finally, we provide proof of concept that our method is suitable for screening compounds that modify senescence burden. This method will be broadly useful to the aging field by enabling rapid, unbiased, and user-friendly quantification of senescence burden in culture, as well as facilitating large-scale experiments that were previously impractical.

Abstract Post-translational modifications, such as lysine acetylation, regulate the activity of diverse proteins across many cellular compartments. Protein deacetylation in mitochondria is catalyzed by the enzymatic activity of the NAD+-dependent deacetylase sirtuin 3 (SIRT3), however it remains unclear whether corresponding mitochondrial acetyltransferases exist. We used a bioinformatics approach to search for mitochondrial proteins with an acetyltransferase catalytic domain, and identified a novel splice variant of ELP3 (mt-ELP3) of the elongator complex, which localizes to the mitochondrial matrix in mammalian cells. Unexpectedly, mt-ELP3 does not mediate mitochondrial protein acetylation but instead induces a post-transcriptional modification of mitochondrial-transfer RNAs (mt-tRNAs). Overexpression of mt-ELP3 leads to the protection of mt-tRNAs against the tRNA-specific RNase angiogenin, increases mitochondrial translation, and furthermore increases expression of OXPHOS complexes. This study thus identifies mt-ELP3 as a non-canonical mt-tRNA modifying enzyme.