Telomeres are specialized nucleoprotein structures, which protect chromosome ends and have been implicated in the ageing process. Telomere shortening has been shown to contribute to a persistent DNA damage response (DDR) during replicative senescence, the irreversible loss of division potential of somatic cells. Similarly, persistent DDR foci can be found in stress-induced senescence, although their nature is not understood. Here we show, using immuno-fluorescent in situ hybridization and ChIP, that up to half of the DNA damage foci in stress-induced senescence are located at telomeres irrespective of telomerase activity. Moreover, live-cell imaging experiments reveal that all persistent foci are associated with telomeres. Finally, we report an age-dependent increase in frequencies of telomere-associated foci in gut and liver of mice, occurring irrespectively of telomere length. We conclude that telomeres are important targets for stress in vitro and in vivo and this has important consequences for the ageing process.

Chronic inflammation is associated with normal and pathological ageing. Here we show that chronic, progressive low-grade inflammation induced by knockout of the nfkb1 subunit of the transcription factor NF-κB induces premature ageing in mice. We also show that these mice have reduced regeneration in liver and gut. nfkb1(-/-) fibroblasts exhibit aggravated cell senescence because of an enhanced autocrine and paracrine feedback through NF-κB, COX-2 and ROS, which stabilizes DNA damage. Preferential accumulation of telomere-dysfunctional senescent cells in nfkb1(-/-) tissues is blocked by anti-inflammatory or antioxidant treatment of mice, and this rescues tissue regenerative potential. Frequencies of senescent cells in liver and intestinal crypts quantitatively predict mean and maximum lifespan in both short- and long-lived mice cohorts. These data indicate that systemic chronic inflammation can accelerate ageing via ROS-mediated exacerbation of telomere dysfunction and cell senescence in the absence of any other genetic or environmental factor.

Abstract Cell senescence is an important tumour suppressor mechanism and driver of ageing. Both functions are dependent on the development of the senescent phenotype, which involves an overproduction of pro‐inflammatory and pro‐oxidant signals. However, the exact mechanisms regulating these phenotypes remain poorly understood. Here, we show the critical role of mitochondria in cellular senescence. In multiple models of senescence, absence of mitochondria reduced a spectrum of senescence effectors and phenotypes while preserving ATP production via enhanced glycolysis. Global transcriptomic analysis by RNA sequencing revealed that a vast number of senescent‐associated changes are dependent on mitochondria, particularly the pro‐inflammatory phenotype. Mechanistically, we show that the ATM , Akt and mTORC 1 phosphorylation cascade integrates signals from the DNA damage response ( DDR ) towards PGC ‐1β‐dependent mitochondrial biogenesis, contributing to a ROS ‐mediated activation of the DDR and cell cycle arrest. Finally, we demonstrate that the reduction in mitochondrial content in vivo , by either mTORC 1 inhibition or PGC ‐1β deletion, prevents senescence in the ageing mouse liver. Our results suggest that mitochondria are a candidate target for interventions to reduce the deleterious impact of senescence in ageing tissues.

Cellular senescence is a stable proliferation arrest, a potent tumor suppressor mechanism, and a likely contributor to tissue aging. Cellular senescence involves extensive cellular remodeling, including of chromatin structure. Autophagy and lysosomes are important for recycling of cellular constituents and cell remodeling. Here we show that an autophagy/lysosomal pathway processes chromatin in senescent cells. In senescent cells, lamin A/C–negative, but strongly γ-H2AX–positive and H3K27me3-positive, cytoplasmic chromatin fragments (CCFs) budded off nuclei, and this was associated with lamin B1 down-regulation and the loss of nuclear envelope integrity. In the cytoplasm, CCFs were targeted by the autophagy machinery. Senescent cells exhibited markers of lysosomal-mediated proteolytic processing of histones and were progressively depleted of total histone content in a lysosome-dependent manner. In vivo, depletion of histones correlated with nevus maturation, an established histopathologic parameter associated with proliferation arrest and clinical benignancy. We conclude that senescent cells process their chromatin via an autophagy/lysosomal pathway and that this might contribute to stability of senescence and tumor suppression.

Covalent DNA-protein crosslinks (DPCs) are toxic DNA lesions that interfere with essential chromatin transactions, such as replication and transcription. Little was known about DPC-specific repair mechanisms until the recent identification of a DPC-processing protease in yeast. The existence of a DPC protease in higher eukaryotes is inferred from data in Xenopus laevis egg extracts, but its identity remains elusive. Here we identify the metalloprotease SPRTN as the DPC protease acting in metazoans. Loss of SPRTN results in failure to repair DPCs and hypersensitivity to DPC-inducing agents. SPRTN accomplishes DPC processing through a unique DNA-induced protease activity, which is controlled by several sophisticated regulatory mechanisms. Cellular, biochemical, and structural studies define a DNA switch triggering its protease activity, a ubiquitin switch controlling SPRTN chromatin accessibility, and regulatory autocatalytic cleavage. Our data also provide a molecular explanation on how SPRTN deficiency causes the premature aging and cancer predisposition disorder Ruijs-Aalfs syndrome.

To identify approaches to target DNA repair vulnerabilities in cancer, we discovered nanomolar potent, selective, low molecular weight (MW), allosteric inhibitors of the polymerase function of DNA polymerase Polθ, including ART558. ART558 inhibits the major Polθ-mediated DNA repair process, Theta-Mediated End Joining, without targeting Non-Homologous End Joining. In addition, ART558 elicits DNA damage and synthetic lethality in BRCA1- or BRCA2-mutant tumour cells and enhances the effects of a PARP inhibitor. Genetic perturbation screening revealed that defects in the 53BP1/Shieldin complex, which cause PARP inhibitor resistance, result in in vitro and in vivo sensitivity to small molecule Polθ polymerase inhibitors. Mechanistically, ART558 increases biomarkers of single-stranded DNA and synthetic lethality in 53BP1-defective cells whilst the inhibition of DNA nucleases that promote end-resection reversed these effects, implicating these in the synthetic lethal mechanism-of-action. Taken together, these observations describe a drug class that elicits BRCA-gene synthetic lethality and PARP inhibitor synergy, as well as targeting a biomarker-defined mechanism of PARPi-resistance.

ABSTRACT The chromatin remodeler ALC1 is recruited to and activated by DNA damage-induced poly(ADP-ribose) (PAR) chains deposited by PARP1/PARP2/HPF1 upon detection of DNA lesions. ALC1 has emerged as a candidate drug target for cancer therapy as its loss confers synthetic lethality in homologous recombination-deficient cells. However, structure-based drug design and molecular analysis of ALC1 have been hindered by the requirement for PARylation and the highly heterogeneous nature of this post-translational modification. Here, we reconstituted an ALC1 and PARylated nucleosome complex modified in vitro using PARP2 and HPF1. This complex was amenable to cryo-EM structure determination without cross-linking, which enabled visualization of several intermediate states of ALC1 from the recognition of the PARylated nucleosome to the tight binding and activation of the remodeler. Functional biochemical assays with PARylated nucleosomes highlight the importance of nucleosomal epitopes for productive remodeling and reveal that ALC1 preferentially slides nucleosomes away from DNA breaks.

Abstract The mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) integrates mitogenic and stress signals to control growth and metabolism. Activation of mTORC1 by amino acids and growth factors involves recruitment of the complex to the lysosomal membrane and is further supported by lysosome distribution to the cell periphery 1–4 . Here we show that translocation of lysosomes towards the cell periphery brings mTORC1 into proximity with focal adhesions (FAs). We demonstrate that FAs constitute discrete plasma membrane hubs mediating growth factor signaling and amino acid input into the cell. FAs, as well as the translocation of lysosome-bound mTORC1 to their vicinity, are necessary for both peripheral and intracellular mTORC1 activity. Conversely, lysosomal distribution to the cell periphery is dispensable for the activation of mTORC1 constitutively targeted to FAs. This study advances our understanding of spatial mTORC1 regulation by demonstrating that the localization of mTORC1 to FAs is both necessary and sufficient for its activation by growth-promoting stimuli.