To elucidate gene function on a global scale, we identified pairs of genes that are coexpressed over 3182 DNA microarrays from humans, flies, worms, and yeast. We found 22,163 such coexpression relationships, each of which has been conserved across evolution. This conservation implies that the coexpression of these gene pairs confers a selective advantage and therefore that these genes are functionally related. Manyof these relationships provide strong evidence for the involvement of new genes in core biological functions such as the cell cycle, secretion, and protein expression. We experimentallyconfirmed the predictions implied bysome of these links and identified cell proliferation functions for several genes. By assembling these links into a gene-coexpression network, we found several components that were animal-specific as well as interrelationships between newly evolved and ancient modules.

We have assembled data from Caenorhabditis elegans DNA microarray experiments involving many growth conditions, developmental stages, and varieties of mutants. Co-regulated genes were grouped together and visualized in a three-dimensional expression map that displays correlations of gene expression profiles as distances in two dimensions and gene density in the third dimension. The gene expression map can be used as a gene discovery tool to identify genes that are co-regulated with known sets of genes (such as heat shock, growth control genes, germ line genes, and so forth) or to uncover previously unknown genetic functions (such as genomic instability in males and sperm caused by specific transposons).

Programmed cell death is a physiological process that eliminates unwanted cells. The bcl-2 gene regulates programmed cell death in mammalian cells, but the way it functions is not known. Expression of the human bcl-2 gene in the nematode Caenorhabditis elegans reduced the number of programmed cell deaths, suggesting that the mechanism of programmed cell death controlled by bcl-2 in humans is the same as that in nematodes.

We used DNA microarrays to profile gene expression patterns in the C. elegans germline and identified 1416 germline-enriched transcripts that define three groups. The sperm-enriched group contains an unusually large number of protein kinases and phosphatases. The oocyte-enriched group includes potentially new components of embryonic signaling pathways. The germline-intrinsic group, defined as genes expressed similarly in germlines making only sperm or only oocytes, contains a family of piwi-related genes that may be important for stem cell proliferation. Finally, examination of the chromosomal location of germline transcripts revealed that sperm-enriched and germline-intrinsic genes are nearly absent from the X chromosome, but oocyte-enriched genes are not.

We present the AGEMAP (Atlas of Gene Expression in Mouse Aging Project) gene expression database, which is a resource that catalogs changes in gene expression as a function of age in mice. The AGEMAP database includes expression changes for 8,932 genes in 16 tissues as a function of age. We found great heterogeneity in the amount of transcriptional changes with age in different tissues. Some tissues displayed large transcriptional differences in old mice, suggesting that these tissues may contribute strongly to organismal decline. Other tissues showed few or no changes in expression with age, indicating strong levels of homeostasis throughout life. Based on the pattern of age-related transcriptional changes, we found that tissues could be classified into one of three aging processes: (1) a pattern common to neural tissues, (2) a pattern for vascular tissues, and (3) a pattern for steroid-responsive tissues. We observed that different tissues age in a coordinated fashion in individual mice, such that certain mice exhibit rapid aging, whereas others exhibit slow aging for multiple tissues. Finally, we compared the transcriptional profiles for aging in mice to those from humans, flies, and worms. We found that genes involved in the electron transport chain show common age regulation in all four species, indicating that these genes may be exceptionally good markers of aging. However, we saw no overall correlation of age regulation between mice and humans, suggesting that aging processes in mice and humans may be fundamentally different.

Summary

 C. elegans SIR-2.1, a member of the Sir-2 family of NAD⁺-dependent protein deacetylases, has been shown to regulate nematode aging via the insulin/IGF pathway transcription factor daf-16. Treatment of C. elegans with the small molecule resveratrol, however, extends life span in a manner fully dependent upon sir-2.1, but independent of daf-16. Microarray analysis of worms treated with resveratrol demonstrates the transcriptional induction of a family of genes encoding prion-like glutamine/asparagine-rich proteins involved in endoplasmic reticulum (ER) stress response to unfolded proteins. RNA interference of abu-11, a member of this ER stress gene family, abolishes resveratrol-mediated life span extension, and overexpression of abu-11 extends the life span of transgenic animals. Furthermore, SIR-2.1 normally represses transcription of abu-11 and other ER stress gene family members, indicating that resveratrol extends life span by inhibiting sir-2.1-mediated repression of ER stress genes. Our findings demonstrate that abu-11 and other members of its ER stress gene family are positive determinants of C. elegans life span.

We analyzed expression of 81 normal muscle samples from humans of varying ages, and have identified a molecular profile for aging consisting of 250 age-regulated genes. This molecular profile correlates not only with chronological age but also with a measure of physiological age. We compared the transcriptional profile of muscle aging to previous transcriptional profiles of aging in the kidney and the brain, and found a common signature for aging in these diverse human tissues. The common aging signature consists of six genetic pathways; four pathways increase expression with age (genes in the extracellular matrix, genes involved in cell growth, genes encoding factors involved in complement activation, and genes encoding components of the cytosolic ribosome), while two pathways decrease expression with age (genes involved in chloride transport and genes encoding subunits of the mitochondrial electron transport chain). We also compared transcriptional profiles of aging in humans to those of the mouse and fly, and found that the electron transport chain pathway decreases expression with age in all three organisms, suggesting that this may be a public marker for aging across species.

Telomerase serves a critical role in stem cell function and tissue homeostasis. This role depends on its ability to synthesize telomere repeats in a manner dependent on the reverse transcriptase (RT) function of its protein component telomerase RT (TERT), as well as on a novel pathway whose mechanism is poorly understood. Here, we use a TERT mutant lacking RT function (TERTci) to study the mechanism of TERT action in mammalian skin, an ideal tissue for studying progenitor cell biology. We show that TERTci retains the full activities of wild-type TERT in enhancing keratinocyte proliferation in skin and in activating resting hair follicle stem cells, which triggers initiation of a new hair follicle growth phase and promotes hair synthesis. To understand the nature of this RT-independent function for TERT, we studied the genome-wide transcriptional response to acute changes in TERT levels in mouse skin. We find that TERT facilitates activation of progenitor cells in the skin and hair follicle by triggering a rapid change in gene expression that significantly overlaps the program controlling natural hair follicle cycling in wild-type mice. Statistical comparisons to other microarray gene sets using pattern-matching algorithms revealed that the TERT transcriptional response strongly resembles those mediated by Myc and Wnt, two proteins intimately associated with stem cell function and cancer. These data show that TERT controls tissue progenitor cells via transcriptional regulation of a developmental program converging on the Myc and Wnt pathways.