Adult stem cells persist in mammalian tissues by entering a state of reversible arrest (quiescence) associated with low transcription. Using cultured myoblasts and primary muscle stem cells, we show that RNA synthesis is strongly repressed in G0, returning within minutes of activation. We investigate the underlying mechanism and reveal a role for promoter-proximal RNAPol II pausing: by mapping global Pol II occupancy using ChIP-seq, in conjunction with RNA-seq to identify repressed transcriptional networks unique to G0. Strikingly, Pol II pausing is enhanced in G0 on genes encoding regulators of RNA biogenesis (Ncl, Rps24, Ctdp1), and release of pausing is critical for cell cycle re-entry. Finally, we uncover a novel, unexpected repressive role of the super-elongation complex component Aff4 in G0-specific stalling. We propose a model wherein Pol II pausing restrains transcription to maintain G0, preconfigures gene networks required for the G0-G1 transition, and sets the timing of their transcriptional activation.

Reversible cell cycle arrest (quiescence/G0) is characteristic of adult stem cells and is actively controlled at multiple levels. G0 cells extend a primary cilium, which functions as a signaling hub, but how it controls the quiescence program is not clear. Here, we report that primary cilia distinguish different states of cell cycle exit: quiescent myoblasts elaborate a primary cilium in vivo and in vitro, but terminally differentiated myofibers do not. Myoblasts where ciliogenesis is ablated using RNAi against a key ciliary assembly protein (IFT88) can exit the cell cycle but display an altered quiescence program and impaired self-renewal. Specifically, the G0 transcriptome in IFT88 knockdown cells is aberrantly enriched for G2/M regulators, suggesting a focused repression of this network by the cilium. Cilium-ablated cells also exhibit features of activation including enhanced activity of Wnt and mitogen signaling, and elevated protein synthesis via inactivation of the translational repressor 4EBP1. Taken together, our results show that the primary cilium integrates and dampens proliferative signaling, represses translation and G2/M genes, and is integral to the establishment of the quiescence program.

ABSTRACT Aging is often perceived as a degenerative process resulting from random accrual of cellular damage over time. Despite this, age can be accurately estimated by epigenetic clocks based on DNA methylation profiles from almost any tissue of the body. Since such pan-tissue epigenetic clocks have been successfully developed for several different species, we hypothesized that one can build pan-mammalian clocks that measure age in all mammalian species. To address this, we generated data using 11,754 methylation arrays, each profiling up to 36 thousand cytosines in highly-conserved stretches of DNA, from 59 tissue-types derived from 185 mammalian species. From these methylation profiles, we constructed three age predictors, each with a single mathematical formula, termed universal pan-mammalian clocks that are accurate in estimating the age (r>0.96) of any mammalian tissue. Deviations between epigenetic age and chronological age relate to mortality risk in humans, mutations that affect the somatotropic axis in mice, and caloric restriction. We characterized specific cytosines, whose methylation levels change with age across most mammalian species. These cytosines are greatly enriched in polycomb repressive complex 2-binding sites, are located in regions that gradually lose chromatin accessibility with age and are proximal to genes that play a role in mammalian development, cancer, human obesity, and human longevity. Collectively, these results support the notion that aging is indeed evolutionarily conserved and coupled to developmental processes across all mammalian species - a notion that was long-debated without the benefit of this new compelling evidence. SUMMARY This study identifies and characterizes evolutionarily conserved cytosines implicated in the aging process across mammals and establishes pan mammalian epigenetic clocks.