Ageing is a degenerative process that leads to tissue dysfunction and death. A proposed cause of ageing is the accumulation of epigenetic noise that disrupts gene expression patterns, leading to decreases in tissue function and regenerative capacity1-3. Changes to DNA methylation patterns over time form the basis of ageing clocks4, but whether older individuals retain the information needed to restore these patterns-and, if so, whether this could improve tissue function-is not known. Over time, the central nervous system (CNS) loses function and regenerative capacity5-7. Using the eye as a model CNS tissue, here we show that ectopic expression of Oct4 (also known as Pou5f1), Sox2 and Klf4 genes (OSK) in mouse retinal ganglion cells restores youthful DNA methylation patterns and transcriptomes, promotes axon regeneration after injury, and reverses vision loss in a mouse model of glaucoma and in aged mice. The beneficial effects of OSK-induced reprogramming in axon regeneration and vision require the DNA demethylases TET1 and TET2. These data indicate that mammalian tissues retain a record of youthful epigenetic information-encoded in part by DNA methylation-that can be accessed to improve tissue function and promote regeneration in vivo.

All living things experience an increase in entropy, manifested as a loss of genetic and epigenetic information. In yeast, epigenetic information is lost over time due to the relocalization of chromatin-modifying proteins to DNA breaks, causing cells to lose their identity, a hallmark of yeast aging. Using a system called "ICE" (inducible changes to the epigenome), we find that the act of faithful DNA repair advances aging at physiological, cognitive, and molecular levels, including erosion of the epigenetic landscape, cellular exdifferentiation, senescence, and advancement of the DNA methylation clock, which can be reversed by OSK-mediated rejuvenation. These data are consistent with the information theory of aging, which states that a loss of epigenetic information is a reversible cause of aging.

Germline mutations involving small mothers against decapentaplegic-transforming growth factor-β (SMAD-TGF-β) signaling are an important but rare cause of pulmonary arterial hypertension (PAH), which is a disease characterized, in part, by vascular fibrosis and hyperaldosteronism (ALDO). We developed and analyzed a fibrosis protein-protein network (fibrosome) in silico, which predicted that the SMAD3 target neural precursor cell expressed developmentally down-regulated 9 (NEDD9) is a critical ALDO-regulated node underpinning pathogenic vascular fibrosis. Bioinformatics and microscale thermophoresis demonstrated that oxidation of Cys18 in the SMAD3 docking region of NEDD9 impairs SMAD3-NEDD9 protein-protein interactions in vitro. This effect was reproduced by ALDO-induced oxidant stress in cultured human pulmonary artery endothelial cells (HPAECs), resulting in impaired NEDD9 proteolytic degradation, increased NEDD9 complex formation with Nk2 homeobox 5 (NKX2-5), and increased NKX2-5 binding to COL3A1 Up-regulation of NEDD9-dependent collagen III expression corresponded to changes in cell stiffness measured by atomic force microscopy. HPAEC-derived exosomal signaling targeted NEDD9 to increase collagen I/III expression in human pulmonary artery smooth muscle cells, identifying a second endothelial mechanism regulating vascular fibrosis. ALDO-NEDD9 signaling was not affected by treatment with a TGF-β ligand trap and, thus, was not contingent on TGF-β signaling. Colocalization of NEDD9 with collagen III in HPAECs was observed in fibrotic pulmonary arterioles from PAH patients. Furthermore, NEDD9 ablation or inhibition prevented fibrotic vascular remodeling and pulmonary hypertension in animal models of PAH in vivo. These data identify a critical TGF-β-independent posttranslational modification that impairs SMAD3-NEDD9 binding in HPAECs to modulate vascular fibrosis and promote PAH.

DNA methylation dynamics have emerged as a promising biomarker of mammalian aging, with multivariate machine learning models (‘epigenetic clocks’) enabling measurement of biological age in bulk tissue samples. However, intrinsically sparse and binarized methylation profiles of individual cells have so far precluded the assessment of aging in single-cell data. Here we introduce scAge, a statistical framework for epigenetic age profiling at single-cell resolution, and validate our approach in mice. Our method recapitulates the chronological age of tissues while uncovering heterogeneity among cells. We show accurate tracking of the aging process in hepatocytes, demonstrate attenuated epigenetic aging in muscle stem cells and track age dynamics in embryonic stem cells. We also use scAge to reveal, at the single-cell level, a natural and stratified rejuvenation event occurring during early embryogenesis. We provide our framework as a resource to enable exploration of epigenetic aging trajectories at single-cell resolution. Epigenetic clocks emerged as crucial biomarkers of the aging process, but their use has so far been limited to bulk samples. Trapp et al. unveil a new statistical framework that enables epigenetic age profiling at single-cell resolution.

Development is tightly connected to aging, but whether pharmacologically targeting development can extend life remains unknown. Here, we subjected genetically diverse UMHET3 mice to rapamycin for the first 45 days of life. The mice grew slower and remained smaller than controls for their entire lives. Their reproductive age was delayed without affecting offspring numbers. The treatment was sufficient to extend the median life span by 10%, with the strongest effect in males, and helped to preserve health as measured by frailty index scores, gait speed, and glucose and insulin tolerance tests. Mechanistically, the liver transcriptome and epigenome of treated mice were younger at the completion of treatment. Analogous to mice, rapamycin exposure during development robustly extended the life span of Daphnia magna and reduced its body size. Overall, the results demonstrate that short-term rapamycin treatment during development is a novel longevity intervention that acts by slowing down development and aging, suggesting that aging may be targeted already early in life.

Abstract The naked mole-rat (NMR) is an exceptionally long-lived rodent that shows no increase of mortality with age, defining it as a demographically non-aging mammal. Here, we perform bisulfite sequencing of the blood of > 100 NMRs, assessing > 3 million common CpG sites. Unsupervised clustering based on sites whose methylation correlates with age reveals an age-related methylome remodeling, and we also observe a methylome information loss, suggesting that NMRs age. We develop an epigenetic aging clock that accurately predicts the NMR age. We show that these animals age much slower than mice and much faster than humans, consistent with their known maximum lifespans. Interestingly, patterns of age-related changes of clock sites in Tert and Prpf19 differ between NMRs and mice, but there are also sites conserved between the two species. Together, the data indicate that NMRs, like other mammals, epigenetically age even in the absence of demographic aging of this species.

The FOXM1 transcription factor exhibits pleiotropic C-terminal transcriptional and N-terminal non-transcriptional functions in various biological processes critical for cellular homeostasis. We previously found that FOXM1 repression during cellular aging underlies the senescence phenotypes, which were vastly restored by overexpressing transcriptionally active FOXM1. Yet, it remains unknown whether increased expression of FOXM1 can delay organismal aging. Here, we show that in vivo cyclic induction of an N-terminal truncated FOXM1 transgene on progeroid and naturally aged mice offsets aging-associated repression of full-length endogenous Foxm1, reinstating both transcriptional and non-transcriptional functions. This translated into mitigation of several cellular aging hallmarks, as well as molecular and histopathological progeroid features of the short-lived Hutchison-Gilford progeria mouse model, significantly extending its lifespan. FOXM1 transgene induction also reinstated endogenous Foxm1 levels in naturally aged mice, delaying aging phenotypes while extending their lifespan. Thus, we disclose that FOXM1 genetic rewiring can delay senescence-associated progeroid and natural aging pathologies.

Abstract Several interventions have recently emerged that were proposed to reverse rather than just attenuate aging, but the criteria for what it takes to achieve rejuvenation remain controversial. Distinguishing potential rejuvenation therapies from other longevity interventions, such as those that slow down aging, is challenging, and these anti‐aging strategies are often referred to interchangeably. We suggest that the prerequisite for a rejuvenation intervention is a robust, sustained, and systemic reduction in biological age, which can be assessed by biomarkers of aging, such as epigenetic clocks. We discuss known and putative rejuvenation interventions and comparatively analyze them to explore underlying mechanisms.

Abstract DNA methylation (DNAm) is one of the most reliable biomarkers for aging across many mammalian tissues. While the age-dependent global loss of DNAm has been well characterized, age-dependent DNAm gain is less specified. Multiple studies have demonstrated that polycomb repressive complex 2 (PRC2) targets are enriched among the CpG sites which gain methylation with age. However, a systematic whole-genome examination of all PRC2 targets in the context of aging methylome as well as whether these associations are pan-tissue or tissue-specific is lacking. Here, by analyzing DNAm data from different assays and from multiple young and old human and mouse tissues, we found that low-methylated regions (LMRs) which are highly bound by PRC2 in embryonic stem cells gain methylation with age in all examined somatic mitotic cells. We also estimated that this epigenetic change represents around 90% of the age-dependent DNAm gain genome-wide. Therefore, we propose the “PRC2 clock,” defined as the average DNAm in PRC2 LMRs, as a universal biomarker of cellular aging in somatic cells. In addition, we demonstrate the application of this biomarker in the evaluation of different anti-aging interventions, including dietary restriction and partial epigenetic reprogramming.

ABSTRACT DNA methylation of a defined set of CpG dinucleotides emerged as a critical and precise biomarker of the aging process. Multi-variate machine learning models, known as epigenetic clocks, can exploit quantitative changes in the methylome to predict the age of bulk tissue with remarkable accuracy. However, intrinsic sparsity and digitized methylation in individual cells have so far precluded the assessment of aging in single cell data. Here, we present scAge, a probabilistic approach to determine the epigenetic age of single cells, and validate our results in mice. scAge tissue-specific and multi-cell type single cell clocks correctly recapitulate chronological age of the original tissue, while uncovering the inherent heterogeneity that exists at the single-cell level. The data suggest that while tissues age in a coordinated fashion, some cells age more or less rapidly than others. We show that individual embryonic stem cells exhibit an age close to zero, that certain stem cells in a tissue show a reduced age compared to their chronological age, and that early embryogenesis is associated with the reduction of epigenetic age of individual cells, the latter supporting a natural rejuvenation event during gastrulation. scAge is both robust against the low coverage that is characteristic of single cell sequencing techniques and is flexible for studying any cell type and vertebrate organism of interest. This study demonstrates for the first time the potential for accurate epigenetic age profiling at single-cell resolution.