Abstract Epigenetic “clocks” can now surpass chronological age in accuracy for estimating biological age. Here, we use four such age estimators to show that epigenetic aging can be reversed in humans. Using a protocol intended to regenerate the thymus, we observed protective immunological changes, improved risk indices for many age‐related diseases, and a mean epigenetic age approximately 1.5 years less than baseline after 1 year of treatment (−2.5‐year change compared to no treatment at the end of the study). The rate of epigenetic aging reversal relative to chronological age accelerated from −1.6 year/year from 0–9 month to −6.5 year/year from 9–12 month. The GrimAge predictor of human morbidity and mortality showed a 2‐year decrease in epigenetic vs. chronological age that persisted six months after discontinuing treatment. This is to our knowledge the first report of an increase, based on an epigenetic age estimator, in predicted human lifespan by means of a currently accessible aging intervention.

Abstract The geroscience hypothesis proposes that therapy to slow or reverse molecular changes that occur with aging can delay or prevent multiple chronic diseases and extend healthy lifespan 1–3 . Caloric restriction (CR), defined as lessening caloric intake without depriving essential nutrients 4 , results in changes in molecular processes that have been associated with aging, including DNA methylation (DNAm) 5–7 , and is established to increase healthy lifespan in multiple species 8,9 . Here we report the results of a post hoc analysis of the influence of CR on DNAm measures of aging in blood samples from the Comprehensive Assessment of Long-term Effects of Reducing Intake of Energy (CALERIE) trial, a randomized controlled trial in which n = 220 adults without obesity were randomized to 25% CR or ad libitum control diet for 2 yr (ref. 10 ). We found that CALERIE intervention slowed the pace of aging, as measured by the DunedinPACE DNAm algorithm, but did not lead to significant changes in biological age estimates measured by various DNAm clocks including PhenoAge and GrimAge. Treatment effect sizes were small. Nevertheless, modest slowing of the pace of aging can have profound effects on population health 11–13 . The finding that CR modified DunedinPACE in a randomized controlled trial supports the geroscience hypothesis, building on evidence from small and uncontrolled studies 14–16 and contrasting with reports that biological aging may not be modifiable 17 . Ultimately, a conclusive test of the geroscience hypothesis will require trials with long-term follow-up to establish effects of intervention on primary healthy-aging endpoints, including incidence of chronic disease and mortality 18–20 .

Maximum lifespan of a species is the oldest that individuals can survive, reflecting the genetic limit of longevity in an ideal environment. Here we report methylation-based models that accurately predict maximum lifespan (r=0.89), gestational time (r=0.96), and age at sexual maturity (r=0.87), using cytosine methylation patterns collected from over 12,000 samples derived from 192 mammalian species. Our epigenetic maximum lifespan predictor corroborated the extended lifespan in growth hormone receptor knockout mice and rapamycin treated mice. Across dog breeds, epigenetic maximum lifespan correlates positively with breed lifespan but negatively with breed size. Lifespan-related cytosines are located in transcriptional regulatory regions, such as bivalent chromatin promoters and polycomb-repressed regions, which were hypomethylated in long-lived species. The epigenetic estimators of maximum lifespan and other life history traits will be useful for characterizing understudied species and for identifying interventions that extend lifespan.

Abstract Epigenetic changes are required for normal development, yet the nature and respective contribution of factors that drive epigenetic variation in humans remain to be fully characterized. Here, we assessed how the blood DNA methylome of 884 adults is affected by DNA sequence variation, age, sex and 139 factors relating to life habits and immunity. Furthermore, we investigated whether these effects are mediated or not by changes in cellular composition, measured by deep immunophenotyping. We show that DNA methylation differs substantially between naïve and memory T cells, supporting the need for adjustment on these cell-types. By doing so, we find that latent cytomegalovirus infection drives DNA methylation variation and provide further support that the increased dispersion of DNA methylation with aging is due to epigenetic drift. Finally, our results indicate that cellular composition and DNA sequence variation are the strongest predictors of DNA methylation, highlighting critical factors for medical epigenomics studies.

Early-life adversity increases the risk of health problems. Interventions supporting protective and responsive caregiving offer a promising approach to attenuating adversity-induced changes in stress-sensitive biomarkers. This study tested whether participation in an evidence-based dyadic psychosocial intervention, child–parent psychotherapy (CPP), was related to lower epigenetic age acceleration, a trauma-sensitive biomarker of accelerated biological aging that is associated with later health impairment, in a sample of children with trauma histories. Within this quasi-experimental, repeated-measures study, we examined epigenetic age acceleration at baseline and postintervention in a low-income sample of children receiving CPP treatment ( n = 45; age range = 2–6 years; 76% Latino) compared with a weighted, propensity-matched community-comparison sample ( n = 110; age range = 3–6 years; 40% Latino). Baseline epigenetic age acceleration was equivalent across groups. However, posttreatment, epigenetic age acceleration in the treatment group was lower than in the matched community sample. Findings highlight the potential for a dyadic psychosocial intervention to ameliorate accelerated biological aging in trauma-exposed children.

DNA methylation is an epigenetic modification, influenced by both genetic and environmental variation, that can affect transcription and many organismal phenotypes. Although patterns of DNA methylation have been shown to differ between human populations, it remains to be determined whether epigenetic diversity mirrors the patterns observed for DNA polymorphisms or gene expression levels. We measured DNA methylation at 480,000 sites in 34 individuals from five diverse human populations in the Human Genome Diversity Panel, and analyzed these together with single nucleotide polymorphisms (SNPs) and gene expression data. We found greater population-specificity of DNA methylation than of mRNA levels, which may be driven by the greater genetic control of methylation. This study provides insights into gene expression and its epigenetic regulation across populations and offers a deeper understanding of worldwide patterns of epigenetic diversity in humans.

Background: DNA methylation profiling of peripheral blood leukocytes has many research applications, and characterizing the changes in DNA methylation of specific white blood cell types between newborn and adult could add insight into the maturation of the immune system. As a consequence of developmental changes, DNA methylation profiles derived from adult white blood cells are poor references for prediction of cord blood cell types from DNA methylation data. We thus examined cell-type specific differences in DNA methylation in leukocyte subsets between cord and adult blood, and assessed the impact of these differences on prediction of cell types in cord blood. Results: Though all cell types showed differences between cord and adult blood, some specific patterns stood out that reflected how the immune system changes after birth. In cord blood, lymphoid cells showed less variability than in adult, potentially demonstrating their naive status. In fact, cord CD4 and CD8 T cells were so similar that genetic effects on DNA methylation were greater than cell type effects in our analysis, and CD8 T cell frequencies remained difficult to predict, even after optimizing the library used for cord blood composition estimation. Myeloid cells showed fewer changes between cord and adult and also less variability, with monocytes showing the fewest sites of DNA methylation change between cord and adult. Finally, including nucleated red blood cells in the reference library was necessary for accurate cell type predictions in cord blood. Conclusion: Changes in DNA methylation with age were highly cell type specific, and those differences paralleled what is known about the maturation of the postnatal immune system.

Summary Treg cell therapy is a promising curative approach for a variety of immune-mediated conditions. CRISPR-based genome editing allows precise insertion of transgenes through homology-directed repair, but use in human Tregs has been limited. We report an optimized protocol for CRISPR-mediated gene knock-in in human Tregs with high-yield expansion. To establish a benchmark of human Treg dysfunction, we targeted the master transcription factor FOXP3 in naive and memory Tregs. Although FOXP3-knockout Tregs upregulated cytokine expression, effects on suppressive capacity manifested slowly and primarily in memory Tregs. Moreover, FOXP3-knockout Tregs retained their characteristic phenotype and had few changes in their DNA methylation landscape, with FOXP3 maintaining methylation at regions enriched for AP-1 binding sites. Thus, while FOXP3 is important for human Treg development, it has a limited role in maintaining mature Treg identity. Optimized gene knock-in with human Tregs will enable mechanistic studies and the development of tailored, next-generation Treg cell therapies.

Background: Cumulative family adversity (cumulative FA), characterized by co-occurring stressors in a family context, may be biologically embedded through DNA methylation (DNAm) and contribute to later health outcomes. Materials & Methods: We compared epigenome-wide DNAm associated with cumulative FA in buccal epithelial cells (BECs; n=218) and peripheral blood mononuclear cells (PBMCs; n=51) from 7-13-year-old children in Canada, accounting for sex, age, predicted cell-type proportion, and genetic ancestry. Results: Higher levels of cumulative FA were associated with DNAm at seven sites, primarily in stress- and immune-related genes, only in PBMCs. Negative mother-child interaction contributed to this association. Conclusions: The findings of this study suggested that PBMC DNAm can be used as a marker for biological embedding of cumulative FA.

Background: Epigenetic processes, including DNA methylation (DNAm), are among the mechanisms allowing integration of genetic and environmental factors to shape cellular function. While many studies have investigated either environmental or genetic contributions to DNAm, few have assessed their integrated effects. We examined the relative contributions of prenatal environmental factors and genotype on DNA methylation in neonatal blood at variably methylated regions (VMRs), defined as consecutive CpGs showing the highest variability of DNAm in 4 independent cohorts (PREDO, DCHS, UCI, MoBa, N=2,934). Results: We used Akaike's information criterion to test which factors best explained variability of methylation in the cohort-specific VMRs: several prenatal environmental factors (E) including maternal demographic, psychosocial and metabolism related phenotypes, genotypes in cis (G), or their additive (G+E) or interaction (GxE) effects. G+E and GxE models consistently best explained variability in DNAm of VMRs across the cohorts, with G explaining the remaining sites best. VMRs best explained by G, GxE or G+E, as well as their associated functional genetic variants (predicted using deep learning algorithms), were located in distinct genomic regions, with different enrichments for transcription and enhancer marks. Genetic variants of not only G and G+E models, but also of variants in GxE models were significantly enriched in genome wide association studies (GWAS) for complex disorders. Conclusion: Genetic and environmental factors in combination best explain DNAm at VMRs. The CpGs best explained by G, G+E or GxE are functionally distinct. The enrichment of GxE variants in GWAS for complex disorders supports their importance for disease risk.