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.

Summary Epigenetics has hitherto been studied and understood largely at the level of individual organisms. Here, we report a multi-faceted investigation of DNA methylation across 11,117 samples from 176 different species. We performed an unbiased clustering of individual cytosines into 55 modules and identified 31 modules related to primary traits including age, species lifespan, sex, adult species weight, tissue type and phylogenetic order. Analysis of the correlation between DNA methylation and species allowed us to construct phyloepigenetic trees for different tissues that parallel the phylogenetic tree. In addition, while some stable cytosines reflect phylogenetic signatures, others relate to age and lifespan, and in many cases responding to anti-aging interventions in mice such as caloric restriction and ablation of growth hormone receptors. Insights uncovered by this investigation have important implications for our understanding of the role of epigenetics in mammalian evolution, aging and lifespan.

ABSTRACT DNA methylation-based biomarkers of aging have been developed for humans and many other mammals and could be used to assess how stress factors impact aging. Deer mice (Peromyscus) are long living rodents that have emerged as an informative model to study aging, adaptation at extreme environments, and monogamous behavior. In the present study we have undertaken an exhaustive, genome-wide analysis of DNA methylation in Peromyscus, spanning different species, stocks, sexes, tissues and age cohorts. We describe DNA methylation-based estimators of age for different species of deer mice based on novel DNA methylation data generated on highly conserved mammalian CpGs measured with a custom array. The multi-tissue epigenetic clock for deer mice was trained on 3 tissue sources (tail, liver, brain). Two dual species human-peromyscus clocks accurately measure age and relative age defined as the ratio of chronological age to maximum age. These analyses also allowed us to accurately manifest the increasing impact of age, sex, genetic relatedness, and ultimately tissue identity, in that order, in the acquisition of specific methylation patterns in the genome. Genes that were differentially methylated across different biological variables were determined and their potential impact is discussed. This study describes highly accurate DNA methylation-based estimators of age in deer mice and illustrates how differential methylation may be linked to adaptation at different conditions.

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.

Drugs of abuse cause changes in the prefrontal cortex (PFC) and associated regions that impair inhibitory control over drug-seeking. Breaking the contingencies between drug-associated cues and the delivery of the reward during extinction learning reduces relapse. Vagus nerve stimulation (VNS) has previously been shown to enhance extinction learning and reduce drug-seeking. Here we determined the effects of VNS-mediated release of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) on extinction and cue-induced reinstatement in rats trained to self-administer cocaine. Pairing 10 days of extinction training with VNS facilitated extinction and reduced drug-seeking behavior during reinstatement. Rats that received a single extinction session with VNS showed elevated BDNF levels in the medial PFC as determined via an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Systemic blockade of Tropomyosin receptor kinase B (TrkB) receptors during extinction, via the TrkB antagonist ANA-12, decreased the effects of VNS on extinction and reinstatement. Whole-cell recordings in brain slices showed that cocaine self-administration induced alterations in the ratio of AMPA and NMDA receptor-mediated currents in layer 5 pyramidal neurons of the infralimbic cortex (IL). Pairing extinction with VNS reversed cocaine-induced changes in glutamatergic transmission by enhancing AMPAR currents, and this effect was blocked by ANA-12. Our study suggests that VNS consolidates extinction of drug-seeking behavior by reversing drug-induced changes in synaptic AMPA receptors in the IL, and this effect is abolished by blocking TrkB receptors during extinction, highlighting a potential mechanism for the therapeutic effects of VNS in addiction.

Evolutionary physiologists have long been interested in physiological mechanisms underpinning variation in life-history performance. Recent efforts to elucidate these mechanisms focused on bioenergetics and oxidative stress. One underappreciated area that could play a role in mediating variation in performance is the unfolded protein response (UPR), a cellular stress response that reduces secretory protein load, enhances endoplasmic reticulum (ER) protein folding and clearance capacity during stress and during its adaptive phase. Given that the ER and mitochondria interact to regulate cellular homeostasis, it seems intuitive that UPR phenotype would correlate strongly with mitochondrial physiology, which in turn would contribute to variations in whole-organism metabolism. One way researchers have been studying cellular controls of life-history traits is by assessing stress resistance and bioenergetic properties of primary dermal fibroblasts. However, it is unclear if findings from dermal fibroblasts can be generalized to other cell and tissue types, and if fibroblasts9 phenotypes are repeatable across different life-history stages. This study aimed to explore the relationships between UPR profile, cellular respiration, and stress resistance using primary dermal fibroblasts isolated at puberty and primary lung fibroblasts isolated at adulthood. Specifically, we tested if 1) UPR profile of dermal fibroblasts isolated at puberty corresponds to UPR profile of lung fibroblasts isolated at adulthood, 2) UPR profile of dermal fibroblasts isolated at puberty and lung fibroblasts isolated at adulthood correspond to cellular bioenergetics of lung fibroblasts isolated at adulthood, and 3) UPR profile of dermal fibroblasts isolated at puberty corresponds to multiplex stress resistance (ER stress, oxidative stress, DNA damage) of lung fibroblasts isolated at adulthood. We found that only tunicamycin induced BiP expression was repeatable in skin and lung fibroblasts. Tunicamycin induced expressions of BiP, GRP94, and CNX in skin fibroblasts predicted resistance of lung fibroblasts to tunicamycin, (but not thapsigargin and other inducers of lethal stress), which is indicative for the pro-survival role of UPR during stress. Tunicamycin induced BiP expression in skin and lung fibroblasts also predicted multiple cellular bioenergetics parameters in lung fibroblasts.