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.

Exercise promotes functional improvements in aged tissues, but the extent to which it simulates partial molecular reprogramming is unknown. Using transcriptome profiling from (1) a skeletal muscle-specific in vivo Oct3/4, Klf4, Sox2 and Myc (OKSM) reprogramming-factor expression murine model; (2) an in vivo inducible muscle-specific Myc induction murine model; (3) a translatable high-volume hypertrophic exercise training approach in aged mice; and (4) human exercise muscle biopsies, we collectively defined exercise-induced genes that are common to partial reprogramming. Late-life exercise training lowered murine DNA methylation age according to several contemporary muscle-specific clocks. A comparison of the murine soleus transcriptome after late-life exercise training to the soleus transcriptome after OKSM induction revealed an overlapping signature that included higher JunB and Sun1. Also, within this signature, downregulation of specific mitochondrial and muscle-enriched genes was conserved in skeletal muscle of long-term exercise-trained humans; among these was muscle-specific Abra/Stars. Myc is the OKSM factor most induced by exercise in muscle and was elevated following exercise training in aged mice. A pulse of MYC rewired the global soleus muscle methylome, and the transcriptome after a MYC pulse partially recapitulated OKSM induction. A common signature also emerged in the murine MYC-controlled and exercise adaptation transcriptomes, including lower muscle-specific Melusin and reactive oxygen species-associated Romo1. With Myc, OKSM and exercise training in mice, as well habitual exercise in humans, the complex I accessory subunit Ndufb11 was lower; low Ndufb11 is linked to longevity in rodents. Collectively, exercise shares similarities with genetic in vivo partial reprogramming. KEY POINTS: Advances in the last decade related to cellular epigenetic reprogramming (e.g. DNA methylome remodelling) toward a pluripotent state via the Yamanaka transcription factors Oct3/4, Klf4, Sox2 and Myc (OKSM) provide a window into potential mechanisms for combatting the deleterious effects of cellular ageing. Using global gene expression analysis, we compared the effects of in vivo OKSM-mediated partial reprogramming in skeletal muscle fibres of mice to the effects of late-life murine exercise training in muscle. Myc is the Yamanaka factor most induced by exercise in skeletal muscle, and so we compared the MYC-controlled transcriptome in muscle to Yamanaka factor-mediated and exercise adaptation mRNA landscapes in mice and humans. A single pulse of MYC is sufficient to remodel the muscle methylome. We identify partial reprogramming-associated genes that are innately altered by exercise training and conserved in humans, and propose that MYC contributes to some of these responses.

Abstract Biological ageing estimators derived from DNA methylation (DNAm) data are heritable and correlate with morbidity and mortality. Leveraging DNAm and SNP data from >41,000 individuals, we identify 137 genome-wide significant loci (113 novel) from meta-analyses of four epigenetic clocks and epigenetic surrogate markers for granulocyte proportions and plasminogen activator inhibitor 1 levels, respectively. We report strong genetic correlations with longevity and lifestyle factors such as smoking, education, and obesity. Significant associations are observed in polygenic risk score analysis and to a lesser extent in Mendelian randomization analyses. This study illuminates the genetic architecture underlying epigenetic ageing and its shared genetic contributions with lifestyle factors and longevity.

ABSTRACT Methylation levels at specific CpG positions in the genome have been used to develop accurate estimators of chronological age in humans, mice, and other species. Although epigenetic clocks are generally species-specific, the principles underpinning them appear to be conserved at least across the mammalian class. This is exemplified by the successful development of epigenetic clocks for mice and several other mammalian species. Here, we describe epigenetic clocks for the rhesus macaque ( Macaca mulatta ), the most widely used nonhuman primate in biological research. Using a custom methylation array (HorvathMammalMethylChip40), we profiled n=281 tissue samples (blood, skin, adipose, kidney, liver, lung, muscle, and cerebral cortex). From these data, we generated five epigenetic clocks for macaques. These clocks differ with regards to applicability to different tissue types (pan-tissue, blood, skin), species (macaque only or both humans and macaques), and measure of age (chronological age versus relative age). Additionally, the age-based human-macaque clock exhibits a high age correlation (R=0.89) with the vervet monkey ( Chlorocebus sabaeus ), another Old World species. Four CpGs within the KLF14 promoter were consistently altered with age in four tissues (adipose, blood, cerebral cortex, skin). It is expected that the macaque clocks will reveal an epigenetic aging rate associated with a host of health conditions and thus lend themselves for identifying and validating anti-aging interventions.

ABSTRACT DNA methylation-based biomarkers of aging have been developed for many mammals but not yet for the vervet monkey ( Chlorocebus sabaeus ), which is a valuable non-human primate model for biomedical studies. We generated novel DNA methylation data from vervet cerebral cortex, blood, and liver using highly conserved mammalian CpGs represented on a custom array (HorvathMammalMethylChip40). We present six DNA methylation-based estimators of age: vervet multi-tissue epigenetic clock and tissue-specific clocks for brain cortex, blood, and liver. In addition, two dual species clocks (human-vervet clocks) for measuring chronological age and relative age, respectively. Relative age was defined as ratio of chronological age to maximum lifespan to address the species differences in maximum lifespan. The high accuracy of the human-vervet clocks demonstrates that epigenetic aging processes are evolutionary conserved in primates. When applying these vervet clocks to tissue samples from another primate species, rhesus macaque, we observed high age correlations but strong offsets. We characterized CpGs that correlate significantly with age in the vervet. CpG probes hypermethylated with age across tissues were located near the targets of Polycomb proteins SUZ12 and EED, and genes possessing the trimethylated H3K27 mark in their promoters. The epigenetic clocks are expected to be useful for age estimation of wild-born animals and anti-aging studies in vervets.

ABSTRACT The quality of romantic relationships can be predictive of health consequences related to aging. DNA methylation-based biomarkers of aging have been developed for humans and many other mammals and could be used to assess how pair bonding impacts aging. Prairie voles ( Microtus ochrogaster ) have emerged as a model to study social attachment among adult pairs. Here we describe DNA methylation-based estimators of age for prairie voles based on novel DNA methylation data generated on highly conserved mammalian CpGs measured with a custom array. The multi-tissue epigenetic clock for voles was trained on 3 tissue sources (ear, liver, and samples of brain tissue from within the pair bonding circuit). A novel dual species human-vole clock accurately measured relative age defined as the ratio of chronological age to maximum age. According to the human-vole clock of relative age, sexually inexperienced voles exhibit accelerated epigenetic aging in brain tissue ( p = 0.02) when compared to pair bonded animals of the same chronological age. Epigenome wide association studies identified CpGs in four genes that were strongly associated with pair bonding across the three tissue types (brain, ear, and liver): Hnrnph1, Fancl, Fam13b , and Fzd1 . Further, four CpGs (near the Bmp4 exon, Eif4g2 3 prime UTR, Robo1 exon, and Nfat5 intron) exhibited a convergent methylation change between pair bonding and aging. This study describes highly accurate DNA methylation-based estimators of age in prairie voles and provides evidence that pair bonding status modulates the methylome.

Abstract DNA-methylation profiles have been used successfully to develop highly accurate biomarkers of age, epigenetic clocks, for many species. Using a custom methylation array, we generated DNA methylation data from n=238 porcine tissues including blood, bladder, frontal cortex, kidney, liver and lung, from domestic pigs ( Sus scrofa domesticus ) and minipigs (Wisconsin Miniature Swine™). We present 4 epigenetic clocks for pigs that are distinguished by their compatibility with tissue type (pan-tissue and blood clock) and species (pig and human). Two dual-species human-pig pan-tissue clocks accurately measure chronological age and relative age, respectively. We also characterized CpGs that differ between minipigs and domestic pigs. Strikingly, several genes implicated by our epigenetic studies of minipig status overlap with genes ( ADCY3, TFAP2B, SKOR1 , and GPR61 ) implicated by genetic studies of body mass index in humans. In addition, CpGs with different levels of methylation between the two pig breeds were identified proximal to genes involved in blood LDL levels and cholesterol synthesis, of particular interest given the minipig’s increased susceptibility to cardiovascular disease compared to domestic pigs. Thus, inbred differences of domestic and minipigs may potentially help to identify biological mechanisms underlying weight gain and aging-associated diseases. Our porcine clocks are expected to be useful for elucidating the role of epigenetics in aging and obesity, and the testing of anti-aging interventions.

Abstract Exceptionally long-lived species, including many bats, rarely show overt signs of aging, making it difficult to determine why species differ in lifespan. Here, we use DNA methylation (DNAm) profiles from 712 known-age bats, representing 26 species, to identify epigenetic changes associated with age and longevity. We demonstrate that DNAm accurately predicts chronological age. Across species, longevity is negatively associated with the rate of DNAm change at age-associated sites. Furthermore, analysis of several bat genomes reveals that hypermethylated age- and longevity-associated sites are disproportionately located in promoter regions of key transcription factors (TF) and enriched for histone and chromatin features associated with transcriptional regulation. Predicted TF binding site motifs and enrichment analyses indicate that age-related methylation change is influenced by developmental processes, while longevity-related DNAm change is associated with innate immunity or tumorigenesis genes, suggesting that bat longevity results from augmented immune response and cancer suppression.

ABSTRACT Introduction DNA methylation data facilitate the development of accurate molecular estimators of chronological age, or ‘epigenetic clocks.’ We present a robust epigenetic clock for the beluga whale, Delphinapterus leucas, developed for an endangered population in Cook Inlet, Alaska, USA. Methods and Results We used a custom methylation array to measure methylation levels at 37,491 cytosine-guanine sites (CpGs) from skin samples of dead whales (n = 67) whose chronological ages were estimated based on tooth growth layer groups. Using these calibration data, a penalized regression model selected 23 CpGs, providing an R 2 = 0.92 for the training data; and an R 2 = 0.74 and median absolute age error = 2.9 years for the leave one out cross-validation. We applied the epigenetic clock to an independent data set of 38 skin samples collected with a biopsy dart from living whales between 2016 and 2018. Age estimates ranged from 11 to 27 years. We also report sex correlations in CpG data and describe an approach of identifying the sex of an animal using DNA methylation. Discussion The epigenetic estimators of age and sex presented here have broad applications for conservation and management of Cook Inlet beluga whales and potentially other cetaceans.

ABSTRACT Human DNA methylation profiles have been used successfully to develop highly accurate biomarkers of aging (“epigenetic clocks”). Although these human epigenetic clocks are not immediately applicable to all species of the animal kingdom, the principles underpinning them appear to be conserved even in animals that are evolutionarily far removed from humans. This is exemplified by recent development of epigenetic clocks for mice and other mammalian species. Here, we describe epigenetic clocks for the domestic cat ( Felis catus ), based on methylation profiles of CpGs with flanking DNA sequences that are highly conserved between multiple mammalian species. Methylation levels of these CpGs are measured using a custom-designed Infinium array (HorvathMammalMethylChip40). From these, we present 3 epigenetic clocks for cats; of which, one applies only to blood samples from cats, while the remaining two dual-species human-cat clocks apply both to cats and humans. As the rate of human epigenetic ageing is associated with a host of health conditions and pathologies, it is expected that these epigenetic clocks for cats would do likewise and possess the potential to be further developed for monitoring feline health as well as being used for identifying and validating anti-aging interventions.