Nature of epigenetic aging from a single-cell perspective

德纳姆 表观遗传学 DNA甲基化 CpG站点 转录组 计算生物学 生物 进化生物学 遗传学 基因表达 基因
作者
Andrei E. Tarkhov,Thomas Lindstrom-Vautrin,Sirui Zhang,Kejun Ying,Mahdi Moqri,Bohan Zhang,Alexander Tyshkovskiy,Orr Levy,Vadim N. Gladyshev
出处
期刊:Nature Aging [Nature Portfolio]
卷期号:4 (6): 854-870 被引量:73
标识
DOI:10.1038/s43587-024-00616-0
摘要

Age-related changes in DNA methylation (DNAm) form the basis of the most robust predictors of age—epigenetic clocks—but a clear mechanistic understanding of exactly which aspects of aging are quantified by these clocks is lacking. Here, to clarify the nature of epigenetic aging, we juxtapose the dynamics of tissue and single-cell DNAm in mice. We compare these changes during early development with those observed during adult aging in mice, and corroborate our analyses with a single-cell RNA sequencing analysis within the same multiomics dataset. We show that epigenetic aging involves co-regulated changes as well as a major stochastic component, and this is consistent with transcriptional patterns. We further support the finding of stochastic epigenetic aging by direct tissue and single-cell DNAm analyses and modeling of aging DNAm trajectories with a stochastic process akin to radiocarbon decay. Finally, we describe a single-cell algorithm for the identification of co-regulated and stochastic CpG clusters showing consistent transcriptomic coordination patterns. Together, our analyses increase our understanding of the basis of epigenetic clocks and highlight potential opportunities for targeting aging and evaluating longevity interventions. At single-cell resolution, Tarkhov et al. delineate stochastic and co-regulated components of epigenetic aging, revealing a simultaneous loss of regulation at the epigenetic and transcriptional levels in aging.
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