The coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, which is caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), has been associated with more than 780,000 deaths worldwide (as of 20 August 2020). To develop antiviral interventions quickly, drugs used for the treatment of unrelated diseases are currently being repurposed to treat COVID-19. Chloroquine is an anti-malaria drug that is used for the treatment of COVID-19 as it inhibits the spread of SARS-CoV-2 in the African green monkey kidney-derived cell line Vero1–3. Here we show that engineered expression of TMPRSS2, a cellular protease that activates SARS-CoV-2 for entry into lung cells4, renders SARS-CoV-2 infection of Vero cells insensitive to chloroquine. Moreover, we report that chloroquine does not block infection with SARS-CoV-2 in the TMPRSS2-expressing human lung cell line Calu-3. These results indicate that chloroquine targets a pathway for viral activation that is not active in lung cells and is unlikely to protect against the spread of SARS-CoV-2 in and between patients. Expression of TMPRSS2—a protease that activates SARS-CoV-2 for entry into cells—renders SARS-CoV-2 insensitive to chloroquine.

Abstract Autophagy is an essential cellular process affecting virus infections and other diseases and Beclin1 (BECN1) is one of its key regulators. Here, we identified S-phase kinase-associated protein 2 (SKP2) as E3 ligase that executes lysine-48-linked poly-ubiquitination of BECN1, thus promoting its proteasomal degradation. SKP2 activity is regulated by phosphorylation in a hetero-complex involving FKBP51, PHLPP, AKT1, and BECN1. Genetic or pharmacological inhibition of SKP2 decreases BECN1 ubiquitination, decreases BECN1 degradation and enhances autophagic flux. Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) multiplication results in reduced BECN1 levels and blocks the fusion of autophagosomes and lysosomes. Inhibitors of SKP2 not only enhance autophagy but also reduce the replication of MERS-CoV up to 28,000-fold. The SKP2-BECN1 link constitutes a promising target for host-directed antiviral drugs and possibly other autophagy-sensitive conditions.

Abstract The stress response is an essential mechanism that strives to maintain homeostasis, and its disruption is implicated in several psychiatric disorders. As a cellular response to stressors, autophagy is activated to regulate homeostasis through protein degradation and recycling. Secretory autophagy is a recently described pathway where autophagosomes fuse with the plasma membrane rather than lysosomes. In this study, we demonstrate that glucocorticoid-mediated stress enhances secretory autophagy, via the stress-responsive co-chaperone FK506-binding protein 51. We identified the matrix metalloproteinase 9 (MMP9) as one of the stress-induced secreted proteins. Using cellular assays and in vivo microdialysis, we further found that stress-enhanced MMP9 secretion increases the cleavage of pro-brain derived neurotrophic factor (proBDNF) to its mature form. BDNF is essential for adult synaptic plasticity and its pathway is associated with major depression and posttraumatic stress disorder. These findings unravel a novel mechanistic link between stress, stress adaptation and the development of psychiatric disorders, with possible therapeutic implications.

Abstract Caloric restriction and intermittent fasting prolong the lifespan and healthspan of model organisms and improve human health. The natural polyamine spermidine has been similarly linked to autophagy enhancement, geroprotection and reduced incidence of cardiovascular and neurodegenerative diseases across species borders. Here, we asked whether the cellular and physiological consequences of caloric restriction and fasting depend on polyamine metabolism. We report that spermidine levels increased upon distinct regimens of fasting or caloric restriction in yeast, flies, mice and human volunteers. Genetic or pharmacological blockade of endogenous spermidine synthesis reduced fasting-induced autophagy in yeast, nematodes and human cells. Furthermore, perturbing the polyamine pathway in vivo abrogated the lifespan- and healthspan-extending effects, as well as the cardioprotective and anti-arthritic consequences of fasting. Mechanistically, spermidine mediated these effects via autophagy induction and hypusination of the translation regulator eIF5A. In summary, the polyamine–hypusination axis emerges as a phylogenetically conserved metabolic control hub for fasting-mediated autophagy enhancement and longevity.

Early life stress (ELS) adversely affects physiological and behavioral outcomes, increasing the vulnerability to stress-related disorders, such as post-traumatic stress disorder (PTSD). PTSD prevalence is significantly higher in women and is partially mediated by genetic risk variants. Understanding how sex influences the interaction of PTSD risk genes, such as FKBP5, with trauma-related behaviors is crucial for uncovering PTSD's neurobiological pathways. The development of in-depth behavioral analysis tools using unsupervised behavioral classification is thereby a crucial tool to increase the understanding of the behavioral outcomes related to stress-induced fear memory formation. The current study investigates the sex-specific effects of ELS exposure by using the limited bedding and nesting (LBN) paradigm. The LBN exposure disrupted different facets of the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis in a sex-specific manner directly after stress and at adult age. Moreover, freezing was altered by LBN exposure in both the acquisition and the retrieval of fear in a sex-dependent manner. Unsupervised behavioral analysis revealed a higher active fear response after LBN exposure during fear acquisition in females, but not in males. The regulation of the HPA axis is closely intertwined with cellular metabolism and core regulatory cascades. To investigate the impact of LBN exposure on tissue-specific metabolism, a metabolomic pathway analysis in the basolateral amygdala revealed a specific sex- and stress-dependent effect on purine, pyrimidine, and glutamate metabolism. The present study highlights the intricate interplay between metabolic pathways and the neurobiological substrates implicated in fear memory formation and stress regulation. Overall, these findings highlight the importance of considering sex-specific metabolic alterations in understanding the neurobiological mechanisms underlying stress-related disorders and offer potential avenues for targeted interventions.

Abstract Delayed onset of antidepressant action is a shortcoming in depression treatment. Ketamine and its metabolite (2R,6R)-hydroxynorketamine (HNK) have emerged as promising rapidacting antidepressants. However, their mechanism of action remains unknown. In this study, we first described the anxious and depression-prone inbred mouse strain, DBA/2J, as a animal model to assess the antidepressant-like effects of ketamine and HNK in vivo. To decode the molecular mechanisms mediating HNK’s rapid antidepressant effects, a longitudinal cerebrospinal fluid (CSF) proteome profiling of its acute and sustained effects was conducted using an unbiased, hypothesis-free mass spectrometry-based proteomics approach. A total of 387 proteins were identified, with a major implication of significantly differentially expressed proteins in the glucocorticoid receptor (GR) signaling pathway, providing evidence for a link between HNK and regulation of the stress hormone system. Mechanistically, we identified HNK to repress GR-mediated transcription and reduce hormonal sensitivity of GR in vitro. In addition, mammalian target of rapamycin (mTOR) and brain-derived neurotrophic factor (BDNF) were predicted to be important upstream regulators of HNK treatment. Our results contribute to precise understanding of the temporal dynamics and molecular targets underlying HNK’s rapid antidepressant-like effects, which can be used as a benchmark for improved treatment strategies for depression in future.

The mediobasal hypothalamus (MBH) is the central region in the physiological response to metabolic stress. The FK506-binding protein 51 (FKBP51) is a major modulator of the stress response and has recently emerged as a scaffolder regulating metabolic and autophagy pathways. However, the detailed protein-protein interactions linking FKBP51 to autophagy upon metabolic challenges remain elusive. We performed mass spectrometry-based metabolomics of FKBP51 knockout (KO) cells revealing an increased amino acid and polyamine metabolism. We identified FKBP51 as a central nexus for the recruitment of the LKB1/AMPK complex to WIPI4 and TSC2 to WIPI3, thereby regulating the balance between autophagy and mTOR signaling in response to metabolic challenges. Furthermore, we demonstrated that MBH FKBP51 deletion strongly induces obesity, while its overexpression protects against high-fat diet (HFD) induced obesity. Our study provides an important novel regulatory function of MBH FKBP51 within the stress-adapted autophagy response to metabolic challenges.

ABSTRACT Identification and characterisation of novel targets for treatment is a priority in the field of psychiatry. FKBP5 is a gene with decades of evidence suggesting its pathogenic role in a subset of psychiatric patients, with potential to be leveraged as a therapeutic target for these individuals. While it is widely reported that FKBP5 /FKBP51 mRNA/protein ( FKBP5 /1) expression is impacted by psychiatric disease state, risk genotype and age, it is not known in which cell-types and sub-anatomical areas of the human brain this occurs. This knowledge is critical to propel FKBP5 /1-targeted treatment development. Here, we performed an extensive, large-scale postmortem study (n=1024) of FKBP5 /1 examining prefrontal cortex (BA9, BA11, BA24) derived from subjects that lived with schizophrenia, major depression or bipolar disorder. With an extensive battery of RNA (bulk RNA sequencing, single-nucleus RNA sequencing, microarray, qPCR, RNAscope) and protein (immunoblot, immunohistochemistry) analysis approaches, we thoroughly investigated the effects of disease-state, aging and genotype on cortical FKBP5 /1 expression including in a cell-type specific manner. We identified consistently heightened FKBP5 /1 levels in psychopathology and with age, but not genotype, with these effects strongest in schizophrenia. Using single-nucleus RNA sequencing (snRNAseq) and targeted histology, we established that these disease- and aging-effects on FKBP5 /1 expression were most pronounced in excitatory supragranular neurons. We then found that this increase in FKBP5 levels likely impacts on synaptic plasticity, as FKBP5 gex levels strongly and inversely correlated with dendritic mushroom spine density and brain-derived neurotrophic factor ( BDNF ) levels in supragranular neurons. These findings pinpoint a novel cellular and molecular mechanism that has significant potential to open a new avenue of FKBP51 drug development to treat cognitive symptoms in psychiatric disorders.

Abstract The expression of FKBP5, and its resulting protein FKBP51, is strongly induced by stress and glucocorticoids. Numerous studies have explored their involvement in a plethora of cellular processes and diseases, including psychiatric disorders, inflammatory conditions and cancer. However, there is a lack of knowledge on the role of the different RNA splicing variants and the two protein isoforms that originate from the human FKBP5 locus, especially in response to glucocorticoids. In this study we use in vitro models as well as peripheral blood cells of a human cohort to show that the two expressed variants are both dynamically upregulated following dexamethasone. We also investigate the subcellular localization of the protein isoforms, their degradation dynamics as well as their differential role in known cellular pathways. The results shed light on the difference of the two variants and highlight the importance of differential analyses in future studies with implications for targeted drug design.