Starches, a storage form of carbohydrates, are a major source of calories in the human diet and a primary feedstock for bioindustry. We report a chemical-biochemical hybrid pathway for starch synthesis from carbon dioxide (CO2) and hydrogen in a cell-free system. The artificial starch anabolic pathway (ASAP), consisting of 11 core reactions, was drafted by computational pathway design, established through modular assembly and substitution, and optimized by protein engineering of three bottleneck-associated enzymes. In a chemoenzymatic system with spatial and temporal segregation, ASAP, driven by hydrogen, converts CO2 to starch at a rate of 22 nanomoles of CO2 per minute per milligram of total catalyst, an ~8.5-fold higher rate than starch synthesis in maize. This approach opens the way toward future chemo-biohybrid starch synthesis from CO2.

Ageing is characterized by the development of persistent pro-inflammatory responses that contribute to atherosclerosis, metabolic syndrome, cancer and frailty1–3. The ageing brain is also vulnerable to inflammation, as demonstrated by the high prevalence of age-associated cognitive decline and Alzheimer’s disease4–6. Systemically, circulating pro-inflammatory factors can promote cognitive decline7,8, and in the brain, microglia lose the ability to clear misfolded proteins that are associated with neurodegeneration9,10. However, the underlying mechanisms that initiate and sustain maladaptive inflammation with ageing are not well defined. Here we show that in ageing mice myeloid cell bioenergetics are suppressed in response to increased signalling by the lipid messenger prostaglandin E2 (PGE2), a major modulator of inflammation11. In ageing macrophages and microglia, PGE2 signalling through its EP2 receptor promotes the sequestration of glucose into glycogen, reducing glucose flux and mitochondrial respiration. This energy-deficient state, which drives maladaptive pro-inflammatory responses, is further augmented by a dependence of aged myeloid cells on glucose as a principal fuel source. In aged mice, inhibition of myeloid EP2 signalling rejuvenates cellular bioenergetics, systemic and brain inflammatory states, hippocampal synaptic plasticity and spatial memory. Moreover, blockade of peripheral myeloid EP2 signalling is sufficient to restore cognition in aged mice. Our study suggests that cognitive ageing is not a static or irrevocable condition but can be reversed by reprogramming myeloid glucose metabolism to restore youthful immune functions. In aged mice, inhibition of prostaglandin E2 (PGE2) signalling through its receptor EP2 improves cellular bioenergetics, reduces inflammatory responses and restores hippocampal plasticity to youthful levels, resulting in an improvement in spatial memory and cognition.

Abstract The SARS-CoV-2 pandemic rages on with devasting consequences on human lives and the global economy 1,2 . The discovery and development of virus-neutralizing monoclonal antibodies could be one approach to treat or prevent infection by this novel coronavirus. Here we report the isolation of 61 SARS-CoV-2-neutralizing monoclonal antibodies from 5 infected patients hospitalized with severe disease. Among these are 19 antibodies that potently neutralized the authentic SARS-CoV-2 in vitro , 9 of which exhibited exquisite potency, with 50% virus-inhibitory concentrations of 0.7 to 9 ng/mL. Epitope mapping showed this collection of 19 antibodies to be about equally divided between those directed to the receptor-binding domain (RBD) and those to the N-terminal domain (NTD), indicating that both of these regions at the top of the viral spike are immunogenic. In addition, two other powerful neutralizing antibodies recognized quaternary epitopes that are overlapping with the domains at the top of the spike. Cryo-electron microscopy reconstructions of one antibody targeting RBD, a second targeting NTD, and a third bridging two separate RBDs revealed recognition of the closed, “all RBD-down” conformation of the spike. Several of these monoclonal antibodies are promising candidates for clinical development as potential therapeutic and/or prophylactic agents against SARS-CoV-2.

Abstract The SARS-CoV-2 Omicron variant and its numerous sub-lineages have exhibited a striking ability to evade humoral immune responses induced by prior vaccination or infection. The Food and Drug Administration (FDA) has recently granted Emergency Use Authorizations (EUAs) to new bivalent formulations of the original Moderna and Pfizer mRNA SARS-CoV-2 vaccines that target both the ancestral strain as well as the Omicron BA.4/BA.5 variant. Despite their widespread use as a vaccine boost, little is known about the antibody responses induced in humans. Here, we collected sera from several clinical cohorts: individuals after three or four doses of the original monovalent mRNA vaccines, individuals receiving the new bivalent vaccines as a fourth dose, and individuals with BA.4/BA.5 breakthrough infection following mRNA vaccination. Using pseudovirus neutralization assays, these sera were tested for neutralization against an ancestral SARS-CoV-2 strain, several Omicron sub-lineages, and several related sarbecoviruses. At ~3-5 weeks post booster shot, individuals who received a fourth vaccine dose with a bivalent mRNA vaccine targeting BA.4/BA.5 had similar neutralizing antibody titers as those receiving a fourth monovalent mRNA vaccine against all SARS-CoV-2 variants tested, including BA.4/BA.5. Those who received a fourth monovalent vaccine dose had a slightly higher neutralizing antibody titers than those who received the bivalent vaccine against three related sarbecoviruses: SARS-CoV, GD-Pangolin, and WIV1. When given as a fourth dose, a bivalent mRNA vaccine targeting Omicron BA.4/BA.5 and an ancestral SARS-CoV-2 strain did not induce superior neutralizing antibody responses in humans, at the time period tested, compared to the original monovalent vaccine formulation.

Abstract SARS-CoV-2 Omicron subvariants BA.2.12.1 and BA.4/5 have surged dramatically to become dominant in the United States and South Africa, respectively 1,2 . These novel subvariants carrying additional mutations in their spike proteins raise concerns that they may further evade neutralizing antibodies, thereby further compromising the efficacy of COVID-19 vaccines and therapeutic monoclonals. We now report findings from a systematic antigenic analysis of these surging Omicron subvariants. BA.2.12.1 is only modestly (1.8-fold) more resistant to sera from vaccinated and boosted individuals than BA.2. However, BA.4/5 is substantially (4.2-fold) more resistant and thus more likely to lead to vaccine breakthrough infections. Mutation at spike residue L452 found in both BA.2.12.1 and BA.4/5 facilitates escape from some antibodies directed to the so-called class 2 and 3 regions of the receptor-binding domain 3 . The F486V mutation found in BA.4/5 facilitates escape from certain class 1 and 2 antibodies but compromises the spike affinity for the viral receptor. The R493Q reversion mutation, however, restores receptor affinity and consequently the fitness of BA.4/5. Among therapeutic antibodies authorized for clinical use, only bebtelovimab retains full potency against both BA.2.12.1 and BA.4/5. The Omicron lineage of SARS-CoV-2 continues to evolve, successively yielding subvariants that are not only more transmissible but also more evasive to antibodies.

SUMMARY The SARS-CoV-2 Omicron variant continues to evolve, with new BQ and XBB subvariants now rapidly expanding in Europe/US and Asia, respectively. As these new subvariants have additional spike mutations, they may possess altered antibody evasion properties. Here, we report that neutralization of BQ.1, BQ.1.1, XBB, and XBB.1 by sera from vaccinees and infected persons was markedly impaired, including sera from individuals who were boosted with a WA1/BA.5 bivalent mRNA vaccine. Compared to the ancestral strain D614G, serum neutralizing titers against BQ and XBB subvariants were lower by 13-81-fold and 66-155-fold, respectively, far beyond what had been observed to date. A panel of monoclonal antibodies capable of neutralizing the original Omicron variant, including those with Emergency Use Authorization, were largely inactive against these new subvariants. The spike mutations that conferred antibody resistance were individually studied and structurally explained. Finally, the ACE2-binding affinities of the spike proteins of these novel subvariants were found to be similar to those of their predecessors. Taken together, our findings indicate that BQ and XBB subvariants present serious threats to the efficacy of current COVID-19 vaccines, render inactive all authorized monoclonal antibodies, and may have gained dominance in the population because of their advantage in evading antibodies.

We studied plasma antibody responses of 35 patients about 1 month after SARS-CoV-2 infection. Titers of antibodies binding to the viral nucleocapsid and spike proteins were significantly higher in patients with severe disease. Likewise, mean antibody neutralization titers against SARS-CoV-2 pseudovirus and live virus were higher in the sicker patients, by ~5-fold and ~7-fold, respectively. These findings have important implications for those pursuing plasma therapy, isolation of neutralizing monoclonal antibodies, and determinants of immunity.

Abstract Parkinson’s disease (PD) is a common and complex neurodegenerative disorder. Loss of neuromelanin-containing dopaminergic (DA) neurons in the substantia nigra (SN) is a hallmark of PD neuropathology; the etiology of PD remains unclear. Single-cell (-nucleus) RNA sequencing (sc or snRNAseq) has significantly advanced our understanding of neurodegenerative diseases including Alzheimer’s, but limited progress has been made in PD. Here we generated by far the largest snRNAseq data of high-quality 315,867 nuclei from the human SN including 9 healthy controls and 23 idiopathic PD cases across different Braak stages. Clustering analysis identified major brain cell types including DA neurons, excitatory neurons, inhibitory neurons, glial cells, endothelial, pericytes, fibroblast and T-cells in the human SN. By combining immunostaining and validating against the datasets from independent cohorts, we identified three molecularly distinct subtypes of DA-related neurons, including a RIT2 -enriched population, in human aged SN. All DA neuron subtypes degenerated in PD, whereas the composition of non-neuronal cell clusters including major glial types showed little change. Our study delineated cell-type-specific PD-linked gene expression in the SN and their alterations in PD. Examination of cell-type-based transcriptomic changes suggests the complexity and diversity of molecular mechanisms of PD. Analysis of the remaining DA neurons of the three subtypes from PD demonstrated alterations of common gene sets associated with neuroprotection. Our findings highlight the heterogeneity of DA neurons in the human SN and suggest molecular basis for vulnerability and resilience of human DA neurons in PD. Our cohort thus provides a valuable resource for dissecting detailed mechanisms of DA neuron degeneration and identifying new neuroprotective strategies for PD.

ABSTRACT SARS-CoV-2, a betacoronavirus, is the cause of the COVID-19 pandemic. The SARS-CoV-2 spike (S) glycoprotein trimer mediates virus entry into host cells and cytopathic effects. We studied the contribution of several S glycoprotein features to these functions, focusing on those that differ among related coronaviruses. Acquisition of the furin cleavage site by the SARS-CoV-2 S glycoprotein decreased virus stability and infectivity, but greatly enhanced the ability to form lethal syncytia. Notably, the D614G change found in globally predominant SARS-CoV-2 strains restored infectivity, modestly enhanced responsiveness to the ACE2 receptor and susceptibility to neutralizing sera, and tightened association of the S1 subunit with the trimer. Apparently, two unique features of the SARS-CoV-2 S glycoprotein, the furin cleavage site and D614G, have evolved to balance virus infectivity, stability, cytopathicity and antibody vulnerability. Although the endodomain (cytoplasmic tail) of the S2 subunit was not absolutely required for virus entry or syncytium formation, alteration of palmitoylated cysteine residues in the cytoplasmic tail decreased the efficiency of these processes. As proteolytic cleavage contributes to the activation of the SARS-CoV-2 S glycoprotein, we evaluated the ability of protease inhibitors to suppress S glycoprotein function. Matrix metalloprotease inhibitors suppressed S-mediated cell-cell fusion, but not virus entry. Synergy between inhibitors of matrix metalloproteases and TMPRSS2 suggests that both proteases can activate the S glycoprotein during the process of syncytium formation. These results provide insights into SARS-CoV-2 S glycoprotein-host cell interactions that likely contribute to the transmission and pathogenicity of this pandemic agent. IMPORTANCE The development of an effective and durable SARS-CoV-2 vaccine is essential for combating the growing COVID-19 pandemic. The SARS-CoV-2 spike (S) glycoprotein is the main target of neutralizing antibodies elicited during virus infection or following vaccination. Knowledge of the spike glycoprotein evolution, function and interactions with host factors will help researchers to develop effective vaccine immunogens and treatments. Here we identify key features of the spike glycoprotein, including the furin cleavage site and the D614G natural mutation, that modulate viral cytopathic effects, infectivity and sensitivity to inhibition. We also identify two inhibitors of host metalloproteases that block S-mediated cell-cell fusion, which contributes to the destruction of the virus-infected cell.

Abstract The SARS-CoV-2 Omicron subvariant BA.2.75 emerged recently and appears to be spreading rapidly. It has nine mutations in its spike compared to BA.2, raising concerns it may further evade vaccine-elicited and therapeutic antibodies. Here, we found BA.2.75 to be moderately more neutralization resistant to sera from vaccinated/boosted individuals than BA.2 (1.8-fold), similar to BA.2.12.1 (1.1-fold), but more neutralization sensitive than BA.4/5 (0.6-fold). Relative to BA.2, BA.2.75 showed heightened resistance to class 1 and class 3 monoclonal antibodies to the receptor-binding domain, while gaining sensitivity to class 2 antibodies. The resistance was largely conferred by the G446S and R460K mutations. Of note, BA.2.75 was slightly resistant (3.7-fold) to bebtelovimab, the only therapeutic antibody with potent activity against all Omicron subvariants. BA.2.75 also exhibited higher receptor binding affinity than other Omicron subvariants. BA.2.75 provides yet another example of the ongoing evolution of SARS-CoV-2 as it gains transmissibility while incrementally evading antibody neutralization.