Abstract Aggregated α-synuclein (α-syn) is the main constituent of Lewy bodies, the main pathological hallmark of Parkinson’s disease (PD). Environmental factors are thought to be potential triggers capable of initiating the aggregation of the otherwise monomeric α-syn. Braak’s seminal work redirected attention to the intestine and recent reports of dysbiosis have highlighted the potential causative role that the microbiome might play in the pathology of PD. Staphylococcus aureus is a bacterium carried by 30-70% of the general population. It has been shown to produce functional amyloids, called Phenol Soluble Modulins (PSMαs). Here, we studied the kinetics of α-syn aggregation under quiescent conditions in the presence or absence of four different PSMα peptides and observed a remarkable shortening of the lag phase in their presence. Whereas pure α-syn monomer did not aggregate up to 450 h after initiation of the experiment in neither neutral nor mildly acidic buffer, the addition of different PSMα peptides resulted in an almost immediate increase in the Thioflavin T (ThT) fluorescence. Despite similar peptide sequences, the different PSMα peptides displayed distinct effects on the kinetics of α-syn aggregation. Kinetic analyses of the data suggest that while all four peptides catalyze α-syn aggregation, the underlying mechanisms might differ with a model of nucleation and elongation fitting the α-syn aggregation induced by PSMα2 but not PSMα1. The results of immunogold TEM imply that the aggregates are fibrillar and composed of α-syn. Addition of the co-aggregated materials to HEK cells expressing the A53T α-syn variant fused to GFP was found to catalyze α-syn aggregation and phosphorylation in the cells. Our results provide evidence of a potential trigger of synucleinopathies and could have implications for the prevention of the diseases.

Abstract TopBP1 is a large scaffold protein with multiple functions in genome integrity. We previously identified a novel role for TopBP1 during M phase by showing that TopBP1 reduces carry-over of DNA damage to daughter cells. This function emerges as a critical backup pathway in BRCA deficient cells, yet many aspects of TopBP1 regulation during mitosis are unclear. The mitotic kinase PLK1 has been reported to interact with TopBP1 but the functional relevance of this is unclear. Here, we identify and characterize a conserved PLK1 docking site in TopBP1. Endogenous deletion of the PLK1 docking site in TopBP1 results in increased number of mitotic TopBP1 foci, increased DNA damage in daughter cells, deficient mitotic DNA repair synthesis and increased frequency of binucleation. At the same time, cell cycle distribution and ATR activation are normal in cells with the PLK1 docking site deletion in TopBP1. Interestingly, mutation of this site in TopBP1 renders cells sensitive to PARP inhibitors but not to camptothecin hinting to different cellular effects of the two chemotherapeutics. Altogether, our data indicate that the PLK1-TopBP1 interaction is critical for the mitotic function of TopBP1.

Abstract Aggregation of α-synuclein is associated with neurodegeneration and a hallmark pathology in synucleinopathies. These aggregates are thought to function as prion-like particles where the conformation of misfolded α-synuclein determines the induced pathology’s traits similar to prion diseases. Still, little is known about the molecular targets facilitating the conformation-specific biological effects, but their identification could form the basis for new therapeutic intervention. High-throughput screening (HTS) of annotated compound libraries could facilitate mechanistic investigation by identifying targets with impact on α-synuclein aggregation. To this end, we developed a FRET-based cellular reporter in HEK293T cells, with sensitivity down to 6.5 nM α-synuclein seeds. Using this model system, we identified GF109203X, SB202190, and SB203580 as inhibitors capable of preventing induction of α- synuclein aggregation via inhibition of p38 MAPK and PKC, respectively. Our findings highlight the value HTS brings to the mechanistic investigation of α-synuclein aggregation while simultaneously identifying novel therapeutic compounds.

Abstract In diabetic patients, dyslipidemia frequently contributes to organ damage such as diabetic kidney disease (DKD). DKD is associated with excessive renal deposition of triacylglycerol (TAG) in lipid droplets (LD). Yet, it is unclear whether LDs play a protective or damaging role and how this might be influenced by dietary patterns. By using a diabetes mouse model, we find here that high fat diet enriched in the unsaturated oleic acid (OA) caused more lipid storage in LDs in renal proximal tubular cells (PTC) but less tubular damage than a corresponding butter diet with the saturated palmitic acid (PA). Mechanistically, we identify endoplasmic reticulum (ER) stress as the main cause of PA-induced PTC injury. ER stress is caused by elevated cellular levels of saturated TAG precursors and to higher membrane order in the ER. The resulting cell death is preceded by a transcriptional rewiring of phospholipid metabolism. Simultaneous addition of OA rescues the cytotoxic effects by normalizing membrane order and by increasing the total TAG amount. The latter also stimulates the formation of LDs that in turn can release unsaturated lipids upon demand by lipolysis. Our study thus clarifies mechanisms underlying PA-induced cell stress in PTCs and emphasizes the importance of olive oil for the prevention of DKD.

Multiplexed protein imaging methods provide valuable information about complex tissue structure and cellular heterogeneity. However, the number of markers that can be measured in the same tissue sample is currently limited. In this paper, we present an efficient method to choose a minimal predictive subset of markers that for the first time allows the prediction of full images for a much larger set of markers. We demonstrate that our approach also outperforms previous methods for predicting cell-level marker composition. Most importantly, we demonstrate that our approach can be used to select a marker set that enables prediction of a much larger set that could not be measured concurrently.

ABSTRACT Cell migration plays an essential role in the immune response and is tightly regulated by both chemical and mechanical cues. After exiting circulation, immune cells navigate through tissues while mechanically confined by extracellular matrix components and tissue-resident cells. Common in vitro systems enable modeling of leukocyte migration through collagen-based hydrogels (individual fiber stiffness ∼ 300 MPa) or in confined polymer-based microchannels (stiffness > MPa), however these existing systems fail to replicate the bidirectional mechanical interactions between migrating leukocytes and resident cells that typically exhibit a stiffness between 200-3000 Pa. Here, we utilize live-imaging of a dual-transgenic zebrafish to capture mechanical deformations of epidermal keratinocytes induced by interaction with migrating neutrophils. Subsequently, we engineer in vitro migration channels bound by a deformable liquid-liquid interface with tunable mechanical properties that replicate single cell keratinocyte deformations during neutrophil migration in vivo . We find that controlling the mechanical properties of the interface modulates neutrophil motility. This work introduces an in vitro controlled material interface that closely mimics the mechanical interactions between neutrophils and surrounding cells in vivo to provide a biologically relevant platform for exploring the influence of mechanical forces on cell migration.

Optogenetics can control specific molecular events in living systems, but the penetration depth of light is typically limited at hundreds of micrometers. Focused ultrasound (FUS), on the other hand, can deliver energy safely and noninvasively into tissues at depths of centimeters. Here we have developed an acoustogenetic approach using short-pulsed FUS to remotely and directly control the genetics and cellular functions of engineered mammalian cells for therapeutic purposes. We applied this acoustogenetic approach to control chimeric antigen receptor (CAR) T cells with high spatiotemporal precision, aiming to mitigate the potentially lethal "on-target off-tumor" effects of CAR T cell therapy. We first verified the controllability of our acoustogenetic CAR T cells in recognizing and killing tumor cells in vitro, and then applied this approach in vivo to suppress tumor growth of both lymphoma and prostate cancers. The results indicate that FUS-based acoustogenetics can allow the noninvasive and remote activation, without any exogenous cofactor, of different types of CAR T cells for cancer therapeutics.

Although converging evidence point to alpha-synuclein (a-syn) aggregation and Lewy body (LB) formation as central events in Parkinson's disease (PD), the molecular mechanisms that regulate these processes and their role in disease pathogenesis remain poorly understood. Herein, we applied an integrative biochemical, structural and imaging approach to elucidate the sequence, molecular and cellular mechanisms that regulate LB formation in primary neurons. Our results establish that post-fibrillization C-terminal truncation mediated by calpains 1 and 2 and potentially other enzymes, plays critical roles in regulating a-syn seeding, fibrillization and orchestrates many of the events associated with LB formation and maturation. These findings combined with the abundance of a-syn truncated species in LBs and pathological a-syn aggregates have significant implications for ongoing efforts to develop therapeutic strategies based on targeting the C-terminus of a-syn or proteolytic processing of this region.

ABSTRACT Social interaction allows for the transfer of affective states among individuals, and the behaviors and expressions associated with pain and fear can evoke anxiety-like states in observers which shape subsequent social interactions. We hypothesized that social reactions to stressed individuals engage the serotonergic dorsal raphe nucleus (DRN) which promotes anxiety-like behavior via postsynaptic action of serotonin at serotonin 2C (5-HT 2C ) receptors in the forebrain. First, we inhibited the DRN by administering an agonist (8-OH-DPAT, 1µg in 0.5µL) for the inhibitory 5-HT 1A autoreceptors which silences 5-HT neuronal activity via G-protein coupled inward rectifying potassium channels. 8-OH-DPAT prevented the approach and avoidance, respectively, of stressed juvenile (PN30) or stressed adult (PN60) conspecifics in the social affective preference (SAP) test in rats. Similarly, systemic administration of a 5-HT 2C receptor antagonist (SB242084, 1mg/kg, i.p.) prevented approach and avoidance of stressed juvenile or adult conspecifics, respectively. Seeking a locus of 5-HT 2C action, we considered the posterior insular cortex which is critical for social affective behaviors and rich with 5-HT 2C receptors. SB242084 administered directly into the insular cortex (5µM in 0.5µL bilaterally ) interfered with the typical approach and avoidance behaviors observed in the SAP test. Finally, using fluorescent in situ hybridization, we found that 5-HT 2C receptor mRNA ( htr2c) is primarily colocalized with mRNA associated with excitatory glutamatergic neurons ( vglut1 ) in the posterior insula. Importantly, the results of these treatments were the same in male and female rats. These data suggest that interactions with stressed others require the serotonergic DRN and that serotonin modulates social affective decision-making via action at insular 5-HT 2C receptors.

Abstract The joint storage and reciprocal retrieval of leant associated signals are presumably encoded by associative memory cells. In the accumulation and enrichment of memory contents in lifespan, a signal often becomes a core signal associatively shared for other signals. One specific group of associative memory neurons that encode this core signal likely interconnects multiple groups of associative memory neurons that encode these other signals for their joint storage and reciprocal retrieval. We have examined this hypothesis in a mouse model of associative learning by pairing the whisker tactile signal sequentially with the olfactory signal, the gustatory signal and the tail-heating signal. Mice experienced this associative learning show the whisker fluctuation induced by olfactory, gustatory and tail-heating signals, or the other way around, i.e., memories to multi-modal associated signals featured by their reciprocal retrievals. Barrel cortical neurons in these mice become able to encode olfactory, gustatory and tail-heating signals alongside the whisker signal. Barrel cortical neurons interconnect piriform, S1-Tr and gustatory cortical neurons. With the barrel cortex as the hub, the indirect activation occurs among piriform, gustatory and S1-Tr cortices for the second-order associative memory. These associative memory neurons recruited to encode multi-modal signals in the barrel cortex for associative memory are downregulated by neuroligin-3 knockdown. Thus, associative memory neurons can be recruited as the core cellular substrate to memorize multiple associated signals for the first-order and the second-order of associative memories by neuroligin-3-mediated synapse formation, which constitutes neuronal substrates of cognitive activities in the field of memoriology. Highlight The coactivity of cerebral cortices during associative learning induces their interconnections. Interconnections endorse the first order and the second order of associative memory. Associative memory cells in cerebral cortices are recruited by mutual synapse innervations. Neuroligin-3 mediates the recruitment of associative memory cells for associative memory.