ABSTRACT The SARS-CoV-2 Omicron variant harbours mutations in its spike protein, which may affect its cell entry, tropism, and response to interventions. To elucidate these effects, we developed a mathematical model of SARS-CoV-2 entry into cells and applied it to analyse recent in vitro data. SARS-CoV-2 enters cells using host proteases, either Cathepsin B/L or TMPRSS2. We estimated >4-fold increase and >3-fold decrease in entry efficiency using Cathepsin B/L and TMPRSS2, respectively, of the Omicron variant relative to the original or other strains in a cell type-dependent manner. Our model predicted that Cathepsin B/L inhibitors would be more and TMPRSS2 inhibitors less efficacious against the Omicron than the original strain. Furthermore, the two inhibitor classes would exhibit synergy, although the drug concentrations maximizing synergy would have to be tailored to the Omicron variant. These findings provide insights into the cell entry mechanisms of the Omicron variant and have implications for interventions.

Abstract Aging is the primary risk factor for most neurodegenerative diseases, and recently coronavirus disease 2019 (COVID-19) has been associated with severe neurological manifestations that can eventually impact neurodegenerative conditions in the long-term. The progressive accumulation of senescent cells in vivo strongly contributes to brain aging and neurodegenerative co-morbidities but the impact of virus-induced senescence in the aetiology of neuropathologies is unknown. Here, we show that senescent cells accumulate in physiologically aged brain organoids of human origin and that senolytic treatment reduces inflammation and cellular senescence; for which we found that combined treatment with the senolytic drugs dasatinib and quercetin rejuvenates transcriptomic human brain aging clocks. We further interrogated brain frontal cortex regions in postmortem patients who succumbed to severe COVID-19 and observed increased accumulation of senescent cells as compared to age-matched control brains from non-COVID-affected individuals. Moreover, we show that exposure of human brain organoids to SARS-CoV-2 evoked cellular senescence, and that spatial transcriptomic sequencing of virus-induced senescent cells identified a unique SARS-CoV-2 variant-specific inflammatory signature that is different from endogenous naturally-emerging senescent cells. Importantly, following SARS-CoV-2 infection of human brain organoids, treatment with senolytics blocked viral retention and prevented the emergence of senescent corticothalamic and GABAergic neurons. Furthermore, we demonstrate in human ACE2 overexpressing mice that senolytic treatment ameliorates COVID-19 brain pathology following infection with SARS-CoV-2. In vivo treatment with senolytics improved SARS-CoV-2 clinical phenotype and survival, alleviated brain senescence and reactive astrogliosis, promoted survival of dopaminergic neurons, and reduced viral and senescence-associated secretory phenotype gene expression in the brain. Collectively, our findings demonstrate SARS-CoV-2 can trigger cellular senescence in the brain, and that senolytic therapy mitigates senescence-driven brain aging and multiple neuropathological sequelae caused by neurotropic viruses, including SARS-CoV-2.

Abstract The microtubule-associated protein Tau is a driver of neuronal dysfunction in Alzheimer’s disease and other tauopathies. In this process, Tau initially undergoes subtle changes to its abundance, subcellular localisation and a vast array of post-translational modifications including phosphorylation, that progressively result in the protein’s somatodendritic accumulation and dysregulation of multiple Tau-dependent cellular processes. Given the various loss- and gain-of-functions of Tau in disease and the brain-wide changes in the proteome that characterise tauopathies, we asked whether targeting Tau would restore the alterations in proteostasis observed in disease. Therefore, by phage display, we generated a novel pan-Tau antibody, RNJ1, that preferentially binds human Tau and neutralises proteopathic seeding activity in multiple cell lines, and benchmarked it against a clinically tested pan-Tau antibody, HJ8.5 (murine version of tilavonemab). We then evaluated both antibodies, alone and in combination, in the K3 tauopathy mouse model, showing reduced Tau pathology and improvements in neuronal function following 14 weekly treatments, without obtaining synergy for the combination. These effects were more pronounced in female mice. To investigate the molecular mechanisms contributing to improvements in neuronal function, we employed quantitative proteomics, phosphoproteomics and kinase prediction analysis to first establish alterations in K3 mice relative to WT controls at the proteome level. In female K3 mice, we found 342 differentially abundant proteins, which are predominantly involved in metabolic and microtubule-associated processes, strengthening previously reported findings of defects in several functional domains in multiple tauopathy models. We next asked whether antibody-mediated Tau target engagement indirectly affects levels of deregulated proteins in the K3 model. Importantly, both immunotherapies, in particular RNJ1, induced abundance shifts towards a restoration to wild-type levels (proteostasis). A total of 257 of 342 (∼75%) proteins altered in K3 were closer in abundance to WT levels after RNJ1 treatment, and 73% after HJ8.5 treatment. However, the magnitude of these changes was less pronounced than that observed with RNJ1, as reflected by a far smaller number of differentially abundant proteins. Furthermore, analysis of the phosphoproteome showed an even stronger restoration effect with RNJ1, with ∼82% of altered phosphopeptides in K3 showing a shift to WT levels, and 75% with HJ8.5. Gene set over-representation analysis (ORA) further confirmed that proteins undergoing restoration are involved in biological pathways affected in K3 mice. Together, our study suggests that a Tau immunotherapy-induced restoration of proteostasis links target engagement and treatment efficacy.

Abstract The microtubule-associated protein Tau is a driver of neuronal dysfunction in Alzheimer’s disease and numerous other tauopathies. In this process, Tau initially undergoes subtle changes to its abundance, subcellular localisation and a vast array of post-translational modifications including phosphorylation, that progressively result in the protein’s aggregation and dysregulation of multiple Tau-dependent cellular processes. Given the various loss- and gain-of-functions of Tau in disease and the brain-wide changes in the proteome that characterise tauopathies, we asked whether targeting Tau would restore the alterations in proteostasis observed in disease. To this end, we generated a novel pan-Tau antibody, RNJ1, that preferentially binds human Tau and neutralises proteopathic seeding activity in multiple cell lines and benchmarked it against a clinically tested pan-Tau antibody, HJ8.5 (murine version of tilavonemab). We next evaluated both antibodies, alone and in combination, in the K3 mouse model of tauopathy, showing reduced Tau pathology and improvements in neuronal function following 14 weekly treatments, without obtaining synergistic effects for the combination treatment. To gain insight into molecular mechanisms contributing to improvements in neuronal function, we employed quantitative proteomics and phosphoproteomics to first establish alterations in K3 mice relative to WT controls at the proteome level. This revealed 342 proteins with differential abundance in K3 mice, which are predominantly involved in metabolic and microtubule-associated processes, strengthening previously reported findings of defects in several functional domains in multiple tauopathy models. We next asked whether antibody-mediated Tau target engagement indirectly affects levels of deregulated proteins in the K3 model. Importantly, both immunotherapies, in particular RNJ1, induced abundance shifts in this protein subset towards a restoration to wild-type levels (proteostasis). A total of 257 of 342 (∼75.1%) proteins altered in K3 were closer in abundance to WT levels after RNJ1 treatment. The same analysis indicated a similar response in K3 mice treated with HJ8.5, with approximately 72.5% of these altered proteins also showing changes in the same direction as wild-type. Furthermore, analysis of the phosphoproteome showed an even stronger restoration effect with RNJ1, with ∼82.1% of altered phosphopeptides in K3 showing a shift to WT levels, and 75.4% with HJ8.5. Gene set over-representation analysis (ORA) further confirmed that proteins undergoing restoration are involved in biological pathways affected in K3 mice. Together, our study suggests that a Tau immunotherapy-induced restoration of proteostasis links target engagement and treatment efficacy.

SNARE-mediated secretory vesicle (SV) exocytosis underpins neuronal communication. Munc18-1 orchestrates SNARE complex formation by controlling the opening of syntaxin-1A. How the SV-plasma membrane interface becomes fusion-competent at the nanoscale level is poorly understood. Here, we propose that the interaction of Munc18-1 with VAMP2 during vesicular docking triggers nanoscale re-organization which renders the SV-plasma membrane interface fusion-competent. We identified and mutated key residues in Munc18-1 domain 3a (A297 and T304) hypothesised to impair its interaction with VAMP2. Munc18-1A297H, and to a lesser extent Munc18-1T304H, constrained SVs on the plasma membrane and reduced stimulated secretion, under re-expression conditions in Munc18-1/2 double knockout neurosecretory cells. Moreover, the de-clustering of Munc18-1 in response to activity was lost for both mutants. The interaction of VAMP2 with the Munc18-1 domain 3a therefore controls the re-organization of the nanoscale environment of the docked SVplasma membrane interface, fostering syntaxin-1A opening and Munc18-1 release to ensure that SNARE assembly only occurs within the confinement of docked vesicles.

ABSTRACT Accumulation of Tau aggregates is a pathological hallmark of Alzheimer’s disease, but little is known about where these aggregates assemble and how stable these assemblies are. Using quantitative, single-molecule imaging, we show that Tau exhibits spatial and kinetic heterogeneity near the plasma membrane, resulting in the formation of nanometer-sized hot spots smaller than the diffraction limit. The hot spots lasted tens of seconds, much longer than the short dwell time (~40 ms) of Tau on microtubules. Pharmacological and biochemical disruption of Tau/microtubule interactions did not affect hot spot formation, suggesting that these are different from the reported Tau condensation on microtubules. Although cholesterol removal has been shown to reduce Tau pathology, its depletion did not affect Tau hot spot dynamics. Our study identifies an intrinsic dynamic property of Tau near the plasma membrane that may facilitate the formation of assembly sites for Tau to assume its physiological and pathological functions.

Most mammalian neurons have a narrow axon, which constrains the passage of large cargoes such as autophagosomes that can be larger than the axon diameter. Radial axonal expansion must therefore occur to ensure efficient axonal trafficking. In this study we consistently find that the trafficking speed of various large axonal cargoes is significantly slower than that of small ones, and reveal that the transit of diverse-sized cargoes causes an acute, albeit transient axonal radial expansion, which is immediately restored by constitutive contractility. Using live super-resolution microscopy, we demonstrate that actomyosin-II controls axonal radial contractility and local expansion, and that NM-II filaments associate with periodic F-actin rings via their head domains. Pharmacological inhibition of NM-II activity, significantly increases axon diameter by detaching the NM-II from F-actin, and impacts the trafficking speed, directionality, and overall efficiency of long-range retrograde trafficking. Consequently, prolonged disruption of NM-II activity leads to disruption of periodic actin rings and formation of focal axonal swellings, a hallmark of axonal degeneration.Summary Axonal radial contractility and local expansion control the retrograde trafficking of large cargoes. The periodic actomyosin-II network comprises of NM-II filaments and F-actin rings. Loss of actomyosin-II-mediated radial contractility causes defects in axonal trafficking and stability, leading to degeneration.* BLB : Blebbistatin CTB : Cholera toxin subunit B DIV : Days in vitro F-actin : Filamentous actin FAS : Focal axonal swellings NM-II : Non-muscle myosin II ROI : Region of interest MRLC : Myosin regulatory light chain MHC : Myosin heavy chain