A Xenopus laevis two-reporter screen identifies the antihelminthic drug pyrvinium as an inhibitor of the Wnt/β-catenin signaling pathway that works by activating CK1α, which is likely working at the level of Pygopus, a core transcriptional component of the Wnt pathway. Wnt/β-catenin signaling is critically involved in metazoan development, stem cell maintenance and human disease. Using Xenopus laevis egg extract to screen for compounds that both stabilize Axin and promote β-catenin turnover, we identified an FDA-approved drug, pyrvinium, as a potent inhibitor of Wnt signaling (EC50 of ∼10 nM). We show pyrvinium binds all casein kinase 1 (CK1) family members in vitro at low nanomolar concentrations and pyrvinium selectively potentiates casein kinase 1α (CK1α) kinase activity. CK1α knockdown abrogates the effects of pyrvinium on the Wnt pathway. In addition to its effects on Axin and β-catenin levels, pyrvinium promotes degradation of Pygopus, a Wnt transcriptional component. Pyrvinium treatment of colon cancer cells with mutation of the gene for adenomatous polyposis coli (APC) or β-catenin inhibits both Wnt signaling and proliferation. Our findings reveal allosteric activation of CK1α as an effective mechanism to inhibit Wnt signaling and highlight a new strategy for targeted therapeutics directed against the Wnt pathway.

Unrelated individuals can produce genetically similar clones of antibodies, known as public clonotypes, which have been seen in responses to different infectious diseases, as well as healthy individuals. Here we identify 37 public clonotypes in memory B cells from convalescent survivors of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection or in plasmablasts from an individual after vaccination with mRNA-encoded spike protein. We identify 29 public clonotypes, including clones recognizing the receptor-binding domain (RBD) in the spike protein S1 subunit (including a neutralizing, angiotensin-converting enzyme 2 [ACE2]-blocking clone that protects in vivo) and others recognizing non-RBD epitopes that bind the S2 domain. Germline-revertant forms of some public clonotypes bind efficiently to spike protein, suggesting these common germline-encoded antibodies are preconfigured for avid recognition. Identification of large numbers of public clonotypes provides insight into the molecular basis of efficacy of SARS-CoV-2 vaccines and sheds light on the immune pressures driving the selection of common viral escape mutants.

Neuropilin-1 (NRP-1) is a multifunctional transmembrane receptor for ligands that affect developmental axonal growth and angiogenesis. In addition to a role in cancer, NRP-1 is a reported entry point for several viruses, including severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the causal agent of coronavirus disease 2019 (COVID-19). The furin cleavage product of SARS-CoV-2 Spike protein takes advantage of the vascular endothelial growth factor A (VEGF-A) binding site on NRP-1 which accommodates a polybasic stretch ending in a C-terminal arginine. This site has long been a focus of drug discovery efforts for cancer therapeutics. We recently showed that interruption of the VEGF-A/NRP-1 signaling pathway ameliorates neuropathic pain and hypothesize that interference of this pathway by SARS-CoV-2 Spike protein interferes with pain signaling. Here, we report confirmed hits from a small molecule and natural product screen of nearly 0.5 million compounds targeting the VEGF-A binding site on NRP-1. We identified nine chemical series with lead- or drug-like physicochemical properties. Using ELISA, we demonstrate that six compounds disrupt VEGF-A-NRP-1 binding more effectively than EG00229, a known NRP-1 inhibitor. Secondary validation in cells revealed that all tested compounds inhibited VEGF-A triggered VEGFR2 phosphorylation. Further, two compounds displayed robust inhibition of a recombinant vesicular stomatitis virus protein that utilizes the SARS-CoV-2 Spike for entry and fusion. These compounds represent a first step in a renewed effort to develop small molecule inhibitors of the VEGF-A/NRP-1 signaling for the treatment of neuropathic pain and cancer with the added potential of inhibiting SARS-CoV-2 virus entry.

Abstract Neuropilin-1 (NRP-1) is a multifunctional transmembrane receptor for ligands that affect developmental axonal growth and angiogenesis. In addition to a role in cancer, NRP-1 is a reported entry point for several viruses, including severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the causal agent of coronavirus disease 2019 (COVID-19). The furin cleavage product of SARS-CoV-2 Spike protein takes advantage of the vascular endothelial growth factor A (VEGF-A) binding site on NRP-1 which accommodates a polybasic stretch ending in a C-terminal arginine. This site has long been a focus of drug discovery efforts for cancer therapeutics. We recently showed that interruption of the VEGF-A/NRP-1 signaling pathway ameliorates neuropathic pain and hypothesize that interference of this pathway by SARS-CoV-2 spike protein interferes with pain signaling. Here, we report hits from a small molecule and natural product screen of nearly 0.5 million compounds targeting the VEGF-A binding site on NRP-1. We identified nine chemical series with lead- or drug-like physico-chemical properties. Using an ELISA, we demonstrate that six compounds disrupt VEGF-A-NRP-1 binding more effectively than EG00229, a known NRP-1 inhibitor. Secondary validation in cells revealed that almost all tested compounds inhibited VEGF-A triggered VEGFR2 phosphorylation. Two compounds displayed robust inhibition of a recombinant vesicular stomatitis virus protein that utilizes the SARS-CoV-2 Spike for entry and fusion. These compounds represent a first step in a renewed effort to develop small molecule inhibitors of the VEGF-A/NRP-1 signaling for the treatment of neuropathic pain and cancer with the added potential of inhibiting SARS-CoV-2 virus entry.

Abstract Background How cigarette smoke (CS) and chronic obstructive pulmonary disease (COPD) affect severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV2) infection and severity is controversial. We investigated the effects of COPD and CS on the expression of SARS-CoV-2 entry receptor ACE2 in vivo in COPD patients and controls and in CS-exposed mice, and the effects of CS on SARS-CoV-2 infection in human bronchial epithelial cells in vitro. Methods We quantified: (1) pulmonary ACE2 protein levels by immunostaining and ELISA, and both ACE2 and/or TMPRSS2 mRNA levels by RT-qPCR in two independent human cohorts; and (2) pulmonary ACE2 protein levels by immunostaining and ELISA in C57BL/6 WT mice exposed to air or CS for up to 6 months. The effects of CS exposure on SARS-CoV-2 infection were evaluated after in vitro infection of Calu-3 cells and differentiated human bronchial epithelial cells (HBECs), respectively. Results ACE2 protein and mRNA levels were decreased in peripheral airways from COPD patients versus controls but similar in central airways. Mice exposed to CS had decreased ACE2 protein levels in their bronchial and alveolar epithelia versus air-exposed mice. CS treatment decreased viral replication in Calu-3 cells, as determined by immunofluorescence staining for replicative double-stranded RNA (dsRNA) and western blot for viral N protein. Acute CS exposure decreased in vitro SARS-CoV-2 replication in HBECs, as determined by plaque assay and RT-qPCR. Conclusions ACE2 levels were decreased in both bronchial and alveolar epithelial cells from COPD patients versus controls, and from CS-exposed versus air-exposed mice. CS-pre-exposure potently inhibited SARS-CoV-2 replication in vitro. These findings urge to investigate further the controversial effects of CS and COPD on SARS-CoV-2 infection.

How cigarette smoke (CS) and chronic obstructive pulmonary disease (COPD) affect severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection and severity is controversial. We investigated the protein and mRNA expression of SARS-CoV-2 entry receptor ACE2 and proteinase TMPRSS2 in lungs from COPD patients and controls, and lung tissue from mice exposed acutely and chronically to CS. Also, we investigated the effects of CS exposure on SARS-CoV-2 infection in human bronchial epithelial cells.In Cohort 1, ACE2-positive cells were quantified by immunostaining in FFPE sections from both central and peripheral airways. In Cohort 2, we quantified pulmonary ACE2 protein levels by immunostaining and ELISA, and both ACE2 and TMPRSS2 mRNA levels by RT-qPCR. In C57BL/6 WT mice exposed to air or CS for up to 6 months, pulmonary ACE2 protein levels were quantified by triple immunofluorescence staining and ELISA. The effects of CS exposure on SARS-CoV-2 infection were evaluated after 72hr in vitro infection of Calu-3 cells. After SARS-CoV-2 infection, the cells were fixed for IF staining with dsRNA-specific J2 monoclonal Ab, and cell lysates were harvested for WB of viral nucleocapsid (N) protein. Supernatants (SN) and cytoplasmic lysates were obtained to measure ACE2 levels by ELISA.In both human cohorts, ACE2 protein and mRNA levels were decreased in peripheral airways from COPD patients versus both smoker and NS controls, but similar in central airways. TMPRSS2 levels were similar across groups. Mice exposed to CS had decreased ACE2 protein levels in their bronchial and alveolar epithelia versus air-exposed mice exposed to 3 and 6 months of CS. In Calu3 cells in vitro, CS-treatment abrogated infection to levels below the limit of detection. Similar results were seen with WB for viral N protein, showing peak viral protein synthesis at 72hr.ACE2 levels were decreased in both bronchial and alveolar epithelial cells from uninfected COPD patients versus controls, and from CS-exposed versus air-exposed mice. CS-pre-treatment did not affect ACE2 levels but potently inhibited SARS-CoV-2 replication in this in vitro model. These findings urge to further investigate the controversial effects of CS and COPD on SARS-CoV2 infection.

ABSTRACT Wnt ligands are considered classical morphogens, for which the strength of the cellular response is proportional to the concentration of the ligand. Herein, we show an emergent property of bistability arising from feedback among the Wnt destruction complex proteins that target the key transcriptional co-activator β-catenin for degradation. Using biochemical reconstitution, we identified positive feedback between the scaffold protein Axin and the kinase GSK3. Theoretical modeling of this feedback between Axin and GSK3 predicted that the activity of the destruction complex exhibits bistable behavior. We experimentally confirmed these predictions by demonstrating that cellular cytoplasmic β-catenin concentrations exhibit an “all-or-none” response with sustained memory (hysteresis) of the signaling input. This bistable behavior was transformed into a graded response and memory was lost through inhibition of GSK3. These findings provide a mechanism for establishing decisive, switch-like cellular response and memory upon Wnt pathway stimulation. One Sentence Summary Positive feedback within the β-catenin destruction complex gives rise to bistability and memory in response to Wnt stimulation, imparting signal transduction accuracy and insulation.

ABSTRACT Unrelated individuals can produce genetically similar clones of antibodies, known as public clonotypes, which have been seen in responses to different infectious diseases as well as healthy individuals. Here we identify 37 public clonotypes in memory B cells from convalescent survivors of SARS-CoV-2 infection or in plasmablasts from an individual after vaccination with mRNA-encoded spike protein. We identified 29 public clonotypes, including clones recognizing the receptor-binding domain (RBD) in the spike protein S1 subunit (including a neutralizing, ACE2-blocking clone that protects in vivo ), and others recognizing non-RBD epitopes that bound the heptad repeat 1 region of the S2 domain. Germline-revertant forms of some public clonotypes bound efficiently to spike protein, suggesting these common germline-encoded antibodies are preconfigured for avid recognition. Identification of large numbers of public clonotypes provides insight into the molecular basis of efficacy of SARS-CoV-2 vaccines and sheds light on the immune pressures driving the selection of common viral escape mutants.

Abstract The establishment and maintenance of different cellular compartments in tissues is a universal requirement across all metazoans. Maintaining the correct ratio of cell types in time and space allows tissues to form patterned compartments and perform complex functions. Patterning is especially evident in the human colon, where tissue homeostasis is maintained by stem cells in crypt structures that balance proliferation and differentiation. Here we developed a 2D patient derived organoid (PDO) screening platform to study tissue patterning and kinase pathway dynamics in single cells across hundreds of conditions. Using this system, we discovered that waves of Erk signaling induced by apoptotic cells play a critical role in maintaining tissue patterning and homeostasis. If Erk is activated acutely across all cells instead of in wavelike patterns, then tissue patterning, and stem cell maintenance are lost. Conversely, if Erk activity is inhibited, then stem cells become unrestricted and expand dramatically. This work demonstrates that the colonic epithelium requires coordinated Erk signaling dynamics to maintain patterning and tissue homeostasis. Our work reveals how Erk can antagonize stem cells yet support cell replacement and the function of the gut.