ABSTRACT Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) maintains cardiovascular and renal homeostasis but also serves as the entry receptor for the novel severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV-2), the causal agent of novel coronavirus disease 2019 (COVID-19) 1 . COVID-19 disease severity, while highly variable, is typically lower in pediatric patients than adults (particularly the elderly), but increased rates of hospitalizations requiring intensive care are observed in infants than in older children. The reasons for these differences are unknown. To detect potential age-based correlates of disease severity, we measured ACE2 protein expression at the single cell level in human lung tissue specimens from over 100 donors from ∼4 months to 75 years of age. We found that expression of ACE2 in distal lung epithelial cells generally increases with advancing age but exhibits extreme intra- and inter-individual heterogeneity. Notably, we also detected ACE2 expression on neonatal airway epithelial cells and within the lung parenchyma. Similar patterns were found at the transcript level: ACE2 mRNA is expressed in the lung and trachea shortly after birth, downregulated during childhood, and again expressed at high levels in late adulthood in alveolar epithelial cells. Furthermore, we find that apoptosis, which is a natural host defense system against viral infection, is also dynamically regulated during lung maturation, resulting in periods of heightened apoptotic priming and dependence on pro-survival BCL-2 family proteins including MCL-1. Infection of human lung cells with SARS-CoV-2 triggers an unfolded protein stress response and upregulation of the endogenous MCL-1 inhibitor Noxa; in juveniles, MCL-1 inhibition is sufficient to trigger apoptosis in lung epithelial cells – this may limit virion production and inflammatory signaling. Overall, we identify strong and distinct correlates of COVID-19 disease severity across lifespan and advance our understanding of the regulation of ACE2 and cell death programs in the mammalian lung. Furthermore, our work provides the framework for potential translation of apoptosis modulating drugs as novel treatments for COVID-19.

Cristae membrane state plays a central role in regulating mitochondrial function and cellular metabolism. The protein Optic atrophy 1 (Opa1) is an important crista remodeler that exists as two forms in the mitochondrion, a membrane-anchored long form (l-Opa1) and a processed short form (s-Opa1). The mechanisms for how Opa1 influences cristae shape have remained unclear due to lack of native three-dimensional views of cristae. We perform in situ cryo-electron tomography of cryo-focused ion beam milled mouse embryonic fibroblasts with defined Opa1 states to understand how each form of Opa1 influences cristae architecture. In our tomograms, we observe a variety of cristae shapes with distinct trends dependent on s-Opa1:l-Opa1 balance. Increased l-Opa1 levels promote cristae stacking and elongated mitochondria while increased s-Opa1 levels correlated with irregular cristae packing and round mitochondria shape. Functional assays indicate a role for l-Opa1 in wild-type apoptotic and calcium handling responses, and compromised respiratory function under Opa1 imbalance. In summary, we provide three-dimensional visualization of cristae architecture to reveal relationships between mitochondrial ultrastructure and cellular function dependent on Opa1-mediated membrane remodeling.

Abstract The efficacy of molecularly targeted anti-cancer therapies may be limited by the presence of co-occurring mutations within a tumor 1–3 . Conversely, these alterations may confer collateral vulnerabilities that can be leveraged for the development of novel therapeutic approaches. KRAS -mutant lung cancers are distinguished by recurrent inactivating mutations in the tumor suppressor STK11/ LKB1 4 that facilitate tumorigenesis by modulating energy balance 5, 6 , enhancing metastatic potential 7,8 and enabling immune evasion 9,10 . However, whether LKB1 plays a role in modulating cellular responses to therapeutic stress is largely unknown. Here we show that LKB1 suppresses JNK-dependent stress signaling in KRAS -mutant lung cancer cells upon acute loss of oncogenic signaling. In LKB1-deficient KRAS -mutant cells, inhibition of KRAS or its downstream effector MEK leads to hyperactivation of JNK due to loss of NUAK-mediated PP1B phosphatase activity. JNK-mediated inhibitory phosphorylation of BCL-XL rewires apoptotic dependencies, rendering LKB1-deficient cells vulnerable to MCL-1 inhibition. These results uncover a previously unknown role for LKB1 in regulating stress signaling and the mitochondrial apoptotic response of cancer cells independent of its tumor suppressor activity mediated by AMPK 11–13 and SIK 14,15 kinases. Additionally, our study reveals a therapy-induced vulnerability in LKB1-deficient KRAS- mutant lung cancer cells that could be exploited as a genotype-informed strategy to improve the efficacy of KRAS-targeted therapies.

Individual cancer cells within a population can exhibit substantial phenotypic heterogeneity such that exposure to a lethal agent will kill only a fraction of cells at a given time. Whether common molecular mechanisms govern this fractional killing in response to different lethal stimuli is poorly understood. In part, this is because it is difficult to compare fractional killing between conditions using existing approaches. Here, we show that fractional killing can be quantified and compared for hundreds of populations in parallel using high-throughput time-lapse imaging. We find that fractional killing is highly variable between lethal agents and between cell lines. At the molecular level, we find that the antiapoptotic protein MCL1 is an important determinant of fractional killing in response to mitogen activated protein kinase (MAPK) pathway inhibitors but not other lethal stimuli. These studies lay the foundation for the large-scale, quantitative analysis of cell death phenotypic heterogeneity.