ABSTRACT Coronavirus disease-2019 (COVID-19) is primarily a respiratory disease, however, an increasing number of reports indicate that SARS-CoV-2 infection can also cause severe neurological manifestations, including precipitating cases of probable Parkinson’s disease. As microglial NLRP3 inflammasome activation is a major driver of neurodegeneration, here we interrogated whether SARS-CoV-2 can promote microglial NLRP3 inflammasome activation utilising a model of human monocyte-derived microglia. We identified that SARS-CoV-2 isolates can bind and enter microglia, triggering inflammasome activation in the absence of viral replication. Mechanistically, microglial NLRP3 could be both primed and activated with SARS-CoV-2 spike glycoprotein in a NF-κB and ACE2-dependent manner. Notably, virus- and spike protein-mediated inflammasome activation in microglia was significantly enhanced in the presence of α-synuclein fibrils, which was entirely ablated by NLRP3-inhibition. These results support a possible mechanism of microglia activation by SARS-CoV-2, which could explain the increased vulnerability to developing neurological symptoms akin to Parkinson’s disease in certain COVID-19 infected individuals, and a potential therapeutic avenue for intervention. SIGNIFICANCE STATEMENT Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) principally affects the lungs, however there is evidence that the virus can also reach the brain and lead to chronic neurological symptoms. In this study, we examined the interaction SARS-CoV-2 with brain immune cells, by using an ex-vivo model of human monocyte-derived microglia. We identified robust activation of the innate immune sensor complex, NLRP3 inflammasome, in cells exposed to SARS-CoV-2. This was dependent on spike protein-ACE2 receptor interaction and was potentiated in the presence of α-synuclein. We therefore identify a possible mechanism for SARS-CoV-2 and increased vulnerability to developing neurological dysfunction. These findings support a potential therapeutic avenue for treatment of SARS-CoV-2 driven neurological manifestations, through use of NLRP3 inflammasome or ACE2 inhibitors.

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 Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is caused by SARS-CoV-2 and has been a pandemic since March 2020. Currently, the virus has infected more than 50 million people worldwide and more than half a million in Chile. For many coronaviruses, Spike (S) and Nucleocapsid (N) proteins are described as major antigenic molecules, inducing seroconversion and production of neutralizing antibodies. In this work, we evaluated the presence in serum of IgM, IgA and IgG antibodies against N and S proteins of SARS-CoV-2 using western blot, and developed an ELISA test for the qualitative characterization of COVID-19 patients. Patients with an active infection or who have recovered from COVID-19 showed specific immunoblotting patterns for the recombinants S protein and its domains S1 and S2, as well as for the N protein of SARS-CoV-2. Anti-N antibodies were more frequently detected than anti-S or anti-S1-RBD antibodies. People who were never exposed to SARS-CoV-2 did not show reactivity. Finally, indirect ELISA assays using N and S1-RBD proteins, alone or in combination, were established with variable sensitivity and specificity depending on the antigen bound to the solid phase. Overall, Spike showed higher specificity than the nucleocapsid, and comparable sensitivity for both antigens. Both approaches confirmed the seroconversion after infection and allowed us to implement the analysis of antibodies in blood for research purposes in a local facility.

Abstract The SARS-CoV2 Omicron variant sub-lineages spread rapidly through the world, mostly due to their immune-evasive properties. This has put a significant part of the population at risk for severe disease and underscores the need for anti-SARS-CoV-2 agents that are effective against emergent strains in vulnerable patients. Camelid nanobodies are attractive therapeutic candidates due to their high stability, ease of large-scale production and potential for delivery via inhalation. Here, we characterize the RBD-specific nanobody W25, which we previously isolated from an alpaca, and show superior neutralization activity towards Omicron lineage BA.1 in comparison to all other SARS-CoV2 variants. Structure analysis of W25 in complex with the SARS-CoV2 spike surface glycoprotein shows that W25 engages an RBD epitope not covered by any of the antibodies previously approved for emergency use. Furthermore, we show that W25 also binds the spike protein from the emerging, more infectious Omicron BA.2 lineage with picomolar affinity. In vivo evaluation of W25 prophylactic and therapeutic treatments across multiple SARS-CoV-2 variant infection models, together with W25 biodistribution analysis in mice, demonstrates favorable pre-clinical properties. Together, these data endorse prioritization of W25 for further clinical development.

CMTR1 contributes to mRNA cap formation by methylating the O-2 position of the 1st transcribed nucleotide ribose. mRNA cap O-2 methylation has roles in mRNA translation and self-RNA tolerance in innate immunity, however its role in cell physiology is unclear. We report that CMTR1 is recruited to Serine-5 phosphorylated RNA Pol II CTD, facilitating cotranscriptional methylation. We isolated CMTR1 in a complex with DHX15, an RNA helices functioning in splicing and ribosome biogenesis, and characterised it as a regulator of CMTR1. When bound to DHX15, CMTR1 activity is repressed and prevented from binding to RNA pol II, thus constraining 1st nucleotide methylation to a co-transcriptional event. Conversely CMTR1 activates DHX15 helicase activity and influences its nuclear localisation, which is likely to impact on several nuclear functions. The impact of the CMTR1-DHX15 interaction is complex and will depend on the relative expression of these enzymes and their interactors, and the cellular dependency on different RNA processing pathways. In HCC1806 cells, the DHX15-CMTR1 interaction controls ribosome loading of a subset of mRNAs and impacts on cell proliferation.

Ubiquitination regulates several biological processes. Here, we search for ubiquitin-related genes implicated in protein membrane trafficking performing a High-Content siRNA Screening including 1,187 genes of the human “ubiquitinome” using Amyloid Precursor Protein (APP) as a reporter. We identified the deubiquitinating enzyme PSMD14, a subunit of the 19S regulatory particle of the proteasome, specific for K63-Ub chains in cells, as a novel key regulator of Golgi-to-endoplasmic reticulum (ER) retrograde transport. Silencing or pharmacological inhibition of PSMD14 caused a robust and rapid inhibition of Golgi-to-ER retrograde transport which leads to a potent blockage of macroautophagy by a mechanism associated with the retention of Atg9A and Rab1A at the Golgi apparatus. Because pharmacological inhibition of the proteolytic core of the 20S proteasome did not recapitulate these effects, we concluded that PSMD14, and their K-63-Ub chains, act as a crucial regulator factor for macroautophagy by controlling Golgi-to-ER retrograde transport.

Huntington's disease (HD) is a neurodegenerative disorder caused by a CAG trinucleotide repeat expansion in the first exon of the huntingtin gene. The huntingtin protein (Htt) is ubiquitously expressed and localized in several organelles, including endosomes, where it plays an essential role in intracellular trafficking. Presymptomatic HD is associated with a failure in energy metabolism and oxidative stress. Ascorbic acid is a potent antioxidant that plays a key role in modulating neuronal metabolism and is highly concentrated in the brain. During synaptic activity, neurons take up ascorbic acid released by glial cells; however, this process is disrupted in HD. In this study, we aim to elucidate the molecular and cellular mechanisms underlying this dysfunction. Using an electrophysiological approach in presymptomatic YAC128 HD slices, we observed decreased ascorbic acid flux from astrocytes to neurons, which altered neuronal metabolic substrate preferences. Ascorbic acid efflux and recycling were also decreased in cultured astrocytes from YAC128 HD mice. We confirmed our findings using GFAP-HD160Q, an HD mice model expressing mutant N-terminal Htt mainly in astrocytes. For the first time, we demonstrated that ascorbic acid is released from astrocytes via extracellular vesicles (EVs). Decreased number of particles and exosomal markers were observed in EV fractions from cultured YAC128 HD astrocytes and Htt-KD cells. We observed reduced number of multivesicular bodies (MVBs) in YAC128 HD striatum via electron microscopy, suggesting mutant Htt alters MVB biogenesis. EVs containing ascorbic acid effectively reduced reactive oxygen species, whereas "free" ascorbic acid played a role in modulating neuronal metabolic substrate preferences. These findings suggest that the early redox imbalance observed in HD arises from a reduced release of ascorbic acid-containing EVs by astrocytes. Meanwhile, a decrease in "free" ascorbic acid likely contributes to presymptomatic metabolic impairment.

Abstract Despite unprecedented global efforts to rapidly develop SARS-CoV-2 treatments, in order to reduce the burden placed on health systems, the situation remains critical. Effective diagnosis, treatment, and prophylactic measures are urgently required to meet global demand: recombinant antibodies fulfill these requirements and have marked clinical potential. Here, we describe the fast-tracked development of an alpaca Nanobody specific for the receptor-binding-domain (RBD) of the SARS-CoV-2 Spike protein with therapeutic potential applicability. We present a rapid method for nanobody isolation that includes an optimized immunization regimen coupled with VHH library E. coli surface display, which allows single-step selection of high-affinity nanobodies using a simple density gradient centrifugation of the bacterial library. The selected single and monomeric Nanobody, W25, binds to the SARS-CoV-2 S RBD with sub-nanomolar affinity and efficiently competes with ACE-2 receptor binding. Furthermore, W25 potently neutralizes SARS-CoV-2 wild type and the D614G variant with IC50 values in the nanomolar range, demonstrating its potential as antiviral agent.

Abstract The p97 protein is a member of the AAA + family of ATPases. It is a mechanoenzyme that uses energy from ATP hydrolysis to promote protein unfolding and segregation actively. The unfolded products of p97 are presented to the 26S Proteasome for degradation. p97 substrate recognition is mediated by adaptors, which interact with substrates directly or indirectly through ubiquitin modifications, resulting in substrate funnelling into the central pore of the p97 hexamer and unfolding. We have engineered synthetic adaptors to target specific substrates to p97, using the extraordinary intracellular binding capabilities of camelid nanobodies fused to the UBX domain of the p97 Adapter FAF1. In such a way, we created a p97-directed proteolysis-targeting chimera (PROTAC), representing a unique E3 ubiquitin ligase-independent strategy to promote specific proteolysis.