ABSTRACT Coronaviruses belong to a well-known family of enveloped RNA viruses and are the causative agent of the common cold. Although the seasonal coronaviruses do not pose a threat to human life, three members of this family, i.e., SARS-CoV, MERS-CoV and recently, SARS-CoV2, may cause severe acute respiratory syndrome and lead to death. Unfortunately, COVID-19 has already caused more than 4.4 million deaths worldwide. Although much is better understood about the immunopathogenesis of the lung disease, important information about systemic disease is still missing, mainly concerning neurological parameters. In this context, we sought to evaluate immunometabolic changes using in vitro and in vivo models of hamsters infected with SARS-CoV-2. Here we show that, besides infecting hamster’s astrocytes, SARS-CoV-2 induces changes in protein expression and metabolic pathways involved in carbon metabolism, glycolysis, mitochondrial respiration, and synaptic transmission. Interestingly, many of the differentially expressed proteins are concurrent with proteins that correlate with neurological diseases, such as Parkinsons’s disease, multiple sclerosis, amyotrophic lateral sclerosis, and Huntington’s disease. Metabolic analysis by high resolution real-time respirometry evidenced hyperactivation of glycolysis and mitochondrial respiration. Further metabolomics analysis confirmed the consumption of many metabolites, including glucose, pyruvate, glutamine, and alpha ketoglutarate. Interestingly, we observed that glutamine was significantly reduced in infected cultures, and the blockade of mitochondrial glutaminolysis significantly reduced viral replication and pro-inflammatory response. SARS-CoV-2 was confirmed in vivo as hippocampus, cortex, and olfactory bulb of intranasally infected hamsters were positive for viral genome several days post-infection. Altogether, our data reveals important changes in overall protein expression, mostly of those related to carbon metabolism and energy generation, causing an imbalance in important metabolic molecules and neurotransmitters. This may suggest that some of the neurological features observed during COVID-19, as memory and cognitive impairment, may rely on altered energetic profile of brain cells, as well as an unbalanced glutamine/glutamate levels, whose importance for adequate brain function is unquestionable.

ABSTRACT ZIKV is a 11Kb positive stranded flavivirus transmitted by infected Aedes aegypti and by sexual intercourse. After a short period of viremia of 5-7 days, the virus is cleared, and infection resolved in 80% of individuals. However, around 27% of the fetuses from pregnant infected mothers may develop several fetal brain and ocular pathology. Here we show that murine and peripheral blood human neutrophils support ZIKV infection and replication both in vitro and in vivo , which may correlate to the facilitation of vertical transmission. ZIKV did not interfere with cell viability, neither induced ROS production nor the release of NETs by infected neutrophils. Also, ZIKV infection of neutrophils did not trigger a pro-inflammatory profile, as evidenced by qPCR and proteomic analysis. Interestingly, ZIKV-infected neutrophils were isolated from the placenta were highly infected. The transference of in vitro ZIKV-infected neutrophils to pregnant female mice favored the transference of viral particles to the fetus. Conversely, neutrophil depletion with monoclonal antibodies reduced fetal viral loads whereas the treatment with recombinant G-CSF has the opposite effect. In summary, although it has already been shown that circulating monocytes harbor ZIKV, to our knowledge, this is the first report demonstrating the role of neutrophils during ZIKV infection, and most important, that it may act as a trojan horse to placental tissue directly impacting the pathogenesis of congenital syndrome.

Abstract Schizophrenia is a severe psychiatric disorder of neurodevelopmental origin that affects around 1% of the world’s population. Proteomic studies and other approaches have provided evidence of compromised cellular processes in the disorder, including mitochondrial function. Most of the studies so far have been conducted on postmortem brain tissue from patients and do not allow the evaluation of the neurodevelopmental aspect of the disorder. To circumvent that, we studied the mitochondrial and nuclear proteomes of neural stem cells (NSCs) and neurons derived from induced pluripotent stem cells (iPSCs) from schizophrenia patients versus healthy controls. Our results revealed differentially regulated proteins in pathways related to mitochondrial function, oxidative phosphorylation, cell cycle control, DNA repair, and neuritogenesis. Moreover, metabolic analysis of NSCs revealed alterations in mitochondrial function in schizophrenia-derived cells. Hence, this study shows that changes in important cellular processes are present during neurodevelopment and could be involved with the establishment of schizophrenia, as well as the phenotypic traits observed in adult patients.

Abstract Harmine is a β-carboline found in Banisteriopsis caapi , a constituent of ayahuasca brew. Ayahuasca is consumed as a beverage in native Americans’ sacred rituals and in religious ceremonies in Brazil. Throughout the years, the beneficial effects of ayahuasca to improve mental health and life quality have been reported, which propelled the investigation of its therapeutic potential to target neurological disorders such as depression and anxiety. Indeed, antidepressant effects of ayahuasca have been described, raising the question of which cellular mechanisms might underlie those effects. Previous animal studies describe potential neuroprotective mechanisms of harmine, including anti-inflammatory and antioxidant activities, and neurotrophin signaling activation. However, the cellular and molecular mechanisms modulated by harmine in human models remain less investigated. Here we analyzed the short-term changes in the proteome of human brain organoids treated with harmine using shotgun mass spectrometry. Harmine upregulates proteins related to synaptic vesicle cycle, cytoskeleton-dependent intracellular transport, cell cycle, glucose transporter-4 translocation, and neurotrophin signaling pathway. In addition, protein expression levels of Akt and phosphorylated CREB were increased after 24 hour-treatment. Our results shed light on the potential mechanisms that may underlie harmine-induced neuroprotective effects.

ABSTRACT The effects of psychedelics encompass modulation of subjective experience, neuronal plasticity, brain activity and connectivity, constituting a complex phenomenon. Underlying these effects, molecular changes at the protein level are expected. Proteomic analysis of human brain cells can elicit a comprehensive view of proteins and biological processes regulated within the central nervous system. To explore the molecular pathways influenced by lysergic acid diethylamide (LSD), we utilized mass spectrometry-based proteomics on human brain organoids. This approach allowed for an in-depth analysis of the proteomic alterations induced by LSD, providing insights into its effects at the molecular level within a brain-like environment. Alterations in proteostasis and energy metabolism, which are required for neural plasticity, were observed. Alongside, we identified changes in protein synthesis, folding, autophagy, and proteasomal degradation, as well as in glycolysis, oxidative phosphorylation, cytoskeleton regulation, and neurotransmitter release, providing a comprehensive view of the regulation of cellular process by LSD exposure. Furthermore, the ability of LSD to induce plasticity in human brain cells was corroborated through complementary in vitro experiments focusing on neurite outgrowth. This study sheds light on the specific proteins that LSD influences, thereby enhancing neurite extension and plasticity.

Psychedelic agonists of serotonin receptors induce neural plasticity and synaptogenesis, but their potential to enhance learning remains uncharted. Here we show that a single dose of d-LSD, a potent serotonergic agonist, increased novel object preference in young and adult rats several days after treatment. d-LSD alone did not increase preference in old animals, but could rescue it to young levels when followed by a 6-day exposure to enriched environment (EE). Mass spectrometry-based proteomics in human brain organoids treated with d-LSD showed upregulation of proteins from the presynaptic active zone. A computational model of synaptic connectivity in the hippocampus and prefrontal cortex suggests that d-LSD enhances novelty preference by combining local synaptic changes in mnemonic and executive regions, with alterations of long-range synapses. Better pattern separation within EE explained its synergy with d-LSD in rescuing novelty preference in old animals. These results advance the use of d-LSD in cognitive enhancement.