Abstract Glia derived secretory factors play diverse roles in supporting the development, physiology, and stress responses of the central nervous system (CNS). Through transcriptomics and imaging analyses, we have identified Obp44a as one of the most abundantly produced secretory proteins from Drosophila CNS glia. Protein structure homology modeling and Nuclear Magnetic Resonance (NMR) experiments reveal Obp44a as a fatty acid binding protein (FABP) with a high affinity towards long-chain fatty acids in both native and oxidized forms. Further analyses demonstrate that Obp44a effectively infiltrates the neuropil, traffics between neuron and glia, and is secreted into hemolymph, acting as a lipid chaperone and scavenger to regulate lipid and redox homeostasis in the developing brain. In agreement with this essential role, deficiency of Obp44a leads to anatomical and behavioral deficits in adult animals and elevated oxidized lipid levels. Collectively, our findings unveil the crucial involvement of a noncanonical lipid chaperone to shuttle fatty acids within and outside the brain, as needed to maintain a healthy brain lipid environment. These findings could inspire the design of novel approaches to restore lipid homeostasis that is dysregulated in CNS diseases.

Outbreaks of viral diseases are on the rise, fueling the search for antiviral therapeutics that act on a broad range of viruses while remaining safe to human host cells. In this research, we leverage the finding that the plasma membranes of host cells and the lipid bilayers surrounding enveloped viruses differ in lipid composition. We feature Piscidin 1 (P1), a cationic host defense peptide (HDP) that has antimicrobial effects and membrane activity associated with its N-terminal region where a cluster of aromatic residues and copper-binding motif reside. While few HDPs have demonstrated antiviral activity, P1 acts in the micromolar range against several enveloped viruses that vary in envelope lipid composition. Notably, it inhibits HIV-1, a virus that has an envelope enriched in cholesterol, a lipid associated with higher membrane order and stability. Here, we first document through plaque assays that P1 boasts strong activity against SARS-CoV-2, which has an envelope low in cholesterol. Second, we extend previous studies done with homogeneous bilayers and devise cholesterol-containing zwitterionic membranes that contain the liquid disordered (L d ; low in cholesterol) and ordered (L o , rich in cholesterol) phases. Using dye leakage assays and cryo-electron microscopy on vesicles, we show that P1 has dramatic permeabilizing capability on the L o /L d , an effect matched by a strong ability to aggregate, fuse, and thin the membranes. Differential scanning calorimetry and NMR experiments demonstrate that P1 mixes the lipid content of vesicles and alters the stability of the L o . Structural studies by NMR indicate that P1 interacts with the L o /L d by folding into an α-helix that lies parallel to the membrane surface. Altogether, these results show that P1 is more disruptive to phase-separated than homogenous cholesterol-containing bilayers, suggesting an ability to target domain boundaries. Overall, this multi-faceted research highlights how a peptide that interacts strongly with membranes through an aromatic-rich N-terminal motif disrupt viral envelope mimics. This represents an important step towards the development of novel peptides with broad-spectrum antiviral activity.

The high proportion of lipopolysaccharide (LPS) molecules in the outer membrane of Gram-negative bacteria make it a highly effective barrier to small molecules, antibiotic drugs, and other antimicrobial agents. Given this vital role in protecting bacteria from potentially hostile environments, simulations of LPS bilayers and outer membrane systems represent a critical tool for understanding the mechanisms of bacterial resistance and the development of new antibiotic compounds that circumvent these defenses. The basis of these simulations are parameterizations of LPS, which have been developed for all major molecular dynamics force fields. However, these parameterizations differ in both the protonation state of LPS as well as how LPS membranes behave in the presence of various ion species. To address these discrepancies and understand the effects of phosphate charge on bilayer properties, simulations were performed for multiple distinct LPS chemotypes with different ion parameterizations in both protonated or deprotonated lipid A states. These simulations show that bilayer properties, such as the area per lipid and inter-lipid hydrogen bonding, are highly influenced by the choice of phosphate group charges, cation type, and ion parameterization, with protonated LPS and monovalent cations with modified nonbonded parameters providing the best match to experiments. Additionally, alchemical free energy simulations were performed to determine theoretical pK a values for LPS, and subsequently validated by 31P solid-state NMR experiments. Results from these complementary computational and experimental studies demonstrate that the protonated state dominates at physiological pH, contrary to the deprotonated form modeled by many LPS force fields. In all, these results highlight the sensitivity of LPS simulations to phosphate charge and ion parameters, while offering recommendations for how existing models should be updated for consistency between force fields as well as to best match experiments.

The odorant binding protein, OBP44a is one of the most abundant proteins expressed in the brain of the developing fruit fly Drosophila melanogaster. Its cellular function has not yet been determined. The OBP family of proteins is well established to recognize hydrophobic molecules. In this study, NMR is employed to structurally characterize OBP44a. NMR chemical shift perturbation measurements confirm that OBP44a binds to fatty acids. Complete assignments of the backbone chemical shifts and secondary chemical shift analysis demonstrate that the apo state of OBP44a is comprised of six α-helices. Upon binding 8(Z)-eicosenoic acid (8(Z)-C20:1), the OBP44a C-terminal region undergoes a conformational change, from unstructured to α-helical. In addition to C-terminal restructuring upon ligand binding, some hydrophobic residues show dramatic chemical shift changes. Surprisingly, several charged residues are also strongly affected by lipid binding. Some of these residues could represent key structural features that OBP44a relies on to perform its cellular function. The NMR chemical shift assignment is the first step towards characterizing the structure of OBP44a and how specific residues might play a role in lipid binding and release. This information will be important in deciphering the biological function of OBP44a during fly brain development.