Abstract In response to viral infection, neutrophils release inflammatory mediators as part of the innate immune response, contributing to pathogen clearance through virus internalization and killing. Pre-existing co- morbidities correlating to incidence of severe COVID-19 are associated with chronic airway neutrophilia. Furthermore, examination of COVID-19 explanted lung tissue revealed a series of epithelial pathologies associated with the infiltration and activation of neutrophils, indicating neutrophil activity in response to SARS- CoV-2 infection. To determine the impact of neutrophil-epithelial interactions on the infectivity and inflammatory responses to SARS-CoV-2 infection, we developed a co-culture model of airway neutrophilia. SARS-CoV-2 infection of the airway epithelium alone does not result in a notable pro-inflammatory response from the epithelium. The addition of neutrophils induces the release of proinflammatory cytokines and stimulates a significantly augmented pro-inflammatory response subsequent SARS-CoV-2 infection. The resulting inflammatory response is polarized with differential release from the apical and basolateral side of the epithelium. Additionally, the integrity of the epithelial barrier is impaired with notable epithelial damage and infection of basal stem cells. This study reveals a key role for neutrophil-epithelial interactions in determining inflammation and infectivity in response to SARS-CoV-2 infection.

ABSTRACT Hair follicle stem cells (HFSCs) and dermal papilla cells (DPCs) are crucial in the biogenesis and maintenance of hair follicles (HFs). In this study, a fragment derived from aminoacyl-tRNA synthetase-interacting multifunctional protein1 (AIMP1) was secreted from HFSCs to activate DPCs to maintain hair follicle homeostasis. A histological analysis revealed that AIMP1 levels in hair follicles decreased with hair loss. Hair regrowth in AIMP1-induced mice was faster than that in non-induced mice. Deletion mapping revealed 41 amino acids (TN41, aa 6-46) as the active region of AIMP1. The N-terminal peptide fragment of AIMP1 generated by MMP1 was secreted from Wnt-treated HFSCs to activate DPCs via FGFR2. TN41 activated Akt and ERK, increased β-catenin, and enhanced DPCs activation. TN41 also promoted hair shaft elongation in cultured human hair follicles and improved the hair-inducing activity of cultured DPC spheroids. In summation, the AIMP1 fragment secreted from HFSCs appears to stimulate active hair regrowth through activating DPCs.

Abstract Melanoma risk is 30 times higher in people with lightly pigmented skin compared to those with darkly pigmented skin. Here we show that this difference results from more than melanin pigment and its ultraviolet radiation (UVR) shielding effect. Using primary human melanocytes representing the full human skin pigment continuum and several preclinical melanoma models, we show that cell-intrinsic differences between dark and light melanocytes regulate melanocyte proliferative capacity, overall cellular differentiation state, and susceptibility to malignant transformation, independently of melanin and UV exposure. We determined that these differences result from dihydroxyphenylalanine (DOPA), a melanin precursor synthesized at higher levels in melanocytes from dark skin. Although DOPA was not previously known to have specific signaling activity, we used both high throughput pharmacologic and genetic in vivo CRISPR screens to determine that DOPA limits melanocyte and melanoma cell proliferation by directly inhibiting the muscarinic acetylcholine receptor M1 (CHRM1), a G Protein-Coupled Receptor (GPCR) not previously known to bind DOPA, nor to affect melanoma pathobiology. Pharmacologic CHRM1 antagonism in melanoma leads to depletion of c-Myc and FOXM1, both of which are proliferation drivers associated with aggressive melanoma. In preclinical mouse melanoma models using both immune deficient and syngeneic immune competent mice, pharmacologic inhibition of CHRM1 or FOXM1 inhibited tumor growth. CHRM1 and FOXM1 may be new therapeutic targets for melanoma.

Abstract In Alzheimer’s Disease (AD), activation of the mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway is essential for microglia neuroprotective roles, but it is unclear which mTOR effectors promote these neuroprotective functions. The mTOR complex 1 (mTORC1) inactivates the translation suppressors eukaryotic translation Initiation Factor 4E (eIF4E)-Binding Proteins (4E-BP) to promote mRNA translation. We show that 4E-BP1 inactivation is impaired in microglia under AD-relevant conditions. Depleting 4E-BPs in microglia increases mitochondrial metabolism, suppresses the pro-inflammatory profile, and mitigates amyloid-induced apoptosis. Furthermore, in the cerebrospinal fluid of patients with amyloid pathology, there was a positive association between microglia activation and neurodegeneration, which increases along 4E-BP1 levels. Thus, we propose the engagement mTORC1-4E-BP1 axis as a neuroprotective mechanism and a therapeutic target or biomarker for microglia modulation in AD.

Abstract The estrogen receptor-α (ER) is thought to function only as a homodimer, but responds to a variety of environmental, metazoan, and therapeutic estrogens at sub-saturating doses, supporting binding mixtures of ligands as well as dimers that are only partially occupied. Here, we present a series of flexible ER ligands that bind to receptor dimers with individual ligand poses favoring distinct receptor conformations —receptor conformational heterodimers—mimicking the binding of two different ligands. Molecular dynamics simulations showed that the pairs of different ligand poses changed the correlated motion across the dimer interface to generate asymmetric communication between the dimer interface, the ligands, and the surface binding sites for epigenetic regulatory proteins. By examining binding of the same ligand in crystal structures of ER in the agonist versus antagonist conformers, we also showed that these allosteric signals are bidirectional. The receptor conformer can drive different ligand binding modes to support agonist versus antagonist activity profiles, a revision of ligand binding theory that has focused on unidirectional signaling from ligand to the coregulator binding site. We also observed differences in the allosteric signals between ligand and coregulator binding sites in the monomeric versus dimeric receptor, and when bound by two different ligands, states that are physiologically relevant. Thus, ER conformational heterodimers integrate two different ligand-regulated activity profiles, representing new modes for ligand-dependent regulation of ER activity. Significance The estrogen receptor-α (ER) regulates transcription in response to a hormonal milieu that includes low levels of estradiol, a variety of environmental estrogens, as well as ER antagonists such as breast cancer anti-hormonal therapies. While ER has been studied as a homodimer, the variety of ligand and receptor concentrations in different tissues means that the receptor can be occupied with two different ligands, with only one ligand in the dimer, or as a monomer. Here, we use X-ray crystallography and molecular dynamics simulations to reveal a new mode for ligand regulation of ER activity whereby sequence-identical homodimers can act as functional or conformational heterodimers having unique signaling characteristics, with ligand-selective allostery operating across the dimer interface integrating two different signaling outcomes.

Abstract Efforts to improve estrogen receptor-a (ER)-targeted therapies in breast cancer have relied upon a single mechanism, with ligands having a single side chain on the ligand core that extends outward to determine antagonism of breast cancer growth. Here, we describe inhibitors with two ER-targeting moieties, one of which uses an alternate structural mechanism to generate full antagonism, freeing the side chain to independently determine other critical properties of the ligands. By combining two molecular targeting approaches into a single ER ligand, we have generated antiestrogens that function through new mechanisms and structural paradigms to achieve antagonism. These dual-mechanism ER inhibitors (DMERIs) cause alternate, non-canonical structural perturbations of the receptor ligand-binding domain (LBD) to drive antagonism of proliferation in ER-positive breast cancer cells and in allele-specific resistance models. Solution structural and coregulator peptide binding analyses with DMERIs highlight marked differences from current standard-of-care, single-mechanism antiestrogens. These findings uncover an enhanced flexibility of the ER LBD through which it can access non-consensus conformational modes in response to DMERI binding, broadly and effectively suppressing ER activity. Significance Statement To address the unmet clinical need for effectively suppressing estrogen receptor (ER) activity with both de novo resistance and in advanced ER-positive breast cancers that are resistant to standard-of-care antiestrogens, we have developed dual-mechanism ER inhibitors (DMERIs) that employ two distinct ER targeting moieties. These DMERI elicited non-canonical structural perturbations of the receptor ligand-binding domain and stabilized multiple antagonist sub-states within the dimer to generate highly efficacious antagonism of proliferation in ER-positive breast cancer cells and in allele-specific resistance models. This work reveals new conformational modes by which the activity of ER can be effectively suppressed to block breast cancer proliferation.