COVID-19 vaccines based on the Spike protein of SARS-CoV-2 have been developed that appear to be largely successful in stopping infection. However, vaccine escape variants might arise leading to a re-emergence of COVID. In anticipation of such a scenario, the identification of repurposed drugs that stop SARS-CoV-2 replication could have enormous utility in stemming the disease. Here, using a nano-luciferase tagged version of the virus (SARS-CoV-2- DOrf7a-NLuc) to quantitate viral load, we evaluated a range of human cell types for their ability to be infected and support replication of the virus, and performed a screen of 1971 FDA-approved drugs. Hepatocytes, kidney glomerulus, and proximal tubule cells were particularly effective in supporting SARS-CoV-2 replication, which is in- line with reported proteinuria and liver damage in patients with COVID-19. We identified 35 drugs that reduced viral replication in Vero and human hepatocytes when treated prior to SARS-CoV-2 infection and found amodiaquine, atovaquone, bedaquiline, ebastine, LY2835219, manidipine, panobinostat, and vitamin D3 to be effective in slowing SARS-CoV-2 replication in human cells when used to treat infected cells. In conclusion, our study has identified strong candidates for drug repurposing, which could prove powerful additions to the treatment of COVID.

Abstract Collagen-I fibrillogenesis is crucial to health and development, where dysregulation is a hallmark of fibroproliferative diseases. Here, we show that collagen-I fibril assembly required a functional endocytic system that recycles collagen-I to assemble new fibrils. Endogenous collagen production was not required for fibrillogenesis if exogenous collagen was available, but the circadian-regulated vacuolar protein sorting (VPS) 33b and collagen-binding integrin-α11 subunit were crucial to fibrillogenesis. Cells lacking VPS33b secrete soluble collagen-I protomers but were deficient in fibril formation, thus secretion and assembly are separately controlled. Overexpression of VPS33b led to loss of fibril rhythmicity and over-abundance of fibrils, which was mediated through integrin α11β1. Endocytic recycling of collagen-I was enhanced in human fibroblasts isolated from idiopathic pulmonary fibrosis, where VPS33b and integrin-α11 subunit were overexpressed at the fibrogenic front; this correlation between VPS33b, integrin-α11 subunit, and abnormal collagen deposition was also observed in samples from patients with chronic skin wounds. In conclusion, our study showed that circadian-regulated endocytic recycling is central to homeostatic assembly of collagen fibrils and is disrupted in diseases.

Collagen is the most abundant secreted protein in vertebrates that persists throughout life without renewal. The unchanging nature of collagen contrasts with observed continued collagen synthesis throughout adulthood and with conventional transcriptional and translational homeostatic mechanisms that replace damaged proteins with new copies. Here we show circadian clock regulation of procollagen transport from ER-to-Golgi and Golgi-to-plasma membrane by sequential rhythmic expression of SEC61, TANGO1, PDE4D and VPS33B. The result is nocturnal procollagen synthesis and daytime collagen fibril assembly in mice. Rhythmic collagen degradation by CTSK maintains collagen homeostasis. This circadian cycle of collagen synthesis, assembly and degradation affects only a pool of newly-synthesized collagen whilst maintaining the persistent collagen network. Disabling the circadian clock causes collagen accumulation and abnormal fibrils in vivo . In conclusion, our study has identified a circadian clock mechanism of protein homeostasis in which a sacrificial pool of collagen is synthesized and removed to maintain tissue function.

Abstract Collagen is a key structural component of multicellular organisms and is arranged in a highly organised manner. In structural tissues such as tendons, collagen forms bundles of parallel fibres between cells, which appear within a 24 hour window between E13.5 and E14.5 during mouse embryonic development. Current models assume that the organised structure of collagen requires direct cellular control, whereby cells actively lay down collagen fibrils from cell surfaces. However, such models appear incompatible with the time- and length-scales of fibril formation. We propose a phase-transition model to account for the rapid development of ordered fibrils in embryonic tendon, reducing reliance on active cellular processes. We develop phase-field crystal simulations of collagen fibrillogenesis in domains derived from electron micrographs of inter-cellular spaces in embryonic tendon and compare results qualitatively and quantitatively to observed patterns of fibril formation. To test the prediction of this phase-transition model that free protomeric collagen should exist in the intercellular spaces prior to the formation of observable fibrils, we use laser-capture microdissection, coupled with mass spectrometry, which demonstrates steadily increasing free collagen in intercellular spaces up to E13.5, followed by a rapid reduction of free collagen that coincides with the appearance of less soluble collagen fibrils. The model and measurements together provide evidence for extracellular self-assembly of collagen fibrils in embryonic mouse tendon, supporting an additional mechanism for rapid collagen fibril formation during embryonic development.

ABSTRACT Heavy carbon isotopes in the tendons of people who grew up in the age of nuclear bomb testing have shown that the extracellular matrix (ECM), assembled during development, stays with us for life. However, recent work suggests that type-I collagen in ECM-rich mouse tendon exists in two pools: a permanent matrix, and a more soluble, circadian-regulated matrix. Despite this, the underlying regulation of such distinct pools is not understood. Here, we demonstrate using stable isotope labelling coupled with mass spectrometry proteomics that circadian and permanent matrix pools have significantly different half-lives. Furthermore, the properties of the matrix pools are altered during development and ageing. Tail tendon tissue was harvested from mice fed on a heavy-lysine diet; protein was then extracted for analysis using a sequential two-step protocol. The first, soluble fraction (‘F1’) was found to contain intracellular proteins, and a range of core and associated extracellular matrix proteins, including a pool of type-I collagen shown to be circadian-regulated. The remaining fraction (‘F2’) contained primarily collagens, including type-I collagen which did not show rhythmicity. In adult mice, matrix proteins extracted in the F1 pool had significantly shorter half-lives than F2, including type-I collagen which had half-lives of 4 ± 2 days in F1, compared to 700 ± 100 days in F2. Circadian-regulated matrix proteins were found to have significantly faster turnover than non-circadian in adult mice, but this distinction was lost in older animals. This work identifies protein turnover as the underlying mechanism for the circadian/permanent model of tendon matrix, and suggests a loss of circadian regulation as a characteristic of ECM ageing.

ER stress and dysregulation of collagen synthesis are associated with progression of disease in cancer and fibrosis. Collagen synthesis is co-ordinated by the circadian clock, and in cancer cells, ER stress induces a phase shift in circadian oscillations. We hypothesised that an interplay exists between circadian rhythm, collagen synthesis and ER stress in normal cells. Here we show that fibroblasts with ER stress cannot respond to circadian cues. Conversely, overexpression of BiP or treatment with chemical chaperones strengthen circadian rhythms. The significance of these findings was explored in tendon. We showed that BiP expression is ramped pre-emptively prior to a surge in collagen synthesis at night, thereby preventing protein misfolding and ER stress. In turn, we propose, this forestalls activation of the unfolded protein response in order for circadian rhythms to be maintained. Thus, targeting ER stress could be used to modulate circadian rhythm and restore collagen homeostasis in disease.

Electron microscopy has been the gold standard for studying collagen networks but dynamic information on how cells synthesise the networks has been lacking. Live imaging methods have been unable to distinguish newly-synthesised fibrils from pre-existing fibrils and intracellular collagen. Here, we tagged endogenous collagen-I using CRISPR-Cas9 with photoswitchable Dendra2 and demonstrate live cells synthesising, migrating on, and interacting with, collagen fibrils. This strategy is applicable for other long half-life proteins.