STRUCTURED ABSTRACT Hyperinflammation is frequently observed in patients with severe COVID-19. Inadequate and defective IFN type I responses against SARS-CoV-2, associated with autoantibodies in a proportion of patients, lead to severe courses of disease. In addition, hyperactive responses of the humoral immune system have been described. In the current study we investigated a possible role of neutralizing autoantibodies against antiinflammatory mediators. Plasma from adult patients with severe and critical COVID-19 was screened by ELISA for antibodies against PGRN, IL-1-Ra, IL-10, IL-18BP, IL-22BP, IL-36-Ra, CD40, IFN-α2, IFN-γ, IFN-ω and serpinB1. Autoantibodies were characterized and the antigens were analyzed for immunogenic alterations. In a discovery cohort with severe to critical COVID-19 high titers of PGRN-autoantibodies were detected in 11 of 30 (36.7%), and of IL-1-Ra-autoantibodies in 14 of 30 (46.7%) patients. In a validation cohort of 64 patients with critical COVID-19 high-titer PGRN-Abs were detected in 25 (39%) and IL-1-Ra-Abs in 32 of 64 patients (50%). PGRN-Abs and IL-1-Ra-Abs belonged to IgM and several IgG subclasses. In separate cohorts with non-critical COVID-19, PGRN-Abs and IL-1-Ra-Abs were detected in low frequency (i.e. in < 5% of patients) and at low titers. Neither PGRN-nor IL-1-Ra-Abs were found in 40 healthy controls vaccinated against SARS-CoV-2 or 188 unvaccinated healthy controls. PGRN-Abs were not cross-reactive against SARS-CoV-2 structural proteins nor against IL-1-Ra. Plasma levels of both free PGRN and free IL-1-Ra were significantly decreased in autoantibody-positive patients compared to Ab-negative and non-COVID-19 controls. In vitro PGRN-Abs from patients functionally reduced PGRN-dependent inhibition of TNF-α signaling, and IL-1-Ra-Abs from patients reduced IL-1-Ra- or anakinra-dependent inhibition of IL-1ß signaling. The pSer81 hyperphosphorylated PGRN isoform was exclusively detected in patients with high-titer PGRN-Abs; likewise, a hyperphosphorylated IL-1-Ra isoform was only found in patients with high-titer IL-1-Ra-Abs. Thr111 was identified as the hyperphophorylated amino acid of IL-1-Ra. In longitudinally collected samples hyperphosphorylated isoforms of both PGRN and IL-1-Ra emerged transiently, and preceded the appearance of autoantibodies. In hospitalized patients, the presence of IL-1-Ra-Abs or IL-1-Ra-Abs in combination with PGRN-Abs was associated with a higher morbidity and mortality. To conclude, neutralizing autoantibodies to IL-1-Ra and PGRN occur in a significant portion of patients with critical COVID-19, with a concomitant decrease in circulating free PGRN and IL-1-Ra, indicative of a misdirected, proinflammatory autoimmune response. The break of self-tolerance is likely caused by atypical hyperphosphorylated isoforms of both antigens, whose appearances precede autoantibody induction. Our data suggest that these immunogenic secondary modifications are induced by the SARS-CoV-2-infection itself or the inflammatory environment evoked by the infection and predispose for a critical course of COVID-19.

SUMMARY The nanoscopic organization and regulation of individual molecular components in presynaptic varicosities of neurons releasing modulatory volume neurotransmitters like dopamine (DA) remain largely elusive. Here we show by application of several super-resolution microscopy techniques to cultured neurons and mouse striatal slices, that the dopamine transporter (DAT), a key protein in varicosities of dopaminergic neurons, exists in the membrane in dynamic equilibrium between an inward-facing nanodomain-localized and outward-facing unclustered configuration. The balance between these configurations is inversely regulated by excitatory drive and by DA D2-autoreceptor activation in manner dependent on Ca 2+ -influx via N-type voltage-gated Ca 2+ -channels. The DAT nanodomains contain tens of transporters molecules and overlap with nanodomains of PIP2 (phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate) but show little overlap with D2-autoreceptor, syntaxin-1 and clathrin nanodomains. Summarized, the data reveal a mechanism for rapid alterations in nanoscopic DAT distribution and show a striking link of this to the conformational state of the transporter.

Abstract The small ventrolateral neurons (sLNvs) are key components of the central clock in the Drosophila brain. They signal via the neuropeptide Pigment-dispersing factor (PDF) to align the molecular clockwork of different central clock neurons and to modulate downstream circuits. The dorsal terminals of the sLNvs undergo daily morphological changes that have been shown to affect presynaptic sites organised by the active zone protein Bruchpilot (BRP), a homolog of mammalian ELKS proteins. Although the circadian plasticity of the sLNv terminals is well established, whether and how it is related to the rhythmic release of PDF remains ill-defined. Here, we combined expansion microscopy with labelling of active zones by endogenously tagged BRP to examine the spatial correlation between PDF-containing dense-core vesicles and BRP-labelled active zones. We found that the number of BRP-labelled punctae in the sLNv terminals remained stable while their density changed during circadian plasticity. The relative distance between BRP- and PDF-labelled punctae was increased in the morning, around the reported time of PDF release. Spontaneous dense-core vesicle release profiles of the sLNvs in a publicly available ssTEM dataset (FAFB) consistently lacked spatial correlation to BRP-organised active zones. RNAi-mediated downregulation of brp and other active zone proteins expressed by the sLNvs did not affect PDF-dependent locomotor rhythmicity. In contrast, down-regulation of genes of the canonical vesicle release machinery, the dense-core vesicle-related protein CADPS, as well as PDF impaired locomotor rhythmicity. Taken together, our study suggests that PDF release from the sLNvs is independent of BRP-organised active zones which seem not to be circadianly destroyed and re-established.

The postsynaptic density (PSD) comprises numerous scaffolding proteins, receptors, and signaling molecules that coordinate synaptic transmission in the brain. Postsynaptic density protein 95 (PSD-95) is a master scaffold protein within the PSD and one of its most abundant proteins and therefore constitutes a very attractive biomarker of PSD function and its pathological changes. Here, we exploit a high-affinity inhibitor of PSD-95, AVLX-144, as a template for developing probes for molecular imaging of the PSD. AVLX-144-based probes were labeled with the radioisotopes fluorine-18 and tritium, as well as a fluorescent tag. Tracer binding showed saturable, displaceable, and uneven distribution in rat brain slices, proving effective in quantitative autoradiography and cell imaging studies. Notably, we observed diminished tracer binding in human post-mortem Parkinson's disease (PD) brain slices, suggesting postsynaptic impairment in PD. We thus offer a suite of translational probes for visualizing and understanding PSD-related pathologies.

Background and Objectives: Autoantibodies against the neuronally secreted protein leucine-rich glioma inactivated 1 (LGI1) cause the most common subtype of autoimmune limbic encephalitis associated with seizures and memory deficits. LGI1 and its receptor ADAM22 are part of a transsynaptic protein complex that includes several proteins involved in presynaptic neurotransmitter release and postsynaptic glutamate sensing. Autoantibodies against LGI1 increase excitatory synaptic strength, but studies that genetically disrupt the LGI1-ADAM22 complex report a reduction in postsynaptic glutamate receptor-mediated responses. Thus, the mechanisms underlying the increased synaptic strength induced by LGI1 autoantibodies remain elusive, and the contributions of presynaptic molecules to the LGI1-transsynaptic complex remain unclear. We therefore investigated the presynaptic mechanisms that mediate autoantibody-induced synaptic strengthening. Methods: We studied the effects of patient-derived purified polyclonal LGI1 autoantibodies on synaptic structure and function by combining direct patch-clamp recordings from presynaptic boutons and somata of hippocampal neurons with super-resolution light and electron microscopy of hippocampal cultures and acute brain slices. We also identified the protein domain mediating the presynaptic effect using domain-specific patient-derived monoclonal antibodies. Results: LGI1 autoantibodies dose-dependently increased short-term depression during high-frequency transmission, consistent with increased release probability. The increased neurotransmission was not related to the Cav2.1 channel, as both presynaptic Cav2.1 channel density and gating were unaffected by LGI1 autoantibodies. In contrast, application of LGI1 autoantibodies homogeneously reduced Kv1.1 and Kv1.2 channel density on the surface of presynaptic boutons. Direct presynaptic patch-clamp recordings revealed that LGI1 autoantibodies cause a pronounced broadening of the presynaptic action potential. Domain-specific effects of LGI1 autoantibodies were analysed at the soma, where polyclonal LGI1 autoantibodies and patient-derived monoclonal autoantibodies targeting the Epitempin-domain but not the Leucin rich repeat-domain induced action potential broadening. Discussion: Our results indicate that LGI1 autoantibodies do not affect Cav2.1 channel density or function, but reduce the density of both Kv1.1 and Kv1.2 on presynaptic boutons, thereby broadening the presynaptic action potential and increasing neurotransmitter release. This study provides a molecular explanation for the neuronal hyperactivity induced by LGI1 autoantibodies.

Patients with autoantibodies (aAbs) against the contactin-associated protein-like 2 (CASPR2) suffer from a variety of clinical syndromes including neuropathic pain, in some patients even as the only symptom. CASPR2 is an adhesion protein of the neurexin IV family and part of the voltage-gated potassium channel complex (VGKC) in neurons of dorsal root ganglia (DRG). The subsequent pathological mechanisms following the binding of CASPR2 aAbs and their association with pain are only partially understood. CASPR2 aAbs are mainly of the IgG4 subclass. Previous studies have neglected subclass- dependent effects. Here we investigated 49 subclassified patient serum samples positive for CASPR2 aAbs. To unravel underlying molecular mechanisms, we used a combination of super-resolution lattice structural illumination microscopy (SIM2) and functional readouts by calcium imaging and electrophysiological recordings. CASPR2-positive patient sera subclassified in IgG4 together with at least one other IgG subclass (IgGX) and patients with only IgG4 were further subdivided into the pain and no pain group. Patient subclassification shed further light on the pathological mechanisms of CASPR2 aAbs. A decrease of CASPR2 expression after long-term exposure to CASPR2 aAbs was only observed for the patient group without pain. Upon withdrawal of the CASPR2 aAbs, CASPR2 expression returned to normal level. Structural alterations were obtained by increased distances between CASPR2 and associated potassium channels along DRG axons using high-resolution lattice SIM2 microscopy but only following binding of CASPR2 aAbs from patients with pain. Similarly, CASPR2 aAbs of patients with pain significantly increased overall neuronal excitability of cultured DRG neurons as measured by calcium imaging. Patch-clamp recordings revealed significantly decreased current amplitudes of voltage-gated potassium (Kv) channels after incubation with all four CASPR2 aAbs subclassifications with the most prominent effect of serum samples harboring IgG4 aAbs. Notably, a patient serum sample lacking IgG4 did not alter Kv channel function. Withdrawal of aAbs rescued Kv channel function to normal levels suggesting that the affected potassium channel function is rather due to a functional block of the VGKC rather than altered structural integrity of the VGKC. Taken together, we found IgG4 aAbs to be a major modifier of potassium channel function. The increase in DRG excitability is primarily due to impaired Kv channel conductance as a consequence of CASPR2 aAbs binding but additional and so far unidentified signal pathways contribute to this process in patients with neuropathic pain.