In macroautophagy, cytoplasmic components are delivered to lysosomes for degradation via autophagosomes that are formed by closure of cup-shaped isolation membranes. However, how the isolation membranes are formed is poorly understood. We recently found in yeast that a novel ubiquitin-like system, the Apg12-Apg5 conjugation system, is essential for autophagy. Here we show that mouse Apg12-Apg5 conjugate localizes to the isolation membranes in mouse embryonic stem cells. Using green fluorescent protein–tagged Apg5, we revealed that the cup-shaped isolation membrane is developed from a small crescent-shaped compartment. Apg5 localizes on the isolation membrane throughout its elongation process. To examine the role of Apg5, we generated Apg5-deficient embryonic stem cells, which showed defects in autophagosome formation. The covalent modification of Apg5 with Apg12 is not required for its membrane targeting, but is essential for involvement of Apg5 in elongation of the isolation membranes. We also show that Apg12-Apg5 is required for targeting of a mammalian Aut7/Apg8 homologue, LC3, to the isolation membranes. These results suggest that the Apg12-Apg5 conjugate plays essential roles in isolation membrane development.

Macroautophagy is the major intracellular degradation system delivering cytoplasmic components to the lysosome/vacuole. We have shown that, in yeast and mammalian cells, the Apg12-Apg5 protein conjugate, which is formed by a ubiquitin-like system, is essential for autophagosome formation. In yeast, the Apg12-Apg5 conjugate interacts with a small coiled-coil protein, Apg16, to form a approximately 350 kDa multimeric complex. We demonstrate that the mouse Apg12-Apg5 conjugate forms a approximately 800 kDa protein complex containing a novel WD-repeat protein. Because the N-terminal region of this novel protein shows homology with yeast Apg16, we have designated it mouse Apg16-like protein (Apg16L). Apg16L, however, has a large C-terminal domain containing seven WD repeats that is absent from yeast Apg16. Apg16L interacts with both Apg5 and additional Apg16L monomers; neither interaction, however, depends on the WD-repeat domain. In conjunction with Apg12-Apg5, Apg16L associates with the autophagic isolation membrane for the duration of autophagosome formation. Because these features are similar to yeast Apg16, we concluded Apg16L is the functional counterpart of the yeast Apg16. We also found that membrane targeting of Apg16L requires Apg5 but not Apg12. Because WD-repeat proteins provide a platform for protein-protein interactions, the approximately 800 kDa complex is expected to function in autophagosome formation, further interacting with other proteins in mammalian cells.

Methylmercury (MeHg) is widely distributed in nature and is known to cause neurotoxic effects. This study aimed to examine the anti-MeHg activity of oleanolic acid-3-glucoside (OA3Glu), a synthetic oleanane-type saponin derivative, by evaluating its effects on motor function, pathology, and electrophysiological properties in a mouse model of MeHg poisoning. Mice were orally administered 2 or 4 mg·kg-1·d-1 MeHg with or without 100 µg·kg-1·d-1 OA3Glu 5x/week for four weeks. Motor function was evaluated using beam-walking and dynamic weight-bearing (DWB) tests. High-dose MeHg exposure significantly increased the frequency of stepping off the hind leg while crossing the beam in the beam-walking test, and increased weight on forelegs when moving freely in the DWB test. OA3Glu treatment alleviated motor abnormality caused by high-dose MeHg exposure in both motor function tests. Additionally, OA3Glu treatment reduced the number of contracted Purkinje cells frequently observed in the cerebellum of MeHg-treated groups, although cerebrum histology was similar in all experimental groups. The synaptic potential amplitude in the cerebellum decreased as MeHg exposure increased, which was restored by OA3Glu treatment. Even in the cerebrum, where the effects of MeHg were not observed, the amplitude of the field potential was suppressed with increasing MeHg exposure but was restored with OA3Glu treatment. Taken together, the study findings suggest that OA3Glu improves neurotransmission and movement disorders associated with MeHg exposure via protection of Purkinje cells in the cerebellum while ameliorating pre/post-synaptic deficits in the cerebral cortex in which no changes were observed at the tissue level, potentially providing a treatment to mitigate MeHg toxicity.

Our previous experiments with klotho mice (i.e., klotho knockout mice) showed that aberrant intron retention (IR) occurs in a pre-symptomatic state of aging and can be restored to the normal state by administration of Juzentaihoto (JTT), a formula of the Japanese herbal medicine (referred to as kampo; Okada et al., 2021). To explain that this phenomenon is not just a specific example observed in klotho mice, but is due to a universal cause that may be common in a pre-symptomatic state, we re-analyzed the data for genes that were differentially expressed in the klotho liver in response to JTT. Our data showed that AMPK signaling was activated in these mice, resulting in inhibition of anabolic pathways including protein synthesis and activation of catabolic pathways including lipolysis in various organs. These data were consistent with the observation that klotho mice appeared to be in a perpetual state of pseudo-starvation, i.e., based on their overall metabolic profile. The abnormally increased incidence of IR (IncIR) in the liver of klotho mice could be classified into three types according to their transcriptional status, revealing that each of all the three types of IncIR was caused by AMPK activation, a consequence of the pseudo-starvation state exhibited by these mice. Furthermore, we showed that both the transcriptional drift variance and the IR drift variance can be useful for visually assessing recovery from the pseudo-starvation state of klotho mice after administration of JTT. With these data, we propose a novel pathway linking intron retention to changes in the physiological state such as starvation, resulting in the maintenance of cellular homeostasis.

Highlights•Post-infection depression poses significant clinical challenges.•Repeated NKS treatment prevents LPS-induced apathy-like behavior in mice.•NKS prevents neuroinflammation by increasing anti-inflammatory milieu.•NKS ameliorates brain vascular inflammation.•NKS may be useful for preventing post-infection depression.AbstractInfectious diseases are often concomitant with symptoms of lassitude and emotional disturbances, including depression, the so-called sickness behavior. Kososan, a Kampo (traditional Japanese herbal) formula, has been clinically used for depressive mood, with demonstrated efficacy in stress-induced depressive-like behavior mouse models. Additionally, our previous study has shown that nobiletin-rich kososan (NKS) prevents aging-related depressive-like behaviors and neuroinflammation in mice. Here, we examined whether NKS alleviates depressive-like behavior and neuroinflammation in a mouse model of sickness behavior induced by lipopolysaccharide (LPS). Repeated oral administration of NKS and the positive control antidepressant paroxetine (Paro) significantly prevented this behavior. NKS and Paro significantly increased the anti-inflammatory milieu in the hippocampus and prefrontal cortex (PFC), as well as brain microglia, of LPS-injected mice. The expression of the vascular tight junction protein claudin-5 was also significantly increased by the treatment with NKS, but not with Paro, in the hippocampus and PFC of LPS-injected mice. In vitro analysis using brain microvascular endothelial cells (BMVECs) showed that incubation with 5% serum derived from mice orally administered NKS resulted in a significant increase in the expression of anti-inflammatory heme oxygenase 1 as well as autophagic flux markers. Moreover, the claudin-5 levels in BMVECs were also increased under LPS-stimulated conditions. These results suggest that NKS exerts prophylactic effects against the LPS-induced apathy-like behavior, partly mediated by the increase in the anti-inflammatory milieu and in the levels of tight junction proteins in the brain. This study provides scientific evidence supporting the potential efficacy of NKS in preventing post-infection depression.