Abstract Autophagy is an essential cellular process affecting virus infections and other diseases and Beclin1 (BECN1) is one of its key regulators. Here, we identified S-phase kinase-associated protein 2 (SKP2) as E3 ligase that executes lysine-48-linked poly-ubiquitination of BECN1, thus promoting its proteasomal degradation. SKP2 activity is regulated by phosphorylation in a hetero-complex involving FKBP51, PHLPP, AKT1, and BECN1. Genetic or pharmacological inhibition of SKP2 decreases BECN1 ubiquitination, decreases BECN1 degradation and enhances autophagic flux. Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) multiplication results in reduced BECN1 levels and blocks the fusion of autophagosomes and lysosomes. Inhibitors of SKP2 not only enhance autophagy but also reduce the replication of MERS-CoV up to 28,000-fold. The SKP2-BECN1 link constitutes a promising target for host-directed antiviral drugs and possibly other autophagy-sensitive conditions.

Aging and psychosocial stress are associated with increased inflammation and disease risk, but the underlying molecular mechanisms are unclear. Because both aging and stress are also associated with lasting epigenetic changes, a plausible hypothesis is that stress along the lifespan could confer disease risk through epigenetic effects on molecules involved in inflammatory processes. Here, by combining large-scale analyses in human cohorts with experiments in cells, we report that FKBP5, a protein implicated in stress physiology, contributes to these relations. Across independent human cohorts (total n > 3,000), aging synergized with stress-related phenotypes, measured with childhood trauma and major depression questionnaires, to epigenetically up-regulate FKBP5 expression. These age/stress-related epigenetic effects were recapitulated in a cellular model of replicative senescence, whereby we exposed replicating human fibroblasts to stress (glucocorticoid) hormones. Unbiased genome-wide analyses in human blood linked higher FKBP5 mRNA with a proinflammatory profile and altered NF-κB–related gene networks. Accordingly, experiments in immune cells showed that higher FKBP5 promotes inflammation by strengthening the interactions of NF-κB regulatory kinases, whereas opposing FKBP5 either by genetic deletion (CRISPR/Cas9-mediated) or selective pharmacological inhibition prevented the effects on NF-κB. Further, the age/stress-related epigenetic signature enhanced FKBP5 response to NF-κB through a positive feedback loop and was present in individuals with a history of acute myocardial infarction, a disease state linked to peripheral inflammation. These findings suggest that aging/stress-driven FKBP5–NF-κB signaling mediates inflammation, potentially contributing to cardiovascular risk, and may thus point to novel biomarker and treatment possibilities.

Abstract The stress response is an essential mechanism that strives to maintain homeostasis, and its disruption is implicated in several psychiatric disorders. As a cellular response to stressors, autophagy is activated to regulate homeostasis through protein degradation and recycling. Secretory autophagy is a recently described pathway where autophagosomes fuse with the plasma membrane rather than lysosomes. In this study, we demonstrate that glucocorticoid-mediated stress enhances secretory autophagy, via the stress-responsive co-chaperone FK506-binding protein 51. We identified the matrix metalloproteinase 9 (MMP9) as one of the stress-induced secreted proteins. Using cellular assays and in vivo microdialysis, we further found that stress-enhanced MMP9 secretion increases the cleavage of pro-brain derived neurotrophic factor (proBDNF) to its mature form. BDNF is essential for adult synaptic plasticity and its pathway is associated with major depression and posttraumatic stress disorder. These findings unravel a novel mechanistic link between stress, stress adaptation and the development of psychiatric disorders, with possible therapeutic implications.

ABSTRACT Identification and characterisation of novel targets for treatment is a priority in the field of psychiatry. FKBP5 is a gene with decades of evidence suggesting its pathogenic role in a subset of psychiatric patients, with potential to be leveraged as a therapeutic target for these individuals. While it is widely reported that FKBP5 /FKBP51 mRNA/protein ( FKBP5 /1) expression is impacted by psychiatric disease state, risk genotype and age, it is not known in which cell-types and sub-anatomical areas of the human brain this occurs. This knowledge is critical to propel FKBP5 /1-targeted treatment development. Here, we performed an extensive, large-scale postmortem study (n=1024) of FKBP5 /1 examining prefrontal cortex (BA9, BA11, BA24) derived from subjects that lived with schizophrenia, major depression or bipolar disorder. With an extensive battery of RNA (bulk RNA sequencing, single-nucleus RNA sequencing, microarray, qPCR, RNAscope) and protein (immunoblot, immunohistochemistry) analysis approaches, we thoroughly investigated the effects of disease-state, aging and genotype on cortical FKBP5 /1 expression including in a cell-type specific manner. We identified consistently heightened FKBP5 /1 levels in psychopathology and with age, but not genotype, with these effects strongest in schizophrenia. Using single-nucleus RNA sequencing (snRNAseq) and targeted histology, we established that these disease- and aging-effects on FKBP5 /1 expression were most pronounced in excitatory supragranular neurons. We then found that this increase in FKBP5 levels likely impacts on synaptic plasticity, as FKBP5 gex levels strongly and inversely correlated with dendritic mushroom spine density and brain-derived neurotrophic factor ( BDNF ) levels in supragranular neurons. These findings pinpoint a novel cellular and molecular mechanism that has significant potential to open a new avenue of FKBP51 drug development to treat cognitive symptoms in psychiatric disorders.

Abstract The expression of FKBP5, and its resulting protein FKBP51, is strongly induced by stress and glucocorticoids. Numerous studies have explored their involvement in a plethora of cellular processes and diseases, including psychiatric disorders, inflammatory conditions and cancer. However, there is a lack of knowledge on the role of the different RNA splicing variants and the two protein isoforms that originate from the human FKBP5 locus, especially in response to glucocorticoids. In this study we use in vitro models as well as peripheral blood cells of a human cohort to show that the two expressed variants are both dynamically upregulated following dexamethasone. We also investigate the subcellular localization of the protein isoforms, their degradation dynamics as well as their differential role in known cellular pathways. The results shed light on the difference of the two variants and highlight the importance of differential analyses in future studies with implications for targeted drug design.

Aging and psychosocial stress are associated with increased inflammation and disease risk, but the underlying molecular mechanisms are poorly understood. Because both aging and stress are also associated with lasting epigenetic changes, a plausible hypothesis is that stress exposure along the lifespan could confer disease risk by epigenetically deregulating molecules involved in inflammatory processes. Here, by combining large-scale analyses in human cohorts with mechanistic in vitro investigations, we found that FKBP5, a protein implicated in stress physiology, contributes to these relations. Across independent human cohorts (total n=3,131), aging and stress-related phenotypes were synergistically associated with epigenetic derepression of FKBP5. These age/stress-related epigenetic effects were recapitulated in an in vitro model of replicative senescence, whereby we exposed replicating human fibroblasts to stress (glucocorticoid) hormones. Unbiased genome-wide analyses in human blood linked higher FKBP5 mRNA with a proinflammatory profile and altered NF-kB-related gene networks. Accordingly, experiments in immune cells showed that FKBP5 overexpression promotes inflammation by strengthening the interactions of NF-kB regulatory kinases, whereas opposing FKBP5 either by genetic deletion (CRISPR/Cas9-mediated) or selective pharmacological inhibition prevented the effects on NF-kB. Further, the age/stress-related epigenetic signature enhanced FKBP5 responsivity to NF-kB through a positive feedback loop and was present in individuals with a history of acute myocardial infarction, a disease state linked to peripheral inflammation. These findings suggest that FKBP5-NF-kB signaling mediates inflammation associated with aging and stress, potentially contributing to cardiovascular risk, and may thus point to novel biomarker and treatment possibilities.

A fine-tuned balance of glucocorticoid receptor (GR) activation is essential for organ formation, with disturbances influencing health outcomes. Excess GR-activation in utero has been linked to brain-related negative outcomes, with unclear underlying mechanisms, especially regarding cell-type specific effects. To address this, we used an in vitro model of fetal human brain, induced pluripotent-stem-cell-derived cerebral organoids, and mapped GR-activation effects using single-cell transcriptomics across development. Interestingly, neurons showed targeted regulation of differentiation- and maturation-related transcripts, suggesting a delay of these processes upon GR-activation. Uniquely in neurons, differentially-expressed transcripts were significantly enriched for genes associated with behavior-related phenotypes and disorders. This suggests that aberrant GR-activation could impact proper neuronal maturation, leading to increased disease susceptibility, through neurodevelopmental processes at the interface of genetic susceptibility and environmental exposure.

High levels of proinflammatory cytokines induce neurotoxicity and catalyze inflammation-driven neurodegeneration, but the specific release mechanisms from microglia remain elusive. We demonstrate that secretory autophagy (SA), a non-lytic modality of autophagy for secretion of vesicular cargo, regulates neuroinflammation-mediated neurodegeneration via SKA2 and FKBP5 signaling. SKA2 inhibits SA-dependent IL-1β release by counteracting FKBP5 function. Hippocampal Ska2 knockdown in mice hyperactivates SA resulting in neuroinflammation, subsequent neurodegeneration and complete hippocampal atrophy within six weeks. The hyperactivation of SA increases IL-1β release, initiating an inflammatory feed-forward vicious cycle including NLRP3-inflammasome activation and Gasdermin D (GSDMD)-mediated neurotoxicity, which ultimately drives neurodegeneration. Results from protein expression and co-immunoprecipitation analyses of postmortem brains demonstrate that SA is hyperactivated in Alzheimer's disease. Overall, our findings suggest that SKA2-regulated, hyperactive SA facilitates neuroinflammation and is linked to Alzheimer's disease, providing new mechanistic insight into the biology of neuroinflammation.