Abstract Quantification of individual cells’ morphology and their distribution at the whole brain scale is essential to understand the structure and diversity of cell types. Despite recent technological advances, especially single cell labeling and whole brain imaging, for many prevailing animal models, it is exceedingly challenging to reuse similar technologies to study human brains. Here we propose Adaptive Cell Tomography (ACTomography), a low-cost, high-throughput, high-efficacy tomography approach, based on adaptive targeting of individual cells suitable for human-brain scale modeling of single neurons to characterize their 3-D structures, statistical distributions, and extensible for other cellular features. Specifically, we established a platform to inject dyes into cortical neurons in surgical tissues of 18 patients with brain tumors or other conditions and 1 donated fresh postmortem brain. We collected 3-D images of 1746 cortical neurons, of which 852 neurons were subsequentially reconstructed to quantify their local dendritic morphology, and mapped to standard atlases both computationally and semantically. In our data, human neurons are more diverse across brain regions than by subject age or gender. The strong stereotypy within cohorts of brain regions allows generating a statistical tensor-field of neuron morphology to characterize 3-D anatomical modularity of a human brain.

Abstract Targeted therapeutics for the treatment of coronavirus disease 2019 (COVID-19), especially severe cases, are currently lacking. As macrophages have unique effector functions as a first-line defense against invading pathogens, we genetically armed human macrophages with chimeric antigen receptors (CARs) to reprogram their phagocytic activity against SARS-CoV-2. After investigation of CAR constructs with different intracellular receptor domains, we found that although cytosolic domains from MERTK (CAR MERTK ) did not trigger antigen-specific cellular phagocytosis or killing effects, unlike those from MEGF10, FcRγ and CD3ζ did, these CARs all mediated similar SARS-CoV-2 clearance in vitro. Notably, we showed that CAR MERTK macrophages reduced the virion load without upregulation of proinflammatory cytokine expression. These results suggest that CAR MERTK drives an ‘immunologically silent’ scavenger effect in macrophages and pave the way for further investigation of CARs for the treatment of individuals with COVID-19, particularly those with severe cases at a high risk of hyperinflammation.

Abstract Nodulin-26 intrinsic proteins (NIPs) are plant-specific multifunctional aquaporin-like channels that are phylogenetically and structurally segregated into three subfamilies: NIP I, II, and III. Each subfamily has a characteristic selectivity filter sequence (the “aromatic-arginine” region, or ar/R) that controls substrate transport specificity based on steric constraints, hydrophobicity, and the spatial orientation of hydrogen bonding moieties. All three NIP subfamilies transport metalloid hydroxides, both beneficial as well as toxic, but with different selectivities. Here we investigated the B, As, and water selectivity of representative Arabidopsis thaliana NIP I and II proteins as well as their ar/R mutants in transport assays as well as through B complementation analysis in the B sensitive nip5;1 mutant background. All NIP proteins, and their ar/R mutants, showed equal permeability to arsenite, but showed differences in boric acid and aquaporin activities that was linked to the amino acid at the helix 2 (H2) position of the ar/R filter (Ala for NIP II and Trp for NIP I). The presence of an alanine at this position in NIP II proteins enhances boric acid permeability and drastically reduces the aquaporin/water permeability of the channel. A NIP II structural model generated from the AlphaFold2 resource and evaluated by MD simulation shows that the alanine results in a wider ar/R pore that accommodates the trigonal boric acid molecule and may allow gating of the pore in a manner that affects water permeability. In contrast, NIP I proteins adopt a more classical aquaporin/glyceroporin arrangement in the ar/R that allows metalloid permeability, although with greater selectivity, as well as permeation by water.

Chronic PKA phosphorylation of RyR2 has been shown to increased diastolic SR Ca2+ leak and lead to cardiac dysfunction. Since the change of phosphorylation level of RyR2 is a biomarker of failing heart, we attempted to verify the hypothesis that intracellular gene delivery of a RyR2 targeting phosphorylation site-specific nanobody could preserve contractility of failing myocardium. In present study, we acquired the RyR2-specific nanobodies from a phage display library which are variable domains of camellidae heavy chain-only antibodies (VHH). One of the monoclonal nanobodies, AR185, inhibiting RyR2 phosphorylation in an in vitro assay was then chosen for further investigation. We investigated the potential of adeno-associated virus (AAV)-9-mediated cardiac expression of AR185 against post-ischemic heart failure. Adeno-associated virus gene delivery elevated the intracellular expression AR185 protein in the ischemic heart failure model of rats, and this treatment normalized the systolic and diastolic dysfunction of the failing myocardium in vivo and in vitro by reversing myocardial Ca2+ handling. Furthermore, AR185 gene transfer to failing cardiomyocytes reduced the frequency of sarcoplasmic reticulum (SR) calcium leak, thereby restoring the attenuated intracellular calcium transients and SR calcium load. Moreover, AR185 gene transfer inhibited PKA phosphorylation of RyR2 in failing cardiomyocytes. Our results provided strong pre-clinical experimental evidence of the cardiac expression of RyR2 nanobody with AAV9 vectors as a promising therapeutic strategy for ischemic heart failure.

Abstract Objective The Na-K-Cl cotransporter (NKCC1) inhibitor bumetanide has prominent positive effects on the pathophysiology of many neurological disorders. Here we studied whether bumetanide could influence post-traumatic cognitive decline and inflammatory processes by regulating astrocyte and microglia activation. Method Controlled cortical impacted (CCI) animals were treated with bumetanide during the first post-CCI week. Immunochemistry, flow cytometry, immunoassay, and in vivo imaging were used to study astrocytic and microglial morphology and phenotype as well as adult neurogenesis. Telemetric electroencephalograms and cognitive behavioral test were performed at one-month post CCI. Results Bumetanide prevented CCI-induced decrease in hippocampal neurogenesis and parvalbumin positive interneuron loss. Deletion of NKCC1 in astrocytes neither rescued interneurons nor promote neurogenesis. Interestingly, bumetanide had a strong effect on microglial activation by inducing polarization towards the M1-like phenotype 3 days post-CCI and the M2-like phenotype 7 days post-CCI. Bumetanide increased microglial Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) expression and interaction with parvalbumin interneurons. The early treatment with bumetanide resulted in improvements in working and episodic memory, one-month post-CCI, as well as the normalization of theta band oscillations. Interpretation Here, we disclose a novel mechanism for the neuroprotective action of bumetanide mediated by an acceleration of microglial activation dynamics that leads to an increase of parvalbumin interneuron survival following CCI, possibly resulting from increased microglial BDNF expression and contact with interneurons. Salvage of interneurons may normalize ambient gamma-aminobutyric acid (GABA) resulting in the preservation of adult neurogenesis processes as well as contributing to bumetanide-mediated improvement of cognitive performance.

Abstract Objective Based on network pharmacology, the response of Qing-tong-hua-yu Decoction (QTHY) to the regulation of EGFR/MAPK signaling cascade in cerebral ischemia-reperfusion injury was discussed and the possible mechanism of the protective effect of QTHY on the cerebral ischemia-reperfusion injury was studied. Methods A compound-target disease-function-pathway network was established and analyzed based on the network pharmacology approach used in Chinese medicine. The correlation, which is between effect of the components of QTHY Decoction against CI/RI with EGFR/MAPK signalling cascade response, was observed. And then the degree of neurological deficits in each group was assessed after cerebral ischemia for 2 hours and reperfusion for 3 hours, 24 hours, 3 days and 7 days. Expression levels of EGFR and p44/42MAPK in ischemic brain tissue at different time points in various groups of rats were tested by Western bolt (WB), real-time quantitative PCR (RT-qPCR) and immunohistochemistry (IHC). Results Network pharmacology analysis revealed that QTHY-mediated treatment involved 439 key targets, in which the effect of QTHY groups against CI/RI was associated with EGFR/MAPK signaling cascade. QTHY treatment reduced neurological deficit scores and improved ischemic changes in rats. In addition, QTHY promoted EGFR and p44/42MAPK expression in the SVZ through the EGFR/MAPK signaling cascade, with varying degrees of improvement at different time points. Conclusion QTHY can better improve cerebral ischemia injury in CI / RI rats and exert the neuroprotective effect of cerebral ischemia-reperfusion injury. This may be related to the potential of QTHY to activate the EGFR / MAPK signaling cascade, which is consistent with the results of network pharmacology analysis.

Abstract Flavonoid glycosides extracted from roots of Scutellaria baicalensis exhibit strong pharmaceutical effect in antitumor, antioxidative, anti-inflammatory, and antiviral activity. UDP glycosyltransferase family members are responsible for the transfer of a glycosyl moiety from UDP sugars to a wide range of acceptor flavonoids. Here, we report the phylogenetic analysis, tissue-specific expression and biochemical characterization of 10 glucosyltrasferases (SbUGTs) and 6 glucuronosyltransferases (SbUGATs) based on the recently released genome of S. baicalensis . These results reveal that the high expression level and affinity to substrate of SbUGAT4 make baicalin become the richest flavonoid glycoside in the root of S. baicalensis .

SUMMARY Activation of endogenous neural stem cells (NSCs) is critically important for the adult neurogenesis. However, NSC activation is extremely limited after spinal cord injury (SCI). Recent evidence suggests that accumulation of protein aggregates impedes quiescent NSC activation. Here, we found ubiquitin c-terminal hydrolase l-1 (UCHL1), an important deubiquitinating enzyme, functioned to facilitate NSC activation by clearing protein aggregations through ubiquitin-proteasome approach. Upregulation of UCHL1 enhanced NSC proliferation in the spinal cord after injury. Based on protein microarray analysis of SCI cerebrospinal fluid, it is further revealed that C3 + neurotoxic reactive astrocytes negatively regulated UCHL1 and aggresome clearance through C3/C3aR signaling, resulting in reduced capacity of NSC to activate. Furthermore, blockade of reactive astrocytes or C3/C3aR pathway led to enhanced NSC activation post-SCI. Together, this study elucidated a mechanism regulating NSC activation in the adult spinal cord involving the UCHL1-proteasome approach, which may provide potential molecular targets for NSC fate regulation.

The dual roles of baculovirus for the control of natural insect populations as an insecticide, and for foreign gene expression and delivery, have called for a comprehensive understanding of the molecular mechanisms governing viral infection. Here, we demonstrate that the Bombyx mori Niemann-Pick C1 (BmNPC1) is essential for baculovirus infection in insect cells. Both pretreatment of Bombyx mori embryonic cells (BmE) with NPC1 antagonists (imipramine or U18666A) and down-regulation of NPC1 expression resulted in a significant reduction in baculovirus BmNPV (Bombyx mori nuclear polyhedrosis virus) infectivity. Furthermore, we show that the major glycoprotein gp64 of BmNPV, responsible for both receptor binding and fusion, is able to interact predominantly with the BmNPC1 C domain, with an enhanced binding capacity at low pH conditions, indicating that NPC1 most likely plays a role during viral fusion in endosomal compartments. Our results, combined with previous studies identifying an essential role of hNPC1 in filovirus infection, suggest that the glycoprotein of several enveloped viruses possess a shared strategy of exploiting host NPC1 proteins during virus intracellular entry events.

Background: Placental protein expression plays a crucial biological role during normal and complicated pregnancies. We hypothesized that: (1) circulating pregnancy-associated, placenta-related protein levels throughout gestation reflect the uncomplicated, full-term temporal progression of human gestation, and effectively estimates gestational ages (GAs); (2) pregnancies with underlying placental pathology, such as preeclampsia (PE), are associated with disruptions in this GA estimation in early gestation; (3) malfunctions of this GA estimation can be employed to identify impending PE. In addition, to explore the underlying biology and PE etiology, we set to compare protein gestational patterns of human and mouse, using pregnant heme oxygenase-1 (HO-1) heterozygote (Het) mice, a mouse model reflecting PE-like symptoms. Methods: Serum levels of circulating placenta-related proteins-leptin (LEP), chorionic somatomammotropin hormone like 1 (CSHL1), elabela (ELA), activin A, soluble fms-like tyrosine kinase 1 (sFlt-1), and placental growth factor (PlGF)-were quantified by ELISA in blood serially collected throughout human pregnancies (20 normal subjects with 66 samples, and 20 PE subjects with 61 samples). Linear multivariate analysis of the targeted serological protein levels was performed to estimate the normal GA. Logarithmic transformed mean-squared errors of GA estimations were used to identify impending PE. Then the human gestational protein patterns were compared to those in the pregnant HO-1 mice. Results: An elastic net (EN)-based gestational dating model was developed (R2 = 0.76) and validated (R2 = 0.61) using the serum levels of the 6 proteins at various GAs from women with normal uncomplicated pregnancies (n = 10 for training and n = 6 for validation). In pregnancies complicated by PE (n = 14), the EN model was not (R2 = -0.17) associated with GA at sampling in PE. Statistically significant deviations from the normal GA EN model estimations were observed in PE-associated pregnancies between GAs of 16-30 weeks (P = 0.01). The EN model developed with 5 proteins (ELA excluded due to the lack of robustness of the mouse ELA essay) performed similarly on normal human (R2 = 0.68) and WT mouse (R2 = 0.85) pregnancies. Disruptions of this model were observed in both human PE-associated (human: R2 = 0.27) and mouse HO-1 Het (mouse: R2 = 0.30) pregnancies. LEP out performed sFlt-1 and PlGF in differentiating impending PE at early human and late mouse gestations. Conclusions: As revealed in both human and mouse GA EN analyses, temporal serological placenta-related protein patterns are tightly regulated throughout normal human pregnancies and can be significantly disrupted in pathologic PE states. LEP changes earlier during gestation than the well-established late GA PE biomarkers (sFlt-1 and PlGF). Our HO-1 Het mouse analysis provides direct evidence of the causative action of HO-1 deficiency in LEP upregulation in a PE-like murine model. Therefore, longitudinal analyses of pregnancy-related protein patterns in sera, may not only help in the exploration of underlying PE pathophysiology but also provide better clinical utility in PE assessment.