Bone marrow stem cells give rise to a variety of hematopoietic lineages and repopulate the blood throughout adult life. We show that, in a strain of mice incapable of developing cells of the myeloid and lymphoid lineages, transplanted adult bone marrow cells migrated into the brain and differentiated into cells that expressed neuron-specific antigens. These findings raise the possibility that bone marrow-derived cells may provide an alternative source of neurons in patients with neurodegenerative diseases or central nervous system injury.

PU.1 is a member of the ets family of transcription factors and is expressed exclusively in cells of the hematopoietic lineage. Mice homozygous for a disruption in the PU.1 DNA binding domain are born alive but die of severe septicemia within 48 h. The analysis of these neonates revealed a lack of mature macrophages, neutrophils, B cells and T cells, although erythrocytes and megakaryocytes were present. The absence of lymphoid commitment and development in null mice was not absolute, since mice maintained on antibiotics began to develop normal appearing T cells 3-5 days after birth. In contrast, mature B cells remained undetectable in these older mice. Within the myeloid lineage, despite a lack of macrophages in the older antibiotic-treated animals, a few cells with the characteristics of neutrophils began to appear by day 3. While the PU.1 protein appears not to be essential for myeloid and lymphoid lineage commitment, it is absolutely required for the normal differentiation of B cells and macrophages.

We have isolated a cDNA clone, PU.1, that codes for a new tissue-specific DNA binding protein. Analysis of the binding site by methylation interference and DNA-ase I protection revealed that the PU.1 protein recognized a purine-rich sequence, 5′-GAGGAA-3′ (PU box). The PU.1 protein was shown to be a transcriptional activator that is expressed in macrophages and B cells. cDNA constructions used to generate proteins lacking portions of either the amino- or carboxy-terminal ends of the PU.1 protein placed the DNA binding domain in the highly basic carboxy-terminal domain of the protein. The amino acid sequence in the binding domain of PU.1 has considerable identity with proteins belonging to the ets oncogene family.

The most common inherited form of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), a neurodegenerative disease affecting adult motoneurons, is caused by dominant mutations in the ubiquitously expressed Cu 2+ /Zn 2+ superoxide dismutase (SOD1). Recent studies suggest that glia may contribute to motoneuron injury in animal models of familial ALS. To determine whether the expression of mutant SOD1 (mSOD1 G93A ) in CNS microglia contributes to motoneuron injury, PU.1 −/− mice that are unable to develop myeloid and lymphoid cells received bone marrow transplants resulting in donor-derived microglia. Donor-derived microglia from mice overexpressing mSOD1 G93A , an animal model of familial ALS, transplanted into PU.1 −/− mice could not induce weakness, motoneuron injury, or an ALS-like disease. To determine whether expression of mSOD1 G93A in motoneurons and astroglia, as well as microglia, was required to produce motoneuron disease, PU.1 −/− mice were bred with mSOD1 G93A mice. In mSOD1 G93A /PU.1 −/− mice, wild-type donor-derived microglia slowed motoneuron loss and prolonged disease duration and survival when compared with mice receiving mSOD1 G93A expressing cells or mSOD1 G93A mice. In vitro studies confirmed that wild-type microglia were less neurotoxic than similarly cultured mSOD1 G93A microglia. Compared with wild-type microglia, mSOD1 G93A microglia produced and released more superoxide and nitrite+nitrate, and induced more neuronal death. These data demonstrate that the expression of mSOD1 G93A results in activated and neurotoxic microglia, and suggests that the lack of mSOD1 G93A expression in microglia may contribute to motoneuron protection. This study confirms the importance of microglia as a double-edged sword, and focuses on the importance of targeting microglia to minimize cytotoxicity and maximize neuroprotection in neurodegenerative diseases.

Significance Communication between nerve cells occurs at specialized cellular structures known as synapses. Loss of synaptic function is associated with cognitive decline in Alzheimer’s disease (AD). However, the mechanism of synaptic damage remains incompletely understood. Here we describe a pathway for synaptic damage whereby amyloid-β 1–42 peptide (Aβ 1–42 ) releases, via stimulation of α7 nicotinic receptors, excessive amounts of glutamate from astrocytes, in turn activating extrasynaptic NMDA-type glutamate receptors (eNMDARs) to mediate synaptic damage. The Food and Drug Administration-approved drug memantine offers some beneficial effect, but the improved eNMDAR antagonist NitroMemantine completely ameliorates Aβ-induced synaptic loss, providing hope for disease-modifying intervention in AD.

Damage to neonatal and adult tissues always incites an influx of inflammatory neutrophils and macrophages. Besides clearing the wound of invading microbes, these cells are believed to be crucial coordinators of the repair process, acting both as professional phagocytes to clear wound debris and as a major source of wound growth factor signals. Here we report wound healing studies in the PU.1 null mouse, which is genetically incapable of raising the standard inflammatory response because it lacks macrophages and functioning neutrophils. Contrary to dogma, we show that these "macrophageless" mice are able to repair skin wounds with similar time course to wild-type siblings, and that repair appears scar-free as in the embryo, which also heals wounds without raising an inflammatory response. The growth factor and cytokine profile at the wound site is changed, cell death is reduced, and dying cells are instead engulfed by stand-in phagocytic fibroblasts. We also show that hyperinnervation of the wound site, previously believed to be a consequence of inflammation, is present in the PU.1 null wound, too.

Prevention of infection and propagation of SARS-CoV-2 is of high priority in the COVID-19 pandemic. Here, we describe S-nitrosylation of multiple proteins involved in SARS-CoV-2 infection, including angiotensin converting enzyme 2 (ACE2), the receptor for viral entry. This reaction prevents binding of ACE2 to the SARS-CoV-2 Spike protein, thereby inhibiting viral entry, infectivity, and cytotoxicity. Aminoadamantane compounds also inhibit coronavirus ion channels formed by envelope (E) protein. Accordingly, we developed dual-mechanism aminoadamantane nitrate compounds that inhibit viral entry and thus spread of infection by S-nitrosylating ACE2 via targeted delivery of the drug after E-protein channel blockade. These non-toxic compounds are active in vitro and in vivo in the Syrian hamster COVID-19 model, and thus provide a novel avenue for therapy.