In response to oxidative stress, the nuclear factor E2-related factor 2 (Nrf2) transcription factor translocates from the cytoplasm into the nucleus and transactivates expression of genes with antioxidant activity. Despite this cellular mechanism, oxidative damage is abundant in Alzheimer and Parkinson disease (AD and PD). To investigate mechanisms by which Nrf2 activity may be aberrant or insufficient in neurodegenerative conditions, we assessed Nrf2 localization in affected brain regions of AD, Lewy body variant of AD (LBVAD), and PD. By immunohistochemistry, Nrf2 is expressed in both the nucleus and the cytoplasm of neurons in normal hippocampi with predominant expression in the nucleus. In AD and LBVAD, Nrf2 was predominantly cytoplasmic in hippocampal neurons and was not a major component of beta amyloid plaques or neurofibrillary tangles. By immunoblotting, we observed a significant decrease in nuclear Nrf2 levels in AD cases. In contrast, Nrf2 was strongly nuclear in PD nigral neurons but cytoplasmic in substantia nigra of normal, AD, and LBVAD cases. These findings suggest that Nrf2-mediated transcription is not induced in neurons in AD despite the presence of oxidative stress. In PD, nuclear localization of Nrf2 is strongly induced, but this response may be insufficient to protect neurons from degeneration.

HIV-associated neurocognitive disorders (HAND) affect over half of HIV-infected individuals, despite antiretroviral therapy (ART). Therapeutically targetable mechanisms underlying HAND remain elusive, partly due to a lack of a representative model. We developed a human-induced pluripotent stem cell (hiPSC)-based model, independently differentiating hiPSCs into neurons, astrocytes, and microglia, and systematically combining to generate a tri-culture with or without HIV infection and ART. Single-cell RNA sequencing analysis on tri-cultures with HIV-infected microglia revealed inflammatory signatures in the microglia and EIF2 signaling in all three cell types. Treatment with the antiretroviral compound efavirenz (EFZ) mostly resolved these signatures. However, EFZ increased RhoGDI and CD40 signaling in the HIV-infected microglia. This activation was associated with a persistent increase in tumor necrosis factor α production by microglia. This work establishes a tri-culture that recapitulates key features of HIV infection in the CNS and provides a new model to examine the effects of infection, its treatment, and other co-morbid conditions.

Abstract White matter deficits are a common neuropathologic finding in neurologic disorders, including HIV-associated neurocognitive disorders (HAND). In HAND, the persistence of white matter alterations despite suppressive antiretroviral (ARV) therapy suggests that ARVs may be directly contributing to these impairments. Here, we report that a frontline ARV, bictegravir (BIC), significantly attenuates remyelination following cuprizone-mediated demyelination, a model that recapitulates acute demyelination, but has no impact on already formed mature myelin. Mechanistic studies in vitro revealed that treatment with BIC leads to significant decrease in mature oligodendrocytes accompanied by lysosomal de-acidification and impairment of lysosomal degradative capacity with no alterations in lysosomal membrane permeability or total lysosome number. Activation of the endolysosomal cation channel TRPML1 prevents both lysosomal de-acidification and impairment of oligodendrocyte differentiation by BIC. Lastly, we show that de-acidification of lysosomes by compounds that raise lysosomal pH is sufficient to prevent maturation of oligodendrocytes. Overall, this study has uncovered a critical role for lysosomal acidification in modulating oligodendrocyte function and has implications for neurologic diseases characterized by lysosomal dysfunction and white matter abnormalities. Table of Contents Main Points The antiretroviral, bictegravir, inhibited remyelination through OPC differentiation blockade and had no effect on mature myelin Bictegravir inhibits oligodendrocyte differentiation through de-acidification of lysosomes and this was prevented via activation of the lysosomal channel TRPML1 De-acidification of lysosomes by other drugs (e.g. bafilomycin A) is sufficient to inhibit oligodendrocyte maturation Table of Contents Image

Abstract PERK is a transmembrane kinase located on the ER with a luminal domain that senses ER stresses, such as protein misfolding, and a cytosolic kinase domain. Upon stress sensing, PERK activates and phosphorylates eIF2α to attenuate global translation while upregulating select transcripts to re-establish protein homeostasis. In a secondary phase of signaling PERK can also induce apoptosis to dispose of terminally stressed and damaged cells. Thus, the delineated bi-phasic nature of PERK signaling requires tight regulation for homeostatic function, as evidenced by dysregulation of this pathway being implicated in many diseases, including cancers and neurodegenerative conditions. Pursuant attempts to therapeutically modulate PERK and its signaling outcomes have highlighted that our understanding of the determinants of adaptive vs. mal-adaptive signaling remain ambiguous, and further delineation of PERK regulation is required. Here we report copper as a regulator of PERK kinase activity. PERK copper binding activity was confirmed by selective affinity for a copper charged resin and by ICP-MS quantification of bound copper. Mutation of the putative copper binding site, identified based on homology, abolished copper binding. Copper-binding was also determined to be necessary for kinase activity in in vitro kinase assays. Physiologic manipulation of copper availability in cells modulated PERK activity and signaling. Using this relationship, we show that copper availability determines ER stress tolerance and cell fate outcomes. This novel regulatory mechanism has broad implications for modulation of PERK activity in different diseases and disease models, and may constitute a previously unaccounted for variable in determining when PERK inhibition vs activation is therapeutically beneficial.

Based on emerging evidence on the role for specific single-nucleotide variants (SNVs) in EIF2AK3 encoding the integrated stress response kinase PERK, in neurodegeneration, we assessed the association of EIF2AK3 SNVs with neurocognitive performance in people with HIV (PWH) using a candidate gene approach. This retrospective study included the CHARTER cohort participants, excluding those with severe neuropsychiatric comorbidities. Genome-wide data previously obtained for 1047 participants and targeted sequencing of 992 participants with available genomic DNA were utilized to interrogate the association of three noncoding and three coding EIF2AK3 SNVs with the continuous global deficit score (GDS) and global neurocognitive impairment (NCI; GDS ≥ 0.5) using univariable and multivariable methods, with demographic, disease-associated, and treatment characteristics as covariates. The cohort characteristics were as follows: median age, 43.1 years; females, 22.8%; European ancestry, 41%; median CD4 + T cell counts, 175/µL (nadir) and 428/µL (current). At first assessment, 70.5% used ART and 68.3% of these had plasma HIV RNA levels ≤ 200 copies/mL. All three noncoding EIF2AK3 SNVs were associated with GDS and NCI (all p < 0.05). Additionally, 30.9%, 30.9%, and 41.2% of participants had at least one risk allele for the coding SNVs rs1805165 (G), rs867529 (G), and rs13045 (A), respectively. Homozygosity for all three coding SNVs was associated with significantly worse GDS (p < 0.001) and more NCI (p < 0.001). By multivariable analysis, the rs13045 A risk allele, current ART use, and Beck Depression Inventory-II value > 13 were independently associated with GDS and NCI (p < 0.001) whereas the other two coding SNVs did not significantly correlate with GDS or NCI after including rs13045 in the model. The coding EIF2AK3 SNVs were associated with worse performance in executive functioning, motor functioning, learning, and verbal fluency. Coding and non-coding SNVs of EIF2AK3 were associated with global NC and domain-specific performance. The effects were small-to-medium in size but present in multivariable analyses, raising the possibility of specific SNVs in EIF2AK3 as an important component of genetic vulnerability to neurocognitive complications in PWH.

HIV-Associated Neurocognitive Disorders (HAND) affect over half of HIV-infected individuals worldwide, despite antiretroviral therapy (ART). Therapeutically targetable mechanisms underlying HAND remain elusive. We developed a human-induced pluripotent stem cell (HiPSC) based model; whereby, we independently differentiate HiPSCs into neurons, astrocytes, and microglia and systematically combine to generate a tri-culture with or without HIV-infection and ART. scRNAseq analysis on tri-cultures including HIV-infected microglia revealed inflammatory signatures in the microglia and EIF2 signaling in all three cell types. Remarkably, EFZ alone induced a similar response to infection. Treatment with the antiretroviral compound Efavirenz (EFZ) mostly resolved these signatures; However, EFZ increased RhoGDI and CD40 signaling in the HIV-infected microglia. This activation was associated with a persistent increase in TNFa expression. This work establishes a tri-culture that recapitulates key features of HIV infection in the CNS and provides a new model to examine the effects of HIV infection and its treatment with antiretrovirals.

Abstract Despite viral suppression due to combination antiretroviral therapy (cART), HIV-associated neurocognitive disorders (HAND) continue to affect half of people with HIV, suggesting that certain antiretrovirals (ARVs) may contribute to HAND. We examined the effects of nucleoside/nucleotide reverse transcriptase inhibitors tenofovir disproxil fumarate (TDF) and emtricitabine (FTC) and the integrase inhibitors dolutegravir (DTG) and elvitegravir (EVG) on viability, structure, and function of glutamatergic neurons (a subtype of CNS neuron involved in cognition) derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC-neurons), and primary human neural precursor cells (hNPCs), which are responsible for neurogenesis. Using automated digital microscopy and image analysis (high content analysis, HCA), we found that DTG, EVG, and TDF decreased hiPSC-neuron viability, neurites, and synapses after seven days of treatment. Analysis of hiPSC-neuron calcium activity using Kinetic Image Cytometry (KIC) demonstrated that DTG and EVG also decreased the frequency and magnitude of intracellular calcium transients. Longer ARV exposures and simultaneous exposure to multiple ARVs increased the magnitude of these neurotoxic effects. Using the Microscopic Imaging of Epigenetic Landscapes (MIEL) assay, we found that TDF decreased hNPC viability and changed the distribution of histone modifications that regulate chromatin packing, suggesting that TDF may reduce neuroprogenitor pools important for CNS development and maintenance of cognition in adults. This study establishes human preclinical assays that can screen potential ARVs for CNS toxicity to develop safer cART regimens and HAND therapeutics.