Abstract Acetyl-CoA is a fundamental metabolite for all life on Earth, and is also a key starting point for the biosynthesis of a variety of industrial chemicals and natural products. Here we design and construct a Synthetic Acetyl-CoA (SACA) pathway by repurposing glycolaldehyde synthase and acetyl-phosphate synthase. First, we design and engineer glycolaldehyde synthase to improve catalytic activity more than 70-fold, to condense two molecules of formaldehyde into one glycolaldehyde. Second, we repurpose a phosphoketolase to convert glycolaldehyde into acetyl-phosphate. We demonstrated the feasibility of the SACA pathway in vitro, achieving a carbon yield ~50%, and confirmed the SACA pathway by 13 C-labeled metabolites. Finally, the SACA pathway was verified by cell growth using glycolaldehyde, formaldehyde and methanol as supplemental carbon source. The SACA pathway is proved to be the shortest, ATP-independent, carbon-conserving and oxygen-insensitive pathway for acetyl-CoA biosynthesis, opening possibilities for producing acetyl-CoA-derived chemicals from one-carbon resources in the future.

Abstract Mutations within GLT8D1 contribute to familial amyotrophic lateral sclerosis. Pathogenic mutations impair GLT8D1 glycosyltransferase enzymatic function via a dominant negative mechanism, yet the downstream mechanism leading to neurotoxicity is unclear. Here we show that a p.R92C mutation causes fragmentation of the Golgi network and reduces ganglioside expression within membrane lipid rafts (MLRs), leading to impaired neurotrophin signalling. Expression of p.R92C-GLT8D1 in HEK293 cells and mouse primary neurons reduces expression of GM1 gangliosides within the cell plasma membrane leading to disruption of MLRs. Furthermore, p.R92C-GLT8D1 reduces TrkB-mediated pro-survival signalling in MLRs isolated from primary neurons. Interestingly, up-regulation of wild-type GLT8D1 enhances MLRs and promotes pro-survival signalling through TrkB. This closely mirrors findings for another ALS gene, CAV1 , suggesting convergence on a common pathogenic pathway. Other ALS genes have been associated with Golgi dysfunction and may disrupt the same pathway, suggesting a potential new therapeutic approach via upregulation of GLT8D1. Graphical Abstract

The development of anticancer drugs to treat triple-negative breast cancer (TNBC) is an ongoing challenge. Immunogenic cell death (ICD) has garnered considerable interest worldwide as a promising synergistic modality for cancer chemoimmunotherapy. However, only few drugs or treatment modalities can trigger an ICD response and none of them exert a considerable clinical effect against TNBC. Therefore, new agents with potentially effective chemoimmunotherapeutic response are required. In this study, five new cyclometalated Ir(III) complexes containing isoquinoline alkaloid CˆN ligands were designed and synthesized. Among them, Ir-1 exhibited the highest in vitro cytotoxicity. Mechanistically, Ir-1 could trigger autophagy-dependent ferroptosis and a subsequent ferroptosis-dependent ICD response as well as indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) inhibition via reactive oxygen species (ROS)-mediated endoplasmic reticulum (ER) stress in MDA-MB-231 cells. When immunocompetent BALB/c mice were vaccinated with Ir-1-treated dying TNBC cells, antitumor CD8+ T-cell response and Foxp3+ T-cell depletion were induced, resulting in long-lasting antitumor immunity in TNBC cells. Moreover, combination therapy with Ir-1 and anti-PD1 could substantially augment in vivo therapeutic effects. Based on these results, Ir-1 is a promising candidate for chemoimmunotherapy against TNBC and its effects are mediated synergistically via ICD induction and IDO blockage.

ABSTRACT AD presents with severe neurodegeneration which leads to cognitive deficits and dementia. Identifying the molecular signals that attenuate neurodegeneration in AD may be exploited as therapeutic targets. This study revealed that transgenic AD mice (PSAPP) exhibit decreased caveolin-1 (Cav-1), a membrane/lipid raft (MLR) scaffolding protein that organizes synaptic signaling components. Subcellularly, Cav-1 and full length (fl)-TrkB were significantly decreased in MLRs. We thus developed an in vivo gene therapy that re-expresses neuronal-targeted Cav-1 using the synapsin promoter ( SynCav1 ). While AD mice showed significant learning and memory deficits at 9 and 11 months, AD mice that received hippocampal SynCav1 (AD- SynCav1 ) maintained normal learning and memory at 9 and 11 months respectively. Furthermore, AD- SynCav1 mice showed preserved hippocampal MLR-localized fl-TrkB, synaptic ultrastructure, dendritic arborization and axonal myelin content, all of which occurred independent of reducing amyloid deposit and astrogliosis. Thus, SynCav1 demonstrates translational potential to treat AD by delaying neurodegeneration. Summary Transgenic PSAPP mice exhibit decreased hippocampal expression of the membrane lipid raft (MLR) scaffolding protein caveolin-1. Synapsin-promoted re-expression of Cav-1 (termed SynCav1 ) mitigated neuropathology and cognitive deficits. SynCav1 gene therapy has the potential to treat AD and other forms of neurodegeneration.

Abstract Hepatic encephalopathy is a lethal complication of acute liver failure (ALF), and is caused by hyperammonemia. Ammonia clearance by the liver requires an intact and complete urea cycle comprising six enzymes, including the rate-limiting enzyme carbamoyl phosphate synthetase I (CPS1). To date, the detailed regulation of CPS1 transcription in order to maintain urea cycle in physiological condition and ALF remains largely unknown. This study scrutinizes the role of pioneer factor forkhead box A 2 (FOXA2) in the regulation of CPS1 transcription, urea cycle performance and hyperammonemia. Physiologically, CPS1 transcription requires FOXA2 to maintain chromatin accessibility on its enhancers, which is essential for CCAAT enhancer-binding protein-alpha (C/EBPα) binding to activate gene transcription. In ALF, hepatic C/EBPα expression is inhibited by inflammatory mediators such as TGF-β and TNF-α. In this setting, retinoic acid receptor synergizes with FOXA2 to maintain CPS1 transcriptions. Once ALF patients suffer from massive hepatic necrosis, liver progenitor cells initiate a transcription network comprising FOXA2 and C/EBPα to perform the urea cycle and prevent hyperammonemia. In ALF, hepatic encephalopathy occurs in patients lacking hepatic FOXA2 expression. In mice with acetaminophen-induced ALF, injection of Foxa2-AAV8 maintains urea cycle and prevents hyperammonemia. Taken together, FOXA2 is essential for maintaining the urea cycle. Pharmaceutical induction of hepatic FOXA2 expression might represent a novel approach to treat hepatic encephalopathy in ALF. One Sentence Summary Pioneer factor FOXA2 synergizes with C/EBPα or RAR to maintain urea cycle in acute liver failure

Abstract Most mitochondrial proteins need to be imported from the cytosol. Over half of mitochondrial proteins are imported through the pre-sequence pathway that is controlled by the TOM complex in the outer membrane and the TIM23 complex in the inner membrane. It is unclear on the molecular level how proteins cross the mitochondrial double membranes through the TOM and TIM23 complexes. Here, we report the assembly of the active TOM-TIM23 supercomplex with translocating polypeptide substrates captured in the import pathway. Electron cryo-microscopy (Cryo-EM) analyses reveal that during translocation across the outer membrane, the polypeptide substrates pass through the center of the Tom40 channel while interacting with a glutamine-rich patch in the inner wall of Tom40. Structural and biochemical analyses show that the TIM23 complex contains a heterotrimer of the subunits Tim23, Tim17, and Mgr2 in the inner membrane. Tim17 and Mgr2 shield the polypeptide substrates from the lipid environment. The import pathway consists of two highly conserved residue patches of Tim17, one negatively charged patch at the entrance and one hydrophobic patch in the middle of the pathway. These data reveal an unexpected pre-sequence pathway mediated by the TOM-TIM23 supercomplex for facilitating protein import across the double membranes of mitochondria.

Abstract Aims: This study aimed to explore the biological activities of miR-199a-5p in dextran sulphate sodium (DSS)-induced ulcerative colitis and apoptosis and identify the direct target of miR-199a-5p in this process. Main methods: HT-29 cells and C57BL/6 mice were used to examine the function of miR-199a-5p in vitro and in vivo, respectively. Expression of miRNA and mRNA was measured using quantitative real-time PCR and western blotting was used to measure the change in protein expression. Flow cytometry was subsequently employed to determine cell apoptosis, and a luciferase assay was used to confirm the direct target of miR-199a-5p. Results: Expression of miR-199a-5p was increased by DSS treatment in mice. In parallel, miR-199a-5p is found to be involved in endoplasmic reticulum stress (ERS) and cell apoptosis in HT-29 cells, and its upregulation induced ERS, apoptosis, weight loss, and ulcerative colitis in mice in vivo, which could be prevented by the suppression of miR-199a-5p. Luciferase assay confirmed that the 3′ untranslated region (3′-UTR) of XBP1 is the target binding site of miR-199a-5p. Conclusion: miR-199a-5p promotes ulcerative colitis and cell apoptosis by targeting the 3′-UTR of XBP1. Our findings reveal a new regulatory mechanism for ERS signaling and suggest that miR-199a-5p might be a potential target for UC therapy.

ABSTRACT We present in vitro and in vivo evidence demonstrating that Amyloid Precursor Protein (APP) acts as an essential instigator of reactive astrogliosis. Cell-specific overexpression of APP in cultured astrocytes led to remodelling of the intermediate filament network, enhancement of cytokine production and activation of cellular programs centred around the interferon (IFN) pathway, all signs of reactive astrogliosis. Conversely, APP deletion in cultured astrocytes abrogated remodelling of the intermediate filament network and blunted expression of IFN stimulated gene (ISG) products in response to lipopolysaccharide (LPS). Following traumatic brain injury (TBI), mouse reactive astrocytes also exhibited an association between APP and IFN, while APP deletion curbed the increase in glial fibrillary acidic protein (GFAP) observed canonically in astrocytes in response to TBI. Thus, APP represents a molecular inducer and regulator of reactive astrogliosis.

Abstract To date, epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) has been observed in cultured hepatocytes, but not in vivo . TGF-β is supposed to initiate EMT in hepatocytes by inhibiting HNF4 α through the SMAD2/3 complex. We report that TGF- β does not directly inhibit HNF4 α , but contributes to its transcriptional regulation by SMAD2/3 recruiting acetyltransferase CBP/p300 to the HNF4 α promoter. The recruitment of CBP/p300 is indispensable for C/EBP a binding, another essential requirement for constitutive HNF4 α expression in hepatocytes. In contrast to the observed induction of HNF4 α , SMAD2/3 inhibits C/EBP α transcription. Therefore, long-term TGF- β incubation results in C/EBP α depletion, which abrogates HNF4 α expression. Intriguingly, SMAD2/3 inhibitory binding to the C/EBP α promoter is abolished by insulin. Thus, maintaining a high insulin concentration in culture medium ensures constitutive HNF4 α and thereby prevents TGF-β-induced hepatocyte EMT. Furthermore, insulin inhibits TGF- β -induced SMAD2/3 binding to the promoters of core EMT transcription factors e.g., SNAI1. SNAI1 transcription requires both SMAD2/3 and FOXO1 in nuclei. Insulin inhibits SNAI1 transcription through impeding SMAD2/3 binding to its promoter and inducing FOXO1 phosphorylation. Hence, insulin is the key factor that prevents TGF- β -induced EMT in hepatocytes.