科研│GASTROENTEROLOGY：肠道炎症调节ACE2和TMPRSS2表达并可能与SARS-CoV-2相关疾病发病机制重叠
编译：微科盟阿温，编辑：微科盟景行、江舜尧。
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胃肠道症状的出现和粪便中高水平的病毒RNA表明肠细胞内有活跃的严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）复制。在多个炎症性肠病(IBD)患者中，研究者分析了2019年冠状病毒病(COVID-19)、肠道炎症和IBD治疗之间的交叉。ACE2在小肠刷状缘的显著表达支持SARS-CoV-2的肠道感染。常用的IBD药物，无论是生物性还是非生物性，都不会显著影响未发炎肠道中ACE2和TMPRSS2受体的表达。此外，研究者还定义了对COVID-19感染的分子反应，这些反应也在IBD中富集，指向COVID-19和IBD之间的共享分子网络。这些数据对COVID-19和IBD相关炎症的融合产生了新的认识，并为进一步研究治疗COVID-19的特异性IBD药物提供了理论依据。
论文ID
原名：Intestinal inflammation modulates the expression of ACE2 and TMPRSS2 and potentially overlaps with the pathogenesis of SARS-CoV-2 related disease
译名：肠道炎症调节ACE2和TMPRSS2的表达，并可能与SARS-CoV-2相关疾病的发病机制重叠
期刊：Gastroenterology
IF：17.373
发表时间：2021年1月
通讯作者：Carmen Argmann & Saurabh Mehandru
通讯作者单位：西奈山伊坎医学院
DOI号：10.1053/j.gastro.2020.09.029
实验设计
结果
1 健康肠道表达ACE2和TMPRSS2蛋白
为了确定ACE2的定位和分布，在20名成人（9名男性，11名女性）和11名儿童（7名男性，4名女性）的组织学正常胃肠组织上进行免疫荧光（IF）显微镜检查（图1和表S1）。在所有受试者的小肠表面上皮上观察到ACE2表达，呈连续分布，除了偶尔出现杯状细胞粘蛋白断裂（图1a-b）。在所有被检查的小肠节段中，ACE2可在隐窝上皮上检测到，但程度低于表面上皮。TMPRSS2在小肠中的表达量较少，当检测到时，仅在隐窝上皮上发现（图S1a-b）。小肠中ACE2或TMPRSS2蛋白表达没有明显的年龄或性别依赖性。
与小肠相比，结肠中ACE2的表达呈斑片状，不能在所有受试者中识别出来（图1c）。不同供者之间的这种不一致性与年龄、性别、ACE抑制剂治疗以及正在检查的结肠段不易相关。相比之下，TMPRSS2在结肠中的表达更为强烈，并且在结肠表面和隐窝上皮上都很容易检测到（图S1c）。因此，健康肠道中的ACE2在小肠高于大肠，相反，结肠中的TMPRSS2蛋白表达量高于小肠。
2 ACE2和TMPRSS2 mRNA在健康或炎症肠段的表达因区域而异
接下来，研究者检测了在MSCCR中登记的非IBD对照组和患有活动性和非活动性疾病的IBD患者肠道中的ACE2和TMPRSS2 mRNA水平（表S3）。由于结肠-非直肠部位的样本数量较少（图S3a/b），且未观察到明显差异，因此将结肠-非直肠活检组织分组以增加统计效力。与蛋白质数据一致，ACE2基因在未发火回肠中的表达高于未发火结肠或直肠。炎症时，回肠ACE2 mRNA表达与IBD患者或非IBD对照组的未经炎症活检相比显著降低。相反，与未感染IBD患者或非IBD对照组相比，直肠ACE2 mRNA的表达随着炎症而增加（图2a，上图）。在疾病部位或UC与CD患者之间没有显著差异（图S4）。研究者使用儿童IBD风险组18进一步验证了这些结果，其中活动性IBD患者回肠中的ACE2 mRNA也显著降低（图2b）。
与回肠相比，MSCCR队列中TMPRSS2在结肠中的表达中度较高。在回肠和结肠活检中，与非发炎样本相比，发炎样本中的TMPRSS2表达显著增加，尽管影响范围较小（图2a，下图）。
在IF显微镜下（表S2），无法观察回肠中ACE2表达的差异，这可能源于ACE2的生理表达升高。在结肠中，非IBD对照组的片状上皮ACE2表达在伴有炎症的IBD患者中增加，并且这种增加主要在隐窝上皮上明显（图S2a）。
在回肠中，IBD患者炎症或未炎症粘膜节段和非IBD对照组非炎症粘膜节段的隐窝上皮上的低强度TMPRSS2表达也具有可比性。在结肠中，肠易激综合征患者和非肠易激综合征对照组的TMPRSS2表达具有可比性。在直肠，TMPRSS2的表达因炎症而增强（图S2a）。
3 年龄和性别但不吸烟会增加结肠中ACE2 mRNA的表达
ACE2 mRNA在未感染的直肠标本中随年龄增长而升高。然而，这些作用在炎症的存在下基本上是无效的。发炎的CD回肠与年龄呈正相关，发炎的UC直肠活检与年龄呈负相关。男性与女性相比，未感染直肠中的ACE2 mRNA显著降低，但未发现TMPRSS2 mRNA水平的性别关联（图S4b-c）。无论是健康对照组还是IBD患者（数据未显示），当比较吸烟者和非吸烟者时，ACE2和TMPRSS2的表达相似，并且未发现与炎症状态、区域或其他协变量的显著相互作用。因此，年龄和性别，但不吸烟调节肠易激综合征结肠中ACE2而不是TMPRSS2 mRNA的表达。
4 非生物药物：皮质类固醇、硫嘌呤和5-氨基水杨酸盐可降低炎症结肠和直肠中ACE2和TMPRSS2基因的表达，但回肠中没有
通过倾向匹配MSCCR队列，进一步评估非生物和生物药物使用（自我报告）对ACE2和TMPRSS2 mRNA表达的影响（表S3）。
在IBD（CD）患者的回肠中，皮质类固醇、硫嘌呤或5-氨基水杨酸的使用对发炎或未发炎活检组织中ACE2 mRNA的表达没有影响（图3a-c）。然而，在直肠，炎症活检中使用皮质类固醇后，ACE2 mRNA表达显著降低。在硫代嘌呤处理的非发炎直肠标本中，ACE2 mRNA也有类似的减少。皮质类固醇、硫嘌呤或5-氨基水杨酸的使用对回肠样本中TMPRSS2 mRNA的表达没有显著影响。然而，这三种药物都显著降低了炎症直肠或结肠样本中TMPRSS2 mRNA的表达。因此，皮质类固醇、硫嘌呤或5-氨基水杨酸可减弱炎症结肠和直肠中ACE2和TMPRSS2 mRNA的表达。
5 在生物药物中，英夫利昔单抗降低了炎症结肠中ACE2的表达，而尤特克单抗增加了治疗应答者炎症结肠中ACE2和TMPRSS2的表达
研究者还定义了当前抗肿瘤坏死因子治疗（阿达木单抗或英夫利昔单抗）对ACE2和TMPRSS2表达的影响（图3d）。在回肠中，服用抗TNF生物制剂的患者与未服用抗TNF药物的患者相比，ACE2或TMPRSS2 mRNA的表达没有显著差异。在大肠，抗肿瘤坏死因子使用者表现出增加的ACE2和TMPRSS表达，尤其是在发炎的直肠。由于使用横断面队列研究治疗效果有其局限性，研究者利用了临床试验队列中已发表的数据集，在这些队列中进行了纵向患者取样，并提供了有关内窥镜治疗反应的信息。
总结了在GEMINI LTS试验中使用英夫利昔单抗或维多珠单抗治疗的患者队列的结果（图4a和S5）。与基线ACE2表达相比，英夫利昔单抗治疗后（第6周）结肠ACE2基因表达显著降低，并且这种降低主要在内镜应答者中观察到（图S5）。相反，维多珠单抗治疗后（第6周）ACE2基因表达没有显著变化，尽管在内镜应答者中观察到名义上的显著降低（图4a和S5）。最后，维多珠单抗和英夫利昔单抗均未修饰TMPRSS2的表达。
为了研究IL-12/IL-23靶向尤特克单抗对IBD患者ACE2和TMPRSS2 mRNA水平的影响，研究者使用了CERTIFI试验队列。首先确认在MSCCR队列中，与结肠区域相比，未感染回肠中ACE2基因表达更高（图S6a）。接下来，观察到回肠ACE2基因表达随着炎症而显著降低，正如在MSCCR和风险队列回肠样本中观察到的那样（图S6a）。在结肠和直肠样本中，与非炎症组织相比，炎症组织中ACE2的表达有增加的趋势（图S6a）。
尤特克单抗治疗后，与筛选活检（图4b，图S6b）相比，尤特克单抗治疗后第6周，炎症组织（小肠和大肠）中ACE2基因表达增加（标称显著性），而安慰剂治疗患者的表达减少。在第22周通过尤特克应答检测表达后，ACE2和TMPRSS2表达的增加主要在结肠中观察到，并且在应答者中更强烈（ACE2的fold change=1.79，p=0.055，TMPRSS2的fold change=2.25，p=0.024，图S6c）。因此，TNF靶向生物制剂减弱炎症结肠中ACE2 mRNA的表达，而IL-12/IL-23靶向生物制剂增加炎症结肠中ACE2和TMPRSS2 mRNA的表达，特别是在治疗应答者中。
总之，IBD药物对ACE2和TMRSS2 mRNA的影响是复杂的、区域特异性的和药物特异性的。图4c提供了药物作用的总结。
图4. 概述了人口统计学、年龄、性别、炎症和药物使用对肠内ACE2和TMPRSS2基因表达的影响。（A）维多珠单抗（VDZ）或英夫利昔单抗（IFX）治疗患者结肠ACE2（上图）和TMPRSS2（下图）基因表达谱的变化。（A）基线检查和第4-6周时表达的估计边缘平均值（M+-SEM）。（B）尤特克单抗治疗的CD患者肠道ACE2（上图）和TMPRSS2（下图）表达的变化（CERTIFI队列研究）。炎症和非炎症活检在基线检查和第6周时表达的估计边缘平均值（M+-SEM）。
6 肠道ACE2基因调控子网络在炎症结肠中的代谢功能和干扰素信号传导中丰富
为了确定ACE2和TMPRSS2在肠道中的潜在功能，研究者在贝叶斯基因调控网络（BGRN）的背景下研究了这些基因。这些概率图形模型同时考虑了所有可用的性状数据（基因表达和基因型），以便在数千个中间分子性状之间导出基因：基因因果关系。
提取ACE2的近邻，包括每个BGRN网络中3到5个路径长度内的基因（总共5个网络），保持子网络大小相对相似（约200-300个基因，图5a，5d，表S7）。回肠CD网络中ACE2的近邻包括SLC6A19（已知的ACE232的相互作用伙伴）和其他SLC转运蛋白，但也包括其他与病毒相关的受体蛋白，如DPP4和EZR33。显示了子网络中重复出现的基因的摘要（图5b，5e）。
使用反应组数据库在回肠（图5c）或结肠（图5f）中检测ACE2相关子网络的功能富集。确定的代谢途径包括SLC介导的转运；外源性代谢；维生素和辅助因子；以及己糖转运。其他回肠相关途径包括氨基酸和寡肽SLC转运蛋白，而结肠相关网络包括干扰素和免疫信号。
为了支持之前的网络方法，研究者验证了结肠ACE2相关子网络和结肠细胞中与ACE2表达相关的基因之间存在显著重叠（图S7a）。此外，ACE2子网在与上皮细胞类型相关的表达谱中显著富集，包括肠上皮细胞和吸收细胞（图S7b-c）。结肠ACE2相关子网也在免疫细胞类型和巨噬细胞基因特征中共同富集，这些特征在各种细胞因子干扰（包括IFNg/b）后出现（图S7d）。总之，本研究的ACE2子网是了解ACE2调节和功能的新来源。
7 肠道TMPRSS2基因调控子网络主要富集代谢功能
为了阐明TMRPSS2的功能，从BGRNs中提取与TMPRSS2相关的子网（图S8a），允许三层或四层获得相似的子网大小（~200–300个基因）。对照组回肠的BGRN中未发现TMPRSS2，可能是由于低表达差异，这是构建BGRN网络之前使用的过滤器（表S13）。在4个子网中的4个子网中发现了重复出现的基因（图S8b）。TMPRSS2相关的子网络基因在细胞间通讯、紧密连接相互作用、粘蛋白的O-连接糖基化和膜运输相关途径方面丰富（图S8c）。与这些功能一致，研究者观察到TMPRSS2子网在与肠细胞、杯状细胞和分泌细胞相关的基因集中富集（图S9a-b）。
8 与SARS-CoV2应答和IBD炎症相关的一组通路重叠
COVID-19是一种多系统疾病，先天性和适应性免疫细胞以及非免疫细胞可能在疾病的发病机制中发挥作用。因此，除了受体表达的改变外，作者还研究了COVID-19反应途径和IBD相关途径之间的重叠区域。作为第一步，先检测了SARS-CoV-2感染原代人肺上皮（NHBE）细胞和转化肺泡细胞系（A549）产生的宿主分子反应信号。使用GSVA，生成了一个总结上调或下调COVID-19反应基因表达的每个样本得分，并根据肠道区域、疾病和炎症状态评估这些得分的差异（图6a和S10A-b）。SARS-CoV-2感染上调的基因在发炎区域的表达明显高于未发炎区域或非IBD对照组，这一观察结果在CERTIFI CD队列中得到证实（图S10c-d）。研究者直接比较了与肺细胞SARS-CoV2感染反应相关的基因和在MSCCR-cohort34或IBD-GWAS基因中产生的各种IBD中心基因集，发现由于肺部上皮细胞的SARS-CoV2感染而上调的基因显著丰富，这些基因与炎症相关，或与疾病的宏观或微观指标正相关，或与IBD的风险相关（图S10e）。
接下来，还检测了COVID-19相关的外周血基因反应和活动性IBD炎症的一致性。观察到COVID-19感染患者血液中上调的基因在IBD患者血液中的表达显著高于健康对照组（图6b和图S11a）以及活动期IBD患者与静止期IBD患者（图6b和图S11b）。
为了进一步研究SARS-CoV-2感染与IBD炎症反应之间的分子一致性，从三个IBD BGRNs产生了NHBE-COVID-19相关子网（NHBECOVID_ subnets）和IBD炎症相关子网（IBD_Inf_subnets）（表S17）。然后确定了它们之间的重叠，其基本原理是共同的基因成员意味着相似的分子病理学。研究者观察到IBD-Inf和NHBE-COVID_ subnets在所有三个被测独立网络之间有明显重叠（图6c）。有趣的是，常见基因（回肠CD中148个，结肠UC中213个，结肠CD网络中170个）在IBD GWAS候选基因中显著富集（表S18）。
为了确定潜在的共同病理生物学机制，研究者评估了三个交叉子网络对反应体通路的富集。有趣的是，尽管子网络是通过投射上皮模型中产生的COVID-19反应信号生成的，但大多数途径和细胞类型富集是免疫导向的，最显著的是通过干扰素和白细胞介素-6与天然免疫信号有关（图6d，图S12，表S19）。这与SARS-CoV-2感染在上皮内开始的事实相一致，COVID-19是一种多系统疾病，先天性和适应性免疫细胞以及非免疫细胞可能在疾病的发病机制中发挥作用。本研究的COVID-19相关的肠道子网络发现与大量最近的数据一致，这些数据描述了COVID-1935患者促炎细胞因子的显著上调，包括干扰素刺激基因的诱导。
使用最近的数据集证实了这些观察结果，其中显示SARS-CoV-2感染hSIOs（图S13a-b）。SARS-CoV-2感染的hSIOs和各种以IBD为中心的基因组的基因组直接重叠显示出显著的基因富集，类似于在肺-COVID-19模型和IBD之间观察到的那些（图S13c）。最后，回肠CD中使用hSIO-COVID-19应答基因集生成的子网络（表S20）与IBD-Inf相关子网络重叠。交叉基因与IBD-Inf和NHBE-COVID19相关回肠CD子网络之间的基因相似，包含许多干扰素刺激的基因（图S13d-e）。
接下来，利用一种数据简化方法，研究者评估了NHBE-COVID-19和IBD炎症分子反应子网络中的关键驱动基因（KDG）。然后，总结了三个BGRNs的KDG，并确定了IBD炎症和NHBE-COVID-19分子反应共有的KDG（图S14，表S21）。确定的共享KDG是干扰素刺激的基因，如IRF1、GBP1/2、PARP14/9，其中一些在风险和认证队列的BGRNs中复制，包括CXCL1、GBP4、PARP9等（数据未显示）。
研究者还比较了COVID-19相关基因与三种不同的肠道损伤或炎症小鼠模型相关基因之间的交叉点。观察到NHBE肺模型中COVID-19反应上调的基因与 1）葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的肠损伤模型中上调的基因；2）TNBS肠损伤模型中上调的基因之间存在显著重叠，尤其是TNBS给药后2天或6周后的过继性T细胞转移性结肠炎模型（即W0<W2<W4<W6）。在3个IBD小鼠模型和NHBE-COVID-19反应中发现的一些基因普遍上调的例子包括C3、IFITM3、IL1B、S100A9、TGM2（转谷氨酰胺酶2）和PLAUR（纤溶酶原激活剂、尿激酶受体）（表S22）。
最后，生成了与英夫利昔单抗或尤特克单抗应答相关的结肠或回肠基因子网（表S23），并测试了它们在组织和IBD类型特异性子网中的富集情况，观察到与IBD治疗相关的许多基因与IBD炎症（用作阳性对照）或共济体感染之间存在显著重叠（图6c），表明COVID-19与IBD治疗反应之间的共性。还评估了接受尤特克单抗治疗的CERTIFI CD患者血液中COVID-19反应信号活性的变化，并观察到接受尤特克单抗治疗4周后COVID-19上调基因显著降低（图6f）。
总之，通过对多个基因组的分析，研究者观察到COVID-19反应基因和IBD反应相关基因之间存在明显的重叠。
结论
总之，通过对健康人和IBD患者肠道组织的详细分析，本研究得出结论：ACE2和TMPRSS2的高表达可能支持SARS-COV-2的局部、胃肠道相关复制。此外，在COVID-19和IBD之间发现了许多重叠的炎症途径。这些数据支持使用特定的抗炎药治疗COVID-19患者。
不来关注一波嘛
END