Errores innatos de inmunidad IFN de tipo I en pacientes con COVID-19 potencialmente mortal

Zhan Q et al.

La genética subyacente a COVID-19 grave

El sistema inmunitario es complejo e involucra muchos genes, incluyendo aquellos que codifican citoquinas conocidas como interferones (IFN). Las personas que carecen de IFN específicos pueden ser más susceptibles a las enfermedades infecciosas. Además, el sistema de autoanticuerpo amortigua la respuesta IFN para evitar daños por inflamación inducida por patógenos. Dos estudios examinan ahora la probabilidad de que la genética afecte el riesgo de enfermedad grave por coronavirus 2019 (COVID-19) a través de los componentes de este sistema (véase la Perspectiva de Beck y Aksentijevich). Q. Zhang et al. utilizaron un enfoque genético candidato e identificaron pacientes con COVID-19 grave que tienen mutaciones en genes implicados en la regulación de la inmunidad IFN de tipo I y III. Encontraron enriquecimiento de estos genes en pacientes y concluyen que la genética puede determinar el curso clínico de la infección. Individuos identificados con títulos altos de autoanticuerpos neutralizantes contra el tipo I DE IFN-2 e IFN-o en aproximadamente el 10% de los pacientes con neumonía COVID-19 grave. Estos autoanticuerpos no se encontraron ni en personas infectadas que fueran asintomáticas o tuvieran fenotipo más leve ni en individuos sanos. Juntos, estos estudios identifican un medio por el cual se pueden identificar individuos con mayor riesgo de poner en peligro la vida de COVID-19.

El coronavirus del síndrome respiratorio agudo grave 2 (SARS-CoV-2) ya se ha cobrado al menos 1 millón de vidas, se ha detectado en al menos 20 millones de personas y probablemente ha infectado al menos otros 200 millones. Las manifestaciones clínicas van desde la infección silenciosa hasta la enfermedad letal, con una tasa de mortalidad por infección de 0,1 a 0,9%. Tres factores epidemiológicos aumentan el riesgo de gravedad: i) aumento de la edad, década tras década, después de los 50 años, ii) ser varón, y iii) tener varias condiciones médicas subyacentes (1). Sin embargo, incluso teniendo en cuenta estos factores, existe una inmensa variabilidad clínica interindividual en cada categoría demográfica considerada. Siguiendo con nuestros estudios genéticos humanos de otras enfermedades infecciosas graves (2, 3), establecimos el Esfuerzo Genético Humano COVID (https://www.covidhge.com) para probar la hipótesis general de que en algunos pacientes, la enfermedad coronavirus potencialmente mortal 2019 (COVID-19) puede ser causada por errores innatos monogénicos de inmunidad al SARS-CoV-2 con penetrancia incompleta o completa (4). Inscribimos 659 pacientes (74,5% hombres y 25,5% mujeres, 13,9% de los cuales murieron) de varios ancestros entre 1 mes y 99 años de edad (Fig. 1A). Estos pacientes fueron hospitalizados por neumonía potencialmente mortal causada por SARS-CoV-2 (COVID-19 crítico). Hemos secuenciado todo su genoma(N 364) o exoma(N 295), y el análisis de componentes principales (PCA) en estos datos confirmó sus ancestros(Fig. 1B).

Variantes candidatas en 13 loci humanos que gobiernan la inmunidad al virus de la gripe

Primero analizamos la hipótesis específica de que los errores innatos del receptor similar al peaje 3 (TLR3) y del factor regulador del interferón I (IFN) dependiente del interferón I (IFN) que subyacen a la neumonía por gripes que ponen en peligro la vida también pueden subyacer a la neumonía COVID-19(5)(Fig. 2). Hemos considerado tres loci que anteriormente se ha demostrado mutar en pacientes con neumonía por gripe crítica: TLR3 (6), IRF7 (7) e IRF9 (8). También consideramos 10 loci mutados en pacientes con otras enfermedades virales pero directamente conectados a los tres genes principales que confieren la susceptibilidad a la gripe: TICAM1/TRIF(9), UNC93B1 (10), TRAF3 (11), TBK1 (12), IRF3 (13), y NEMO/IKB (14) en el tipo I IFNduction dependiente de TLR3, y IFNAR1 (15), IFNAR2 (16), STAT1 (17) y STAT2 (18) en la vía de amplificación IFN de tipo IRF7- e IRF9. Recopilamos variantes monoallelic y biallelic no sin estiloima con una frecuencia de alelo menor (MAF) <0.001 en los 13 loci. Doce de los 13 loci candidatos son autosómicos, mientras que NEMO está ligado al X. Para este último gen, consideramos sólo un modelo recesivo (19). La herencia autosómica dominante (AD) no ha sido probada para seis de los 12 loci autosómicos (UNC93B1, IRF7, IFNAR1, IFNAR2, STAT2e IRF9). Sin embargo, consideramos variantes heterocigotas porque ninguno de los pacientes inscritos había sido hospitalizado por infecciones virales críticas antes de COVID-19, lo que plantea la posibilidad de que cualquier defecto genético subyacente que pudieran haber mostrado una penetración menor para la gripe y otros virus de la enfermedad que para COVID-19, que se desencadena por un virus más virulenta.

Enriquecimiento de variantes pronosticadas como LOF en los loci de susceptibilidad a la gripe

Encontramos cuatro pacientes no relacionados con variantes biselílicas de IRF7 o IFNAR1 (Tabla 1y tabla S1). También encontramos 113 pacientes con 113 variantes monoallálicas a 12 loci: TLR3(N a 7 pacientes/7 variantes), UNC93B1 (N a 10/9), TICAM1 (N a 17/15), TRAF3 (N a 6/6), TBK1 (Na 12/11), IRF3 (N a 5/5), IRF7 (N a 20/13), IFNAR1 (N a 14/13), IFNAR2 (N a 17/15), STAT1 (N a 4/4), STAT2 (N a 11/11) e IRF9 (N a 4/4). No detectamos ninguna variación del número de copia para estos 13 genes. Inesperadamente, se ha notificado una de estas variantes en pacientes con neumonía por gripe potencialmente mortal (TLR3 p.Pro554Ser) (6, 20) y se ha demostrado que otra es tanto perjudicial como dominante-negativa (IFNAR1 p.Pro335del) (21). Se pronosticaron nueve de las 118 variantes biselílicas o monoallélicas LOF (pLOF), mientras que las 109 restantes eran indels erróneos o in-frame (tabla S1). En una muestra de 534 controles con infección asintomática o leve de SARS-CoV-2, encontramos sólo una variación de pLOF heterocigoto con un MAF <0.001 en el 13 loci(IRF7 p.Leu99fs). Una prueba de carga ajustada por PCA en los 12 loci autosómicos reveló un enriqueci significativo en variantes de pLOF en pacientes en relación con los controles[P a 0,01; relación de probabilidades (OR) a 8,28; intervalo de confianza del 95% (CI) a 1,04 a 65,64] bajo un modo de herencia AD. El mismo análisis realizado en variantes sinónimas con un MAF <0.001 no fue significativo(P – 0.19), lo que indica que nuestra prueba de carga ajustada por etnia estaba bien calibrada.

Inmunidad de tipo I dependiente de TLR3 e IRF7 en células de pacientes in vitro

Probamos células de pacientes con genotipos seleccionados y demostramos que las explosiones de células T impulsadas por PHA (células PHA-T) de pacientes con deficiencia de AR o AD IRF7 tenían niveles bajos de expresión IRF7 (Fig. 4A). Luego aislamos las células dendríticas plastoide circulantes (pDC) de un paciente con deficiencia de AR IRF7 (fig. S9A) (7). Estas células estaban presentes en proporciones normales (fig. S9B), pero no produjeron ningún IFN de tipo I o III detectable en respuesta a SARS-CoV-2, analizados por matriz de cuentas citométricas (CBA), ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas (ELISA) y secuenciación de ARN (RNA-seq) (Fig. 4, B y C). También mostramos que las células PHA-T de un paciente con deficiencia de AR IFN-α/β del receptor 1 (IFNAR1) habían deteriorado la expresión y las respuestas de IFNAR1 a IFN-2 o IFN-β, y que las células de fibroblasto transformados por SV40 (SV40-Fib) del paciente no respondieron a IFN-2 o IFN-β (Fig. Luego infectamos TLR3^−/−, TLR3^+/−, IRF7^−/− Células SV40-Fib e IRF7^−/− Células SV40-Fib rescatadas con tipo salvaje (WT) IRF7; IFNAR1^−/− Células SV40-Fib e IFNAR1^−/− Células SV40-Fib rescatadas con WT IFNAR1, todas las cuales fueron transducidas previamente con enzima convertidora de angiotensina 2 (ACE2) y proteasa transmembrana, serina 2 (TMPRSS2). Los niveles de infección por SARS-CoV-2 fueron más altos en las células mutantes que en las células de donantes sanos, y la transducción de WT IRF7 o IFNAR1 rescató sus defectos (Fig. 6). En conjunto, estos hallazgos mostraron que la deficiencia de AR IRF7 deterioró la producción de IFN de tipo I por pDCs estimuladas con SARS-CoV-2, mientras que las deficiencias de AR y AD de TLR3 o AR de IFNAR1 deterioraron la inmunidad IFN de tipo I de fibroblasto-intrínseca a la SRAS-CoV2. También sugieren que la heterocigosidad para las variaciones de LOF en los otros cinco loci mutados también subyacen a la mortalidad COVID-19.

Producción deteriorada de IFN de tipo I en pacientes in vivo

Analizamos si estos genotipos deterioraron la producción de IFN in vivo de tipo I durante el curso de la infección por SARS-CoV-2. Medimos los niveles de los 13 tipos de α IFN en la sangre de los pacientes durante la fase aguda de COVID-19. Encontramos que 10 de los 23 pacientes con mutaciones para los que había muestras disponibles (uno con deficiencia de AR IRF7, cuatro con deficiencia de AD IRF7, uno con deficiencia de AD TLR3, dos con deficiencia de AD TBK1, uno con deficiencia de IFNAR1 y otro con deficiencia de AD TICAM1) tenían niveles séricos de IFN-α <1 pg/ml (Fig. 7). Por el contrario, cohortes publicadas previamente de pacientes hospitalizados con COVID-19 grave y inexplicable tenían varios niveles séricos de IFN-α, significativamente superiores a nuestros 10 pacientes [análisis unidireccional de la varianza (ANOVA), P a 1,4 × 10⁷; 7] (27, 28). Otros 29 pacientes de nuestra cohorte que mostraban anticuerpos automáticos (auto-Abs) contra IFN de tipo I, notificados en un documento adjunto, presentaban niveles indetectables de SIN-α (29). Además, ninguno de los 23 pacientes con mutaciones LOF de los ocho genes tenía auto-Abs detectables contra ifNs de tipo I(29),lo que sugiere fuertemente que los dos mecanismos de la enfermedad son similares pero independientes. La exclusión de los pacientes con auto-Abs contra el IFN tipo I de la prueba de carga de las variantes de pLOF en el loci autosómico 12 fortaleció la señal de asociación(P a 0,007; O 8,97; IC del 95% de 1,13 a 71,09).

Errores innatos de la inmunidad de tipo I dependiente de TLR3 e IRF7 subyacen a COVID-19

En conjunto, nuestros datos sugieren que al menos 23 de los 659 pacientes con neumonía COVID-19 potencialmente mortal estudiados tenían defectos genéticos conocidos (seis trastornos) o nuevos (cuatro trastornos) en ocho loci implicados en la inducción y amplificación dependientes de TLR3 e IRF7 de IFN de tipo I. Este descubrimiento revela el papel esencial tanto del sensor de ARN de doble cadena TLR3 como de la inmunidad intrínseca de células IFN tipo I en el control de la infección por SARS-CoV-2 en los pulmones, de acuerdo con sus funciones previamente documentadas en la inmunidad pulmonar al virus de la gripe (5–8). Estos genotipos guardaron silencio hasta la infección por SARS-CoV-2. Los ejemplos más inspiradores son las deficiencias de AR de IRF7 e IFNAR1. La deficiencia de AR IRF7 se diagnosticó en dos individuos de 49 y 50 años, y la deficiencia de AR IFNAR1 se diagnosticó en dos individuos de 26 y 38 años, y ninguno de los cuatro pacientes tenía antecedentes de infecciones potencialmente mortales(Tabla 1). Se analizó un paciente con deficiencia de IRF7 y fue seropositivo para varios virus comunes, incluidos varios virus de la gripe A y B (figs. S10 y S11). Por lo tanto, estos defectos genéticos muestran una penetrancia incompleta para la dificultad respiratoria de la gripe y sólo se manifiestan clínicamente tras la infección con el SARS-CoV-2 más virulento.

Conclusión

La forma AR de la deficiencia de IFNAR1 destaca la importancia de la producción IFN de tipo I en relación con la producción IFN de tipo III, que también se ve afectada por defectos de TLR3, IRF7 e IRF9 (5). Esta conclusión también está respaldada por nuestro informe adjunto de neutralización de auto-Abs contra los IFN de tipo I, pero no los IFN de tipo III, en otros pacientes con neumonía COVID-19 potencialmente mortal (29). Se encontraron errores innatos de inmunidad IFN de tipo I dependiente de TLR3 e IRF7 en ocho loci en hasta 23 pacientes (3,5%) de diversas edades (17 a 77 años) y ancestros (varias nacionalidades de Asia, Europa, América Latina y Oriente Medio) y en pacientes de ambos sexos (Tabla 1). Nuestros hallazgos sugieren que puede haber mutaciones en otros genes relacionados con ifN tipo I en otros pacientes con neumonía COVID-19 potencialmente mortal. También sugieren que la administración de IFN de tipo I puede ser de beneficio terapéutico en pacientes seleccionados, al menos en el curso de la infección por SARS-CoV-2.