Differential regulation of viral entry-associated genes modulated by inflammatory cytokines in the nasal epithelium

Abstract

OBJECTIVE: This study aimed to investigate the impact of different types of nasal inflammation on the regulation of entry-associated genes of respiratory viruses, including SARS CoV-2, MERS-CoV, HCoV-229E, and influenza virus, in the nasal epithelium. MATERIALS AND METHODS: Subjects were classified into three groups: the control, eosinophilic chronic rhinosinusitis (ECRS), and non-eosinophilic CRS (NECRS) groups. ACE2 and TMPRSS2, ANPEP, DPP4, and ST6GAL1 and ST3GAL4 were selected as key entry-associated genes for SARS-CoV-2, HCoV-229E, MERS-CoV, and influenza, respectively, and were evaluated. Brushing samples obtained from each group and human nasal epithelial cells cultured using an air-liquid interface system were treated for 7 days with typical inflammatory cytokines and analysed using real-time PCR. Western blotting and confocal microscopy were performed. RESULTS: The entry-associated genes showed distinct regulation patterns in response to each IL-4, IL-13, TNF-α, and IFN-γ. Specifically, ACE2 significantly decreased in type 2 cytokines (IL-4 and -13), while TMPRSS2 significantly decreased in type 1 cytokines (TNF-α and IFN-γ). ANPEP significantly decreased in both types of cytokines. Remarkably, DPP4 significantly increased in type 2 cytokines and decreased in type 1 cytokines. Moreover, ST6GAL1 and ST3GAL4 significantly increased in type 2 cytokines and decreased in type 1 cytokines, particularly IFN-γ. These findings were supported by western blotting and confocal imaging results, especially for ACE2 and DPP4. CONCLUSION: The findings regarding differential regulation suggest that patients with allergic rhinitis and ECRS, primarily mediated by type 2 inflammation, may have lower susceptibility to SARS-CoV-2 and HCoV-229E infections but higher susceptibility to MERS-CoV and influenza infections.

목적: 본 연구는 비상피에서 SARS-CoV-2, MERS-CoV, HCoV-229E 및 인플루엔자 바이러스와 같은 호흡기 바이러스의 바이러스 유입 관련 유전자의 발현이 다양한 유형의 비염증에 의해 어떻게 조절되는지 알아보고자 하였다. 재료 및 방법: 대상자는 대조군, 호산구성 만성 비부비동염 그룹, 비 호산구성 만성 비부비동염 그룹으로 분류되었다. 바이러스 유입 관련 유전자로 SARS-CoV-2의 ACE2와 TMPRSS2, HCoV-229E의 ANPEP, MERS-CoV의 DPP4, 인플루엔자 바이러스의 ST6GAL1와 ST3GAL4를 선택하여 분석하였다. 각 그룹에서 채취한 브러싱 샘플과, air-liquid interface (ALI)를 이용해 배양하고 7일간 염증성 사이토카인을 처리한 인간 비점막 상피세포 샘플에 대해 real-time PCR 검사를 진행하였다. 또한 Western blot 분석 및 형광 현미경을 이용한 조직 촬영을 통해 단백질 수준에서의 변화를 조사하였다. 결과: 바이러스 유입 관련 유전자들은 IL-4, IL-13, TNF-α, 그리고 IFN-γ 사이토카인에 의해 각기 다른 발현 양상을 나타냈다. 특히, ACE2는 type 2 (IL-4와 IL-13) 사이토카인에 의해 유의미한 발현 감소를 보였으며, 반면 TMPRSS2는 type 1 (TNF-α와 IFN-γ) 사이토카인에 의해 유의미한 발현 감소를 보였다. ANPEP는 type 1과 type 2 사이토카인 모두에 의해 유의한 발현 감소를 보였다. 특히, DPP4의 변화가 두드러졌으며 type 2 사이토카인인에 의한 두드러지는 유의한 증가 양상을 보였으며, type 1 사이토카인에 의한 유의한 발현 감소를 보였다. 또한, ST6GAL1과 ST3GAL4는 type 2 사이토카인인에 의한 유의미한 감소를 보였으며, 반면 type 1 사이토카인, 특히 IFN-r에 대해 유의미한 발현 감소를 보였다. 이러한 mRNA 수준에서의 변화는 western blot 및 현광 현미경상상 일부 유의한 단백질 수준에서의 변화로 확인되었으며 특히 ACE2와 DPP4에서의 변화가 유의미하게 확인되었다. 결론: 바이러스 유입 관련 유전자들의 변화 양상을 고려할 때, 주로 알레르기 비염과 호산구성 만성 비부비동염과 같이 주로 type 2 염증에 의해 매개되는 질환의 경우, SARS-CoV-2와 HCoV-229E에 대한 낮은 감염성을 보일 수 있으며 반면에 MERS-CoV 및 인플루엔자에 대해서는 높은 감염성을 보일 수 있다.