[論文レビュー] A single-cell RNA expression map of coronavirus receptors and associated factors in developing human embryos

Stacy Colaco, Karisma Chhabria+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2020

COVID-19 Impact on Reproduction参考文献 62被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、ヒト胚発生の初期段階におけるコロナウイルス受容体（ACE2、BSG、DPP4、ANPEP）およびウイルス侵入因子（TMPRSS2、CTSL）の単細胞RNA発現をマップし、上胚葉および胚盤液細胞でACE2とTMPRSS2の共発現を明らかにした。両線維で共通する216遺伝子は、脂質代謝、リソソーム、ペルオキシソーム、酸化的リン酸化経路で有意に豊富であり、ウイルスの標準的および非標準的侵入経路を通じてSARS-CoV-2に感受性を示す可能性があることが示唆された。

ABSTRACT

To predict if developing human embryos are permissive to coronaviruses, we analyzed publicly available single cell RNA-seq datasets of zygotes, 4-cell, 8-cell, morula, inner cell mass, epiblast, primitive endoderm and trophectoderm for the coronavirus receptors (ACE2, BSG, DPP4 and ANPEP), the Spike protein cleavage enzymes (TMPRSS2, CTSL). We also analyzed the presence of host genes involved in viral replication, the endosomal sorting complexes required for transport (ESCRT) and SARS-Cov-2 interactions. The results reveal that ACE2, BSG, DPP4 and ANPEP are expressed in the cells of the zygote, to blastocyst including the trophectodermal lineage. ACE2, TMPRSS, BSG and CTSL are co-transcribed in a proportion of epiblast cells and most cells of the trophectoderm. The embryonic and trophectodermal cells also express genes for proteins ESCRT, viral replication and those that interact with SARS-CoV-2. We identified 1985 genes in epiblast and 1452 genes in the trophectoderm that are enriched in the ACE2 and TMPRSS2 co-expressing cells; 216 genes of these are common in both the cell types. These genes are associated with lipid metabolism, lysosome, peroxisome and oxidative phosphorylation pathways. Together our results suggest that developing human embryos could be permissive to coronavirus entry by both canonical and non-canonical mechanisms and they also express the genes for proteins involved in viral endocytosis and replication. This knowledge will be useful for evidence-based patient management for IVF during the COVID-19 pandemic.

研究の動機と目的

• 発生中のヒト胚がコロナウイルス侵入に必要な受容体および宿主因子を発現しているかどうかを評価すること。
• ACE2、TMPRSS2、およびその他のウイルス侵入関連遺伝子の細胞内分布を、胚発生の初期段階で特定すること。
• 上胚葉および胚盤液線維における主要なウイルス侵入因子の共発現パターンを同定すること。
• ウイルスリプリケーション、エンドサイトーシス（ESCRT）、SARS-CoV-2との相互作用に関与する宿主遺伝子の発現を、初期胚で評価すること。
• COVID-19パンデミックの文脈において、体外受精（IVF）手技中に胚がSARS-CoV-2に感受性を示す分子的根拠を提供すること。

提案手法

• 受精卵、4細胞期、8細胞期、モラ、内胚葉、上胚葉、原始内胚葉、および胚盤液細胞の各段階における公に利用可能な単細胞RNA-seqデータセットの分析。
• コロナウイルス受容体（ACE2、BSG、DPP4、ANPEP）およびスパイクタンパク質切断酵素（TMPRSS2、CTSL）の発現レベルの同定。
• 上胚葉および胚盤液細胞におけるACE2とTMPRSS2の共発現分析により、感受性を示す可能性のある細胞集団の同定。
• ACE2/TMPRSS2を共発現する上胚葉で1985遺伝子、胚盤液で1452遺伝子を対象とした遺伝子セットの豊富度解析により、生物学的経路の同定。
• ウイルスリプリケーション、エンドソームの分類（ESCRT）、SARS-CoV-2相互作用ネットワークに関与する宿主因子の統合的分析。
• 共発現細胞における上胚葉と胚盤液の間で共有される遺伝子発現サブセットと線維特異的サブセットの比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのヒト胚発生初期段階の細胞がSARS-CoV-2受容体であるACE2、BSG、DPP4、ANPEPを発現しているか？
• RQ2 主要なウイルス侵入因子であるTMPRSS2とCTSLは、胚線維でACE2と共発現しているか？
• RQ3 上胚葉および胚盤液でACE2とTMPRSS2を共発現する細胞において、どの宿主遺伝子ネットワークが豊富に発現しているか？
• RQ4 胚細胞はエンドサイトーシス（ESCRT）およびウイルスリプリケーション機構に関与する遺伝子を発現しているか？
• RQ5 上胚葉と胚盤液は、SARS-CoV-2への感受性に関連する分子サインチャにどの程度共有しているか？

主な発見

• ACE2、BSG、DPP4、ANPEPは受精卵から嚢胚に至るまで、胚盤液線維を含む細胞で発現している。
• ACE2とTMPRSS2は一部の上胚葉細胞および大多数の胚盤液細胞で共転写されている。
• CTSLは上胚葉および胚盤液でACE2およびTMPRSS2と共発現しており、機能的なウイルス侵入可能性を支持している。
• ACE2/TMPRSS2を共発現する上胚葉細胞では1985遺伝子、胚盤液では1452遺伝子が豊富に発現しており、両線維で216遺伝子が共有されている。
• 両線維で共有される216遺伝子は、脂質代謝、リソソーム機能、ペルオキシソーム、酸化的リン酸化経路に関連する経路で有意に豊富に発現している。
• 胚細胞はESCRT複合体の成分、ウイルスリプリケーション機構、SARS-CoV-2と相互作用するとされるタンパク質を発現しており、ウイルスリプリケーションの可能性が示唆された。