[논문 리뷰] A single-cell RNA expression map of coronavirus receptors and associated factors in developing human embryos

Stacy Colaco, Karisma Chhabria외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 10.

COVID-19 Impact on Reproduction참고 문헌 62인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 인간 배아 형성 초기 단계에서 冠状바이러스 수용체(ACE2, BSG, DPP4, ANPEP)와 유입 인자(TMPRSS2, CTSL)의 단세포 RNA 발현을 맵핑하여, 배상세포와 난세포에서 ACE2와 TMPRSS2의 공발현을 확인한다. 이는 공통으로 발현되는 216개 유전자가 지질 대사, 리소좀, 파생체소체, 산화적 인산화 경로에서 enrichment되어 있음을 보여주며, 이는 발달 중인 배아가 전통적 및 비전통적 경로를 통해 SARS-CoV-2에 감염 가능할 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 발달 중인 인간 배아가 코로나바이러스 유입에 필요한 수용체와 숙주 인자를 발현하는지 평가하기 위해.
• ACE2, TMPRSS2 및 기타 바이러스 유입 관련 유전자의 세포 분포를 배아 형성 초기 단계 전반에 걸쳐 규명하기 위해.
• 배아 계통(배상세포 및 난세포)에서 핵심 바이러스 유입 인자의 공발현 패턴을 규명하기 위해.
• 바이러스 복제, 내포작용(ESCRT), SARS-CoV-2 상호작용 네트워크에 관여하는 숙주 유전자 발현을 평가하기 위해.
• 코로나19 팬데믹 상황에서 IVF 절차 중 배아의 SARS-CoV-2 감수성에 대한 분자적 기반을 제공하기 위해.

제안 방법

• 배아 형성 초기 단계(수정란, 4세포, 8세포, 모룰라, 내부세포질, 배상세포, 기원내배엽세포, 난세포)의 공개된 단세포 RNA-seq 데이터셋 분석.
• 코로나바이러스 수용체(ACE2, BSG, DPP4, ANPEP) 및 스파이크 단백질 가르는 효소(TMPRSS2, CTSL)의 발현 수준 규명.
• 배상세포 및 난세포에서 ACE2와 TMPRSS2의 공발현 분석을 통해 잠재적 감수성 세포 집단 규명.
• ACE2/TMPRSS2 공발현 세포에서 배상세포에선 1985개, 난세포에선 1452개 유전자가 포함된 유전자 집합의 기능적 경로 분석.
• 바이러스 복제, 엔도좀 정렬(ESCRT), SARS-CoV-2 상호작용 네트워크에 관여하는 숙주 인자 통합 분석.
• 공발현 세포에서 배상세포와 난세포 간 공통 및 계통 특이적 유전자 발현 서열 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 인간 배아 형성 초기 세포 유형이 SARS-CoV-2 수용체인 ACE2, BSG, DPP4, ANPEP를 발현하는가?
• RQ2 핵심 바이러스 유입 인자인 TMPRSS2와 CTSL이 배아 계통에서 ACE2와 함께 공발현되는가?
• RQ3 배상세포 및 난세포에서 ACE2와 TMPRSS2를 공발현하는 세포에서 어떤 숙주 유전자 네트워크가 enrichment되어 있는가?
• RQ4 배아 세포는 내포작용(ESCRT) 및 바이러스 복제 기계에 관여하는 유전자들을 발현하는가?
• RQ5 배상세포와 난세포는 SARS-CoV-2 감수성과 관련된 분자 서열을 어느 정도 공유하는가?

주요 결과

• ACE2, BSG, DPP4, ANPEP는 수정란에서 배낭모형까지의 세포, 특히 난세포 계통에서 발현된다.
• ACE2와 TMPRSS2는 일부 배상세포와 대부분의 난세포에서 공발현된다.
• CTSL은 배상세포 및 난세포에서 ACE2와 TMPRSS2와 함께 공발현되어 기능적 바이러스 유입 가능성을 뒷받침한다.
• ACE2/TMPRSS2 공발현 배상세포 세포에서 1985개 유전자가, 난세포에서는 1452개 유전자가 enrich되어 있으며, 이들 사이에 216개 유전자가 공통으로 존재한다.
• 공통으로 존재하는 216개 유전자는 지질 대사, 리소좀 기능, 파생체소체, 산화적 인산화 경로와 관련된 경로에서 유의미하게 enrich되어 있다.
• 배아 세포는 ESCRT 복합체 성분, 바이러스 복제 기계, SARS-CoV-2와 상호작용하는 것으로 알려진 단백질을 발현하여 바이러스 복제 가능성을 시사한다.