COVID-19-induced "acute respiratory distress syndrome" (ARDS) is associated with prolonged respiratory failure and high mortality, but the mechanistic basis of lung injury remains incompletely understood. Here, we analyze pulmonary immune responses and lung pathology in two cohorts of patients with COVID-19 ARDS using functional single-cell genomics, immunohistology, and electron microscopy. We describe an accumulation of CD163-expressing monocyte-derived macrophages that acquired a profibrotic transcriptional phenotype during COVID-19 ARDS. Gene set enrichment and computational data integration revealed a significant similarity between COVID-19-associated macrophages and profibrotic macrophage populations identified in idiopathic pulmonary fibrosis. COVID-19 ARDS was associated with clinical, radiographic, histopathological, and ultrastructural hallmarks of pulmonary fibrosis. Exposure of human monocytes to SARS-CoV-2, but not influenza A virus or viral RNA analogs, was sufficient to induce a similar profibrotic phenotype in vitro. In conclusion, we demonstrate that SARS-CoV-2 triggers profibrotic macrophage responses and pronounced fibroproliferative ARDS.

Detailed knowledge of the molecular biology of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection is crucial for understanding of viral replication, host responses, and disease progression. Here, we report gene expression profiles of three SARS-CoV- and SARS-CoV-2-infected human cell lines. SARS-CoV-2 elicited an approximately two-fold higher stimulation of the innate immune response compared to SARS-CoV in the human epithelial cell line Calu-3, including induction of miRNA-155. Single-cell RNA sequencing of infected cells showed that genes induced by virus infections were broadly upregulated, whereas interferon beta/lambda genes, a pro-inflammatory cytokines such as IL-6, were expressed only in small subsets of infected cells. Temporal analysis suggested that transcriptional activities of interferon regulatory factors precede those of nuclear factor κB. Lastly, we identified heat shock protein 90 (HSP90) as a protein relevant for the infection. Inhibition of the HSP90 activity resulted in a reduction of viral replication and pro-inflammatory cytokine expression in primary human airway epithelial cells.

Abstract Very high risk neuroblastoma is characterised by increased MAPK signalling, and targeting MAPK signalling is a promising therapeutic strategy. We used a deeply characterised panel of neuroblastoma cell lines and found that the sensitivity to MEK inhibitors varied drastically between these cell lines. By generating quantitative perturbation data and mathematical modelling, we determined potential resistance mechanisms. We found that negative feedbacks within MAPK signalling and to the IGF receptor mediate re-activation of MAPK signalling upon treatment in resistant cell lines. By using cell-line specific models, we predict that combinations of MEK inhibitors with RAF or IGFR inhibitors can overcome resistance, and tested these predictions experimentally. In addition, phospo-proteomics profiles confirm the cell-specific feedback effects and synergy of MEK and IGFR targeted treatements. Our study shows that a quantitative understanding of signalling and feedback mechanisms facilitated by models can help to develop and optimise therapeutic strategies, and our findings should be considered for the planning of future clinical trials introducing MEKi in the treatment of neuroblastoma.

Abstract The coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, caused by the novel severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), is an ongoing global health threat with more than two million infected people since its emergence in late 2019. Detailed knowledge of the molecular biology of the infection is indispensable for understanding of the viral replication, host responses, and disease progression. We provide gene expression profiles of SARS-CoV and SARS-CoV-2 infections in three human cell lines (H1299, Caco-2 and Calu-3 cells), using bulk and single-cell transcriptomics. Small RNA profiling showed strong expression of the immunity and inflammation-associated microRNA miRNA-155 upon infection with both viruses. SARS-CoV-2 elicited approximately two-fold higher stimulation of the interferon response compared to SARS-CoV in the permissive human epithelial cell line Calu-3, and induction of cytokines such as CXCL10 or IL6. Single cell RNA sequencing data showed that canonical interferon stimulated genes such as IFIT2 or OAS2 were broadly induced, whereas interferon beta (IFNB1) and lambda (IFNL1-4) were expressed only in a subset of infected cells. In addition, temporal resolution of transcriptional responses suggested interferon regulatory factors (IRFs) activities precede that of nuclear factor-κB (NF-κB). Lastly, we identified heat shock protein 90 (HSP90) as a protein relevant for the infection. Inhibition of the HSP90 charperone activity by Tanespimycin/17-N-allylamino-17-demethoxygeldanamycin (17-AAG) resulted in a reduction of viral replication, and of TNF and IL1B mRNA levels. In summary, our study established in vitro cell culture models to study SARS-CoV-2 infection and identified HSP90 protein as potential drug target for therapeutic intervention of SARS-CoV-2 infection.

ABSTRACT Phosphoproteomics routinely quantifies changes in the levels of thousands of phosphorylation sites, but functional analysis of such data remains a major challenge. While databases like PhosphoSitePlus contain information about many phosphorylation sites, the vast majority of known sites are not assigned to any protein kinase. Assigning changes in the phosphoproteome to the activity of individual kinases therefore remains a key challenge.. A recent large-scale study systematically identified in vitro substrates for most human protein kinases. Here, we reprocessed and filtered these data to generate an in vitro Kinase-to-Phosphosite database (iKiP-DB). We show that iKiP-DB can accurately predict changes in kinase activity in published phosphoproteomic datasets for both well-studied and poorly characterized kinases. We apply iKiP-DB to a newly generated phosphoproteomic analysis of SARS-CoV-2 infected human lung epithelial cells and provide evidence for coronavirus-induced changes in host cell kinase activity. In summary, we show that iKiP-DB is widely applicable to facilitate the functional analysis of phosphoproteomic datasets.