COVID-19 affects millions of patients worldwide, with clinical presentation ranging from isolated thrombosis to acute respiratory distress syndrome (ARDS) requiring ventilator support. Neutrophil extracellular traps (NETs) originate from decondensed chromatin released to immobilize pathogens, and they can trigger immunothrombosis. We studied the connection between NETs and COVID-19 severity and progression. We conducted a prospective cohort study of COVID-19 patients (n = 33) and age- and sex-matched controls (n = 17). We measured plasma myeloperoxidase (MPO)-DNA complexes (NETs), platelet factor 4, RANTES, and selected cytokines. Three COVID-19 lung autopsies were examined for NETs and platelet involvement. We assessed NET formation ex vivo in COVID-19 neutrophils and in healthy neutrophils incubated with COVID-19 plasma. We also tested the ability of neonatal NET-inhibitory factor (nNIF) to block NET formation induced by COVID-19 plasma. Plasma MPO-DNA complexes increased in COVID-19, with intubation (P < .0001) and death (P < .0005) as outcome. Illness severity correlated directly with plasma MPO-DNA complexes (P = .0360), whereas Pao2/fraction of inspired oxygen correlated inversely (P = .0340). Soluble and cellular factors triggering NETs were significantly increased in COVID-19, and pulmonary autopsies confirmed NET-containing microthrombi with neutrophil-platelet infiltration. Finally, COVID-19 neutrophils ex vivo displayed excessive NETs at baseline, and COVID-19 plasma triggered NET formation, which was blocked by nNIF. Thus, NETs triggering immunothrombosis may, in part, explain the prothrombotic clinical presentations in COVID-19, and NETs may represent targets for therapeutic intervention.

Importance

 Evolutionary medicine may provide insights into human physiology and pathophysiology, including tumor biology. 

Objective

 To identify mechanisms for cancer resistance in elephants and compare cellular response to DNA damage among elephants, healthy human controls, and cancer-prone patients with Li-Fraumeni syndrome (LFS). 

Design, Setting, and Participants

 A comprehensive survey of necropsy data was performed across 36 mammalian species to validate cancer resistance in large and long-lived organisms, including elephants (n = 644). The African and Asian elephant genomes were analyzed for potential mechanisms of cancer resistance. Peripheral blood lymphocytes from elephants, healthy human controls, and patients with LFS were tested in vitro in the laboratory for DNA damage response. The study included African and Asian elephants (n = 8), patients with LFS (n = 10), and age-matched human controls (n = 11). Human samples were collected at the University of Utah between June 2014 and July 2015. 

Exposures

 Ionizing radiation and doxorubicin. 

Main Outcomes and Measures

 Cancer mortality across species was calculated and compared by body size and life span. The elephant genome was investigated for alterations in cancer-related genes. DNA repair and apoptosis were compared in elephant vs human peripheral blood lymphocytes. 

Results

 Across mammals, cancer mortality did not increase with body size and/or maximum life span (eg, for rock hyrax, 1% [95% CI, 0%-5%]; African wild dog, 8% [95% CI, 0%-16%]; lion, 2% [95% CI, 0%-7%]). Despite their large body size and long life span, elephants remain cancer resistant, with an estimated cancer mortality of 4.81% (95% CI, 3.14%-6.49%), compared with humans, who have 11% to 25% cancer mortality. While humans have 1 copy (2 alleles) ofTP53, African elephants have at least 20 copies (40 alleles), including 19 retrogenes (38 alleles) with evidence of transcriptional activity measured by reverse transcription polymerase chain reaction. In response to DNA damage, elephant lymphocytes underwent p53-mediated apoptosis at higher rates than human lymphocytes proportional toTP53status (ionizing radiation exposure: patients with LFS, 2.71% [95% CI, 1.93%-3.48%] vs human controls, 7.17% [95% CI, 5.91%-8.44%] vs elephants, 14.64% [95% CI, 10.91%-18.37%];P < .001; doxorubicin exposure: human controls, 8.10% [95% CI, 6.55%-9.66%] vs elephants, 24.77% [95% CI, 23.0%-26.53%];P < .001). 

Conclusions and Relevance

 Compared with other mammalian species, elephants appeared to have a lower-than-expected rate of cancer, potentially related to multiple copies ofTP53. Compared with human cells, elephant cells demonstrated increased apoptotic response following DNA damage. These findings, if replicated, could represent an evolutionary-based approach for understanding mechanisms related to cancer suppression.

Abstract Cancer is pervasive across multicellular species. Are there any patterns that can explain differences in cancer prevalence across species? Using 16,049 necropsy records for 292 species spanning three clades (amphibians, sauropsids and mammals) we found that neoplasia and malignancy prevalence increases with adult weight and decreases with gestation time, contrary to Peto’s Paradox. Evolution of cancer susceptibility appears to have undergone sudden shifts followed by stabilizing selection. Outliers for neoplasia prevalence include the common porpoise (<1.3%), the Rodrigues fruit bat (<1.6%) the black-footed penguin (<0.4%), ferrets (63%) and opossums (35%). Discovering why some species have particularly high or low levels of cancer may lead to a better understanding of cancer syndromes and novel strategies for the management and prevention of cancer.

Abstract Disease susceptibility and resistance comprise important factors in conservation, particularly in elephants. To determine genetic mechanisms underlying disease resistance and other unique elephant traits, we estimated 862 and 1,017 potential regulatory elements in Asian and African elephants, respectively. These elements are significantly enriched in both species with differentially expressed genes involved in immunity pathways, including tumor-necrosis factor which plays a role in the response to elephant endotheliotropic herpesvirus (EEHV). Population genomics analyses indicate that amplified TP53 retrogenes are maintained by purifying selection and may contribute to cancer resistance in elephants, including less malignancies in African vs. Asian elephants. Positive selection scans across elephant genomes revealed genes that may control iconic elephant traits such as tusk development, memory, and somatic maintenance. Our study supports the hypothesis that interspecies variation in gene regulation contributes to differential inflammatory responses leading to increased infectious disease and cancer susceptibility in Asian versus African elephants. Genomics can inform functional immunological studies which may improve both conservation for elephants and human therapies.

Abstract The explanation for why some species are more susceptible to cancer than others remains an area of intense investigation. Cancer evolves in part through the accumulation of mutations and, therefore, we hypothesized that germline mutation rates would be associated with cancer prevalence and mortality across species. We collected previously published data on germline mutation rate and cancer mortality data for 37 vertebrate species. Germline mutation rate was positively correlated with cancer mortality ( P = 0.008). Why animals with increased germline mutation rates die more from cancer remains an open question, however they may benefit from close monitoring for tumors due to hereditary cancer predisposition syndromes. Early diagnoses of cancer in these species may increase their chances of treatment and overall survival.

Abstract Cancers occur across species. Understanding what is consistent and varies across species can provide new insights into cancer initiation and evolution, with significant implications for animal welfare and wildlife conservation. We built the pan-species cancer digital pathology atlas (PANCAD) and conducted the first pan-species study of computational comparative pathology using a supervised convolutional neural network algorithm trained on human samples. The artificial intelligence algorithm achieves high accuracy in measuring immune response through single-cell classification for two transmissible cancers (canine transmissible venereal tumour, 0.94; Tasmanian devil facial tumour disease, 0.88). Furthermore, in 18 other vertebrate species (mammalia=11, reptilia=4, aves=2, and amphibia=1), accuracy (0.57-0.94) was influenced by cell morphological similarity preserved across different taxonomic groups, tumour sites, and variations in the immune compartment. A new metric, named morphospace overlap, was developed to guide veterinary pathologists towards rational deployment of this technology on new samples. This study provides the foundation and guidelines for transferring artificial intelligence technologies to veterinary pathology based on a new understanding of morphological conservation, which could vastly accelerate new developments in veterinary medicine and comparative oncology.

Abstract Cancer develops across nearly every species. However, cancer occurs at unexpected and widely different rates throughout the animal kingdom. The reason for this variation in cancer susceptibility remains an area of intense investigation. Cancer evolves in part through the accumulation of mutations and, therefore, we hypothesized that germline mutation rates would be associated with cancer prevalence and mortality across species. We collected previously published data on germline mutation rate and cancer mortality data for 37 vertebrate species. Germline mutation rate was positively correlated with cancer mortality (P-value = 0.0008; R² = 0.13). Controlling for species average parental age, maximum longevity, adult body mass, or domestication did not improve the model fit (ΔAIC &lt; 2). However, this model fit was better than a model controlling for species trophic level (ΔAIC &gt; 2). The increased death rate from cancer in animals with increased germline mutation rates may suggest underlying hereditary cancer predisposition syndromes similar to those diagnosed in human patients. Species with higher germline mutation rates may benefit from close monitoring for tumors due to increased genetic risk for cancer development. Early diagnoses of cancer in these species may increase their chances of overall survival, especially for threatened and endangered species.

1 Abstract Cells losing the ability to self-regulate in response to damage is a hallmark of cancer. When a cell encounters damage, regulatory pathways estimate the severity of damage and promote repair, cell cycle arrest, or apoptosis. This decision-making process would be remarkable if it were based on the total amount of damage in the cell, but because damage detection pathways vary in the rate and intensity with which they promote pro-apoptotic factors, the cell’s real challenge is to reconcile dissimilar signals. Crosstalk between repair pathways, crosstalk between pro-apoptotic signaling kinases, and signals induced by damage byproducts complicate the process further. The cell’s response to γ and UV radiation neatly illustrates this concept. While these forms of radiation produce lesions associated with two different pro-apoptotic signaling kinases, ATM and ATR, recent experiments show that ATM and ATR react to both forms of radiation. To simulate the pro-apoptotic signal induced by γ and UV radiation, we construct a mathematical model that includes three modes of crosstalk between ATM and ATR signaling pathways: positive feedback between ATM/ATR and repair proteins, ATM and ATR mutual upregulation, and changes in lesion topology induced by replication stress or repair. We calibrate the model to agree with 21 experimental claims about ATM and ATR crosstalk. We alter the model by adding or removing specific processes, then examine the effects of each process on ATM/ATR crosstalk by recording which claims the altered model violates. Not only is this the first mathematical model of ATM/ATR crosstalk, its implications provide a strong argument for treating pro-apoptotic signaling as a holistic effort rather than attributing it to a single dominant kinase.

The tumor suppressor protein p53 compiles information about cellular stressors to make decisions on whether the cell should survive or undergo apoptosis. However, the p53 response depends on the source of damage, displaying a 'digital' oscillatory response after ionizing radiation (IR) damage and a proportional non-oscillatory response following UV damage. We propose a mathematical model that qualitatively replicates this observed behavior. The difference in p53 dynamics in the model results from two mechanisms: IR damage is fully detected minutes after exposure while UV damage is detected over several hours; and the p53-controlled transcriptional response is dominated by inactive p53 following UV damage. In particular, we hypothesize that an unidentified positive feedback loop controlled by inactive p53 is required to maintain the qualitative high p53 response to UV damage. This work proposes an explanation for two distinct responses of p53 to DNA damage and how each response can lead to cell cycle arrest or apoptosis.