Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) is a terminal carboxypeptidase with important functions in the renin-angiotensin system and plays a critical role in inflammatory lung diseases. ACE2 cleaves single-terminal residues from several bioactive peptides such as angiotensin II. However, few of its substrates in the respiratory tract have been identified, and the mechanism underlying the role of ACE2 in inflammatory lung disease has not been fully characterized. In an effort to identify biological targets of ACE2 in the lung, we tested its effects on des-Arg 9 bradykinin (DABK) in airway epithelial cells on the basis of the hypothesis that DABK is a biological substrate of ACE2 in the lung and ACE2 plays an important role in the pathogenesis of acute lung inflammation partly through modulating DABK/bradykinin receptor B1 (BKB1R) axis signaling. We found that loss of ACE2 function in mouse lung in the setting of endotoxin inhalation led to activation of the DABK/BKB1R axis, release of proinflammatory chemokines such as C-X-C motif chemokine 5 (CXCL5), macrophage inflammatory protein-2 (MIP2), C-X-C motif chemokine 1 (KC), and TNF-α from airway epithelia, increased neutrophil infiltration, and exaggerated lung inflammation and injury. These results indicate that a reduction in pulmonary ACE2 activity contributes to the pathogenesis of lung inflammation, in part because of an impaired ability to inhibit DABK/BKB1R axis-mediated signaling, resulting in more prompt onset of neutrophil infiltration and more severe inflammation in the lung. Our study identifies a biological substrate of ACE2 within the airways, as well as a potential new therapeutic target for inflammatory diseases.

ABSTRACT Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) maintains cardiovascular and renal homeostasis but also serves as the entry receptor for the novel severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV-2), the causal agent of novel coronavirus disease 2019 (COVID-19) 1 . COVID-19 disease severity, while highly variable, is typically lower in pediatric patients than adults (particularly the elderly), but increased rates of hospitalizations requiring intensive care are observed in infants than in older children. The reasons for these differences are unknown. To detect potential age-based correlates of disease severity, we measured ACE2 protein expression at the single cell level in human lung tissue specimens from over 100 donors from ∼4 months to 75 years of age. We found that expression of ACE2 in distal lung epithelial cells generally increases with advancing age but exhibits extreme intra- and inter-individual heterogeneity. Notably, we also detected ACE2 expression on neonatal airway epithelial cells and within the lung parenchyma. Similar patterns were found at the transcript level: ACE2 mRNA is expressed in the lung and trachea shortly after birth, downregulated during childhood, and again expressed at high levels in late adulthood in alveolar epithelial cells. Furthermore, we find that apoptosis, which is a natural host defense system against viral infection, is also dynamically regulated during lung maturation, resulting in periods of heightened apoptotic priming and dependence on pro-survival BCL-2 family proteins including MCL-1. Infection of human lung cells with SARS-CoV-2 triggers an unfolded protein stress response and upregulation of the endogenous MCL-1 inhibitor Noxa; in juveniles, MCL-1 inhibition is sufficient to trigger apoptosis in lung epithelial cells – this may limit virion production and inflammatory signaling. Overall, we identify strong and distinct correlates of COVID-19 disease severity across lifespan and advance our understanding of the regulation of ACE2 and cell death programs in the mammalian lung. Furthermore, our work provides the framework for potential translation of apoptosis modulating drugs as novel treatments for COVID-19.

Human placental tissues have variable rates of SARS-CoV-2 invasion resulting in consistently low rates of fetal transmission suggesting a unique physiologic blockade against SARS-CoV-2. Angiotensin-converting enzyme (ACE)-2, the main receptor for SARS-CoV-2, is expressed as cell surface and soluble forms regulated by a metalloprotease cleavage enzyme, ADAM17. ACE-2 is expressed in the human placenta, but the regulation of placental ACE-2 expression in relation to timing of maternal SARS-CoV-2 infection in pregnancy is not well understood. In this study, we evaluated ACE-2 expression, ADAM17 activity and serum ACE-2 abundance in a cohort of matched villous placental and maternal serum samples from Control pregnancies (SARS-CoV-2 negative, n=8) and pregnancies affected by symptomatic maternal SARS-CoV-2 infections in the 2 nd trimester ("2 nd Tri COVID", n=8) and 3rd trimester ("3 rd Tri COVID", n=8). In 3 rd Tri COVID as compared to control and 2 nd Tri-COVID villous placental tissues ACE-2 mRNA expression was remarkably elevated, however, ACE-2 protein expression was significantly decreased with a parallel increase in ADAM17 activity. Soluble ACE-2 was also significantly increased in the maternal serum from 3 rd Tri COVID infections as compared to control and 2 nd Tri-COVID pregnancies. These data suggest that in acute maternal SARS-CoV-2 infections, decreased placental ACE-2 protein may be the result of ACE-2 shedding. Overall, this work highlights the importance of ACE-2 for ongoing studies on SARS-CoV-2 responses at the maternal-fetal interface.

ABSTRACT Objective SARS-CoV-2 infection induces significant inflammatory cytokine production in adults, but infant cytokine signatures in pregnancies affected by maternal SARS-CoV-2 are less well characterized. We aimed to evaluate cytokine profiles of mothers and their infants following COVID-19 in pregnancy. Study Design Serum samples at delivery from 31 mother-infant dyads with maternal SARS-CoV-2 infection in pregnancy (COVID) were examined in comparison to 29 control dyads (Control). Samples were evaluated using a 13-plex cytokine assay. Results In comparison with controls, interleukin (IL)-6 and interferon gamma-induced protein 10 (IP-10) were higher in COVID maternal and infant samples (p<0.05) and IL-8 uniquely elevated in COVID infant samples (p<0.05). Significant elevations in IL-6, IP-10 and IL-8 were found among both early (1 st /2 nd Trimester) and late (3 rd Trimester) maternal SARS-CoV-2 infections. Conclusions Maternal SARS-CoV-2 infections throughout gestation are associated with increased maternal and infant inflammatory cytokines at birth with potential to impact long-term infant health.

Abstract SARS coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infects human angiotensin-converting enzyme 2 (hACE2)-expressing lung epithelial cells through its spike (S) protein. The S protein is highly glycosylated and could be a target for lectins. Surfactant protein A (SP-A) is a collagen-containing C-type lectin, expressed by mucosal epithelial cells and mediates its antiviral activities by binding to viral glycoproteins. This study examined the mechanistic role of human SP-A in SARS-CoV-2 infectivity. The interactions between human SP-A and SARS-CoV-2 S protein and hACE2 receptor, and SP-A level in COVID-19 patients were assessed by ELISA. The effect of SP-A on SARS-CoV-2 infectivity was analyzed by infecting human lung epithelial cells (A549-ACE2) with pseudoviral particles and infectious SARS-CoV-2 (Delta variant) pre-incubated with SP-A. Virus binding, entry, and infectivity were assessed by RT-qPCR, immunoblotting, and plaque assay. The results showed that human SP-A can bind SARS-CoV-2 S protein/RBD and hACE2 in a dose-dependent manner (p<0.01). Human SP-A inhibited virus binding and entry, and reduce viral load in lung epithelial cells, evidenced by the dose-dependent decrease in viral RNA, nucleocapsid protein, and titer (p<0.01). Increased SP-A level was observed in the saliva of COVID-19 patients compared to healthy controls (p<0.05), but severe COVID-19 patients had relatively lower SP-A levels than moderate COVID-19 patients (p<0.05). Therefore, SP-A plays an important role in mucosal innate immunity against SARS-CoV-2 infectivity by directly binding to the S protein and inhibiting its infectivity in host cells. SP-A level in the saliva of COVID-19 patients might serve as a biomarker for COVID-19 severity.