Importance

 Severe coronavirus disease 2019 (COVID-19) can occur in younger, predominantly male, patients without preexisting medical conditions. Some individuals may have primary immunodeficiencies that predispose to severe infections caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). 

Objective

 To explore the presence of genetic variants associated with primary immunodeficiencies among young patients with COVID-19. 

Design, Setting, and Participants

 Case series of pairs of brothers without medical history meeting the selection criteria of young (age <35 years) brother pairs admitted to the intensive care unit (ICU) due to severe COVID-19. Four men from 2 unrelated families were admitted to the ICUs of 4 hospitals in the Netherlands between March 23 and April 12, 2020. The final date of follow-up was May 16, 2020. Available family members were included for genetic variant segregation analysis and as controls for functional experiments. 

Exposure

 Severe COVID-19. 

Main Outcome and Measures

 Results of rapid clinical whole-exome sequencing, performed to identify a potential monogenic cause. Subsequently, basic genetic and immunological tests were performed in primary immune cells isolated from the patients and family members to characterize any immune defects. 

Results

 The 4 male patients had a mean age of 26 years (range, 21-32), with no history of major chronic disease. They were previously well before developing respiratory insufficiency due to severe COVID-19, requiring mechanical ventilation in the ICU. The mean duration of ventilatory support was 10 days (range, 9-11); the mean duration of ICU stay was 13 days (range, 10-16). One patient died. Rapid clinical whole-exome sequencing of the patients and segregation in available family members identified loss-of-function variants of the X-chromosomalTLR7.In members of family 1, a maternally inherited 4-nucleotide deletion was identified (c.2129_2132del; p.[Gln710Argfs*18]); the affected members of family 2 carried a missense variant (c.2383G>T; p.[Val795Phe]). In primary peripheral blood mononuclear cells from the patients, downstream type I interferon (IFN) signaling was transcriptionally downregulated, as measured by significantly decreased mRNA expression ofIRF7,IFNB1, andISG15on stimulation with the TLR7 agonist imiquimod as compared with family members and controls. The production of IFN-γ, a type II IFN, was decreased in patients in response to stimulation with imiquimod. 

Conclusions and Relevance

 In this case series of 4 young male patients with severe COVID-19, rare putative loss-of-function variants of X-chromosomalTLR7were identified that were associated with impaired type I and II IFN responses. These preliminary findings provide insights into the pathogenesis of COVID-19.

Abstract Aims Haematopoietic clones caused by somatic mutations with ≥2% variant allele frequency (VAF), known as clonal haematopoiesis of indeterminate potential (CHIP), increase with age and have been linked to risk of haematological malignancies and cardiovascular disease. Recent observations suggest that smaller clones are also associated with adverse clinical outcomes. Our aims were to determine the prevalence of clonal haematopoiesis driven by clones of variable sizes, and to examine the development of clones over time in relation to age and metabolic dysregulation over up to 20 years in individuals with obesity. Methods and Results We used an ultrasensitive single-molecule molecular inversion probe sequencing assay to identify clonal haematopoiesis driver mutations (CHDMs) in blood samples from individuals with obesity from the Swedish Obese Subjects study. In a single-timepoint dataset with samples from 1050 individuals, we identified 273 candidate CHDMs in 216 individuals, with VAF ranging from 0.01% to 31.15% and CHDM prevalence and clone sizes increasing with age. Longitudinal analysis over 20 years in CHDM-positive samples from 40 individuals showed that small clones can grow over time and become CHIP. VAF increased on average by 7% (range -4% to 27%) per year. Rate of clone growth was positively associated with insulin resistance (R=0.40, P=0.025) and low circulating levels of high-density lipoprotein-cholesterol (HDL-C) (R=-0.68, P=1.74E -05 ). Conclusion Our results show that haematopoietic clones can be detected and monitored before they become CHIP and indicate that insulin resistance and low HDL-C, well-established cardiovascular risk factors, are associated with clonal expansion in individuals with obesity. Translational perspectives Clonal haematopoiesis-driver mutations are somatic mutations in haematopoietic stem cells that lead to clones detectable in peripheral blood. Haematopoietic clones with a variant allele frequency (VAF) ≥2%, known as clonal haematopoiesis of indeterminate potential (CHIP), are recognized as an independent cardiovascular risk factor. Here, we show that smaller clones are prevalent, and also correlate with age. Our longitudinal observations in individuals with obesity over 20 years showed that more than half of all clone-positive individuals show growing clones and clones with VAF <2% can grow and become CHIP. Importantly, clone growth was accelerated in individuals with insulin resistance and low high-density lipoprotein-cholesterol (HDL-C). Translational outlook 1: Haematopoietic clones can be detected and monitored before they become CHIP. Translational outlook 2: The association between insulin resistance and low HDL-C with growth of haematopoietic clones opens the possibility that treatments improving metabolism, such as weight loss, may reduce growth of clones and thereby cardiovascular risk. One Sentence Summary In obesity, the growth rate of mutation-driven haematopoietic clones increased with insulin resistance and low HDL-C, both known risk factors for cardiovascular disease.

Interleukin(IL)-1 signaling is of major importance in human innate cytokine responses. Common variants in related genes have been linked to various inflammation-mediated diseases and stimulation-induced cytokine responses, but the role of rare variants remains to be elucidated.In this study, we characterize the role of rare and common genetic variation, as identified by molecular inversion probe-based sequencing, in 48 genes related to the IL-1 pathway. We examined the inter-individual variability in in vitro stimulation-specific human cytokine responses from 463 healthy individuals of the Human Functional Genomics Project and assessed the role of rare and common genetic variants, separately and combined, by means of the Sequence Kernel Association Test.We identified strong associations for rare genetic variants in NCF4 (adjP=7.2E−05) and CASP1 (adjP=3.0E−05) with IL-6 production in response to PHA and LPS stimulation, respectively. In addition, common variants in IL36A and IL38 were associated to both C. albicans -induced IL-1β ( IL36A adjP=0.0442; IL38 adjP=0.0092) and IL-6 production ( IL36A adjP=0.0037; IL38 adjP=0.0082), an effect that was stronger at the subpathway level both for IL-1β (adjP=0.0017) and IL-6 (adjP=1.8E−04). The common variant signature for the IL-1β and IL-6 response to C. albicans was confirmed by an association with all anti-inflammatory genes (adjP=1.87E−03 and adjP=5.75E−04), and we validated this finding for non-coding common variants. Lastly, we identified a burden of rare variants in pro-inflammatory genes and LPS-induced IL-6 production (adjP=2.42E−04), and a new role for anti-inflammatory rare variants on S. aureus -stimulated IL-6 production (adjP=6.71E−03).In conclusion, we show that both common and rare genetic variation in genes of the IL-1 pathway, separately and combined, differentially influence in vitro cytokine responses to various stimuli in healthy individuals. This study therefore provides insight into potential mechanisms that are translatable into new hypothesis-driven characterization of common and rare variant involvement in a wide variety of inflammatory and immunological mechanisms and diseases.