Neither the disease mechanism nor treatments for COVID-19 are currently known. Here, we present a novel molecular mechanism for COVID-19 that provides therapeutic intervention points that can be addressed with existing FDA-approved pharmaceuticals. The entry point for the virus is ACE2, which is a component of the counteracting hypotensive axis of RAS. Bradykinin is a potent part of the vasopressor system that induces hypotension and vasodilation and is degraded by ACE and enhanced by the angiotensin1-9 produced by ACE2. Here, we perform a new analysis on gene expression data from cells in bronchoalveolar lavage fluid (BALF) from COVID-19 patients that were used to sequence the virus. Comparison with BALF from controls identifies a critical imbalance in RAS represented by decreased expression of ACE in combination with increases in ACE2, renin, angiotensin, key RAS receptors, kinogen and many kallikrein enzymes that activate it, and both bradykinin receptors. This very atypical pattern of the RAS is predicted to elevate bradykinin levels in multiple tissues and systems that will likely cause increases in vascular dilation, vascular permeability and hypotension. These bradykinin-driven outcomes explain many of the symptoms being observed in COVID-19.In late 2019, a new virus named SARS-CoV-2, which causes a disease in humans called COVID-19, emerged in China and quickly spread around the world. Many individuals infected with the virus develop only mild, symptoms including a cough, high temperature and loss of sense of smell; while others may develop no symptoms at all. However, some individuals develop much more severe, life-threatening symptoms affecting the lungs and other parts of the body including the heart and brain. SARS-CoV-2 uses a human enzyme called ACE2 like a ‘Trojan Horse’ to sneak into the cells of its host. ACE2 lowers blood pressure in the human body and works against another enzyme known as ACE (which has the opposite effect). Therefore, the body has to balance the levels of ACE and ACE2 to maintain a normal blood pressure. It remains unclear whether SARS-CoV-2 affects how ACE2 and ACE work. When COVID-19 first emerged, a team of researchers in China studied fluid and cells collected from the lungs of patients to help them identify the SARS-CoV-2 virus. Here, Garvin et al. analyzed the data collected in the previous work to investigate whether changes in how the body regulates blood pressure may contribute to the life-threatening symptoms of COVID-19. The analyses found that SARS-CoV-2 caused the levels of ACE in the lung cells to decrease, while the levels of ACE2 increased. This in turn increased the levels of a molecule known as bradykinin in the cells (referred to as a ‘Bradykinin Storm’). . Previous studies have shown that bradykinin induces pain and causes blood vessels to expand and become leaky which will lead to swelling and inflammation of the surrounding tissue. In addition, the analyses found that production of a substance called hyaluronic acid was increased and the enzymes that could degrade it greatly decreased. Hyaluronic acid can absorb more than 1,000 times its own weight in water to form a hydrogel. The Bradykinin-Storm-induced leakage of fluid into the lungs combined with the excess hyaluronic acid would likely result in a Jello-like substance that is preventing oxygen uptake and carbon dioxide release in the lungs of severely affected COVID-19 patients. Therefore, the findings of Garvin et al. suggest that the Bradykinin Storm may be responsible for the more severe symptoms of COVID-19. Further experiments identified several existing medicinal drugs that have the potential to be re-purposed to treat the Bradykinin Storm. A possible next step would be to carry out clinical trials to assess how effective these drugs are in treating patients with COVID-19. In addition, understanding how SARS-Cov-2 affects the body will help researchers and clinicians identify individuals who are most at risk of developing life-threatening symptoms.

Abstract The SARS-CoV-2 pandemic recently entered an alarming new phase with the emergence of the variants of concern (VOC) and understanding their biology is paramount to predicting future ones. Current efforts mainly focus on mutations in the spike glycoprotein (S), but changes in other regions of the viral proteome are likely key. We analyzed more than 900,000 SARS-CoV-2 genomes with a computational systems biology approach including a haplotype network and protein structural analyses to reveal lineage-defining mutations and their critical functional attributes. Our results indicate that increased transmission is promoted by epistasis, i.e., combinations of mutations in S and other viral proteins. Mutations in the non-S proteins involve immune-antagonism and replication performance, suggesting convergent evolution. Furthermore, adaptive mutations appear in geographically disparate locations, suggesting that either independent, repeat mutation events or recombination among different strains are generating VOC. We demonstrate that recombination is a stronger hypothesis, and may be accelerating the emergence of VOC by bringing together cooperative mutations. This emphasizes the importance of a global response to stop the COVID-19 pandemic.

Abstract Using a Systems Biology approach, we integrated genomic, transcriptomic, proteomic, and molecular structure information to provide a holistic understanding of the COVID-19 pandemic. The expression data analysis of the Renin Angiotensin System indicates mild nasal, oral or throat infections are likely and that the gastrointestinal tissues are a common primary target of SARS-CoV-2. Extreme symptoms in the lower respiratory system likely result from a secondary-infection possibly by a comorbidity-driven upregulation of ACE2 in the lung. The remarkable differences in expression of other RAS elements, the elimination of macrophages and the activation of cytokines in COVID-19 bronchoalveolar samples suggest that a functional immune deficiency is a critical outcome of COVID-19. We posit that using a non-respiratory system as a major pathway of infection is likely determining the unprecedented global spread of this coronavirus. One Sentence Summary A Systems Approach Indicates Non-respiratory Pathways of Infection as Key for the COVID-19 Pandemic

Abstract Field pennycress ( Thlaspi arvense ) is a new biofuel winter annual crop with extreme cold hardiness and a short life cycle, enabling off-season integration into corn and soybean rotations across the Midwest. Pennycress fields are susceptible to winter snow melt and spring rainfall, leading to waterlogged soils. The objective of this research was to determine if waterlogging during the reproductive stage had a significant effect on gene expression, morphology, physiology, recovery, and yield of two pennycress lines (SP32-10 and MN106). In a controlled environment, total pod number, shoot/root dry weight, and total seed count/weight were significantly reduced in SP32-10 in response to waterlogging, whereas primary branch number, shoot dry weight, and single seed weight were significantly reduced in MN106. This indicated waterlogging had a greater negative impact on seed yield in SP32-10 than MN106. The number of differentially expressed genes (DEGs) between waterlogged and control roots were doubled in MN106 (3,424) compared to SP32-10 (1,767). Functional enrichment analysis of upregulated DEGs revealed Gene Ontology (GO) terms associated with hypoxia and decreased oxygen, with genes in these categories involved in alcoholic fermentation and glycolysis. Interestingly, MN106 waterlogged roots exhibited significant stronger upregulation of these genes than SP32-10. Additionally, downregulated DEGs revealed GO terms associated with cell wall biogenesis and secondary metabolite biogenesis, indicating suppressed growth and energy conservation. Together, these results reveal the reconfiguration of cellular and metabolic processes in response to the severe energy crisis invoked by waterlogging in pennycress.

ABSTRACT TGA transcription factors, which bind their target DNA through a conserved basic region leucine zipper (bZIP) domain, are vital regulators of gene expression in salicylic acid (SA)-mediated plant immunity. Here, we investigate the role of StTGA2.1, a potato TGA lacking the full bZIP, which we name a mini-TGA. Such truncated proteins have been widely assigned as loss-of-function mutants. We, however, confirm that StTGA2.1 overexpression compensates for SA-deficiency. To understand the underlying mechanisms, we show that StTGA2.1 can physically interact with StTGA2.2 and StTGA2.3, while its interaction with DNA was not detected. We investigate the changes in transcriptional regulation due to StTGA2.1 overexpression, identifying direct and indirect target genes. Using in planta transactivation assays, we confirm that StTGA2.1 interacts with StTGA2.3 to activate StPRX07 , a member of class III peroxidases, which are known to play role in immune response. Finally, via structural modelling and molecular dynamics simulations, we hypothesise that the compact molecular architecture of StTGA2.1 distorts DNA conformation upon heterodimer binding to enable transcriptional activation. This study demonstrates how protein truncation can lead to novel functions and that such events should be studied carefully in other protein families.

In addition to its essential role in viral polyprotein processing, the SARS-CoV-2 3C-like (3CLpro) protease can cleave human immune signaling proteins, like NF-κB Essential Modulator (NEMO) and deregulate the host immune response. Here, in vitro assays show that SARS-CoV-2 3CLpro cleaves NEMO with fine-tuned efficiency. Analysis of the 2.14 Å resolution crystal structure of 3CLpro C145S bound to NEMO 226-235 reveals subsites that tolerate a range of viral and host substrates through main chain hydrogen bonds while also enforcing specificity using side chain hydrogen bonds and hydrophobic contacts. Machine learning- and physics-based computational methods predict that variation in key binding residues of 3CLpro- NEMO helps explain the high fitness of SARS-CoV-2 in humans. We posit that cleavage of NEMO is an important piece of information to be accounted for in the pathology of COVID-19.

Abstract CRISPR-Cas9 tools have transformed genetic manipulation capabilities in the laboratory. Empirical rules-of-thumb have been established for only a narrow range of model organisms, and mechanistic underpinnings for sgRNA efficiency remain poorly understood. This work establishes a novel feature set and new public resource, produced with quantum chemical tensors, for interpreting and predicting sgRNA efficiency. Feature engineering for sgRNA efficiency is performed using an explainable-artificial intelligence model; iterative Random Forest (iRF). By encoding quantitative attributes of position-specific sequences for E. coli sgRNAs, we identify important traits for sgRNA design in bacterial species. Additionally, we show that expanding positional encoding to quantum descriptors of base-pair, dimer, trimer and tetramer sequences captures intricate interactions in local and neighboring nucleotides of the target DNA. These features highlight variation in CRISPR-Cas9 sgRNA dynamics between E. coli and H. sapien genomes. These novel encodings of sgRNAs greatly enhance our understanding of the elaborate quantum biological processes involved in CRISPR-Cas9 machinery.