The global coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), has led to unprecedented social and economic consequences. The risk of morbidity and mortality due to COVID-19 increases dramatically in the presence of coexisting medical conditions, while the underlying mechanisms remain unclear. Furthermore, there are no approved therapies for COVID-19. This study aims to identify SARS-CoV-2 pathogenesis, disease manifestations, and COVID-19 therapies using network medicine methodologies along with clinical and multi-omics observations. We incorporate SARS-CoV-2 virus–host protein–protein interactions, transcriptomics, and proteomics into the human interactome. Network proximity measurement revealed underlying pathogenesis for broad COVID-19-associated disease manifestations. Analyses of single-cell RNA sequencing data show that co-expression of ACE2 and TMPRSS2 is elevated in absorptive enterocytes from the inflamed ileal tissues of Crohn disease patients compared to uninflamed tissues, revealing shared pathobiology between COVID-19 and inflammatory bowel disease. Integrative analyses of metabolomics and transcriptomics (bulk and single-cell) data from asthma patients indicate that COVID-19 shares an intermediate inflammatory molecular profile with asthma (including IRAK3 and ADRB2 ). To prioritize potential treatments, we combined network-based prediction and a propensity score (PS) matching observational study of 26,779 individuals from a COVID-19 registry. We identified that melatonin usage (odds ratio [OR] = 0.72, 95% CI 0.56–0.91) is significantly associated with a 28% reduced likelihood of a positive laboratory test result for SARS-CoV-2 confirmed by reverse transcription–polymerase chain reaction assay. Using a PS matching user active comparator design, we determined that melatonin usage was associated with a reduced likelihood of SARS-CoV-2 positive test result compared to use of angiotensin II receptor blockers (OR = 0.70, 95% CI 0.54–0.92) or angiotensin-converting enzyme inhibitors (OR = 0.69, 95% CI 0.52–0.90). Importantly, melatonin usage (OR = 0.48, 95% CI 0.31–0.75) is associated with a 52% reduced likelihood of a positive laboratory test result for SARS-CoV-2 in African Americans after adjusting for age, sex, race, smoking history, and various disease comorbidities using PS matching. In summary, this study presents an integrative network medicine platform for predicting disease manifestations associated with COVID-19 and identifying melatonin for potential prevention and treatment of COVID-19.

Abstract Background Dementia-like cognitive impairment is an increasingly reported complication of SARS-CoV-2 infection. However, the underlying mechanisms responsible for this complication remain unclear. A better understanding of causative processes by which COVID-19 may lead to cognitive impairment is essential for developing preventive interventions. Methods In this study, we conducted a network-based, multimodal genomics comparison of COVID-19 and neurologic complications. We constructed the SARS-CoV-2 virus-host interactome from protein-protein interaction assay and CRISPR-Cas9 based genetic assay results, and compared network-based relationships therein with those of known neurological manifestations using network proximity measures. We also investigated the transcriptomic profiles (including single-cell/nuclei RNA-sequencing) of Alzheimer’s disease (AD) marker genes from patients infected with COVID-19, as well as the prevalence of SARS-CoV-2 entry factors in the brains of AD patients not infected with SARS-CoV-2. Results We found significant network-based relationships between COVID-19 and neuroinflammation and brain microvascular injury pathways and processes which are implicated in AD. We also detected aberrant expression of AD biomarkers in the cerebrospinal fluid and blood of patients with COVID-19. While transcriptomic analyses showed relatively low expression of SARS-CoV-2 entry factors in human brain, neuroinflammatory changes were pronounced. In addition, single-nucleus transcriptomic analyses showed that expression of SARS-CoV-2 host factors ( BSG and FURIN ) and antiviral defense genes ( LY6E , IFITM2 , IFITM3 , and IFNAR1 ) was significantly elevated in brain endothelial cells of AD patients and healthy controls relative to neurons and other cell types, suggesting a possible role for brain microvascular injury in COVID-19-mediated cognitive impairment. Notably, individuals with the AD risk allele APOE E4/E4 displayed reduced levels of antiviral defense genes compared to APOE E3/E3 individuals. Conclusion Our results suggest significant mechanistic overlap between AD and COVID-19, strongly centered on neuroinflammation and microvascular injury. These results help improve our understanding of COVID-19-associated neurological manifestations and provide guidance for future development of preventive or treatment interventions.

Abstract Sex differences in the risk of SARS-CoV-2 infection have been controversial and the underlying mechanisms of COVID-19 sexual dimorphism remain understudied. Here we inspected sex differences in SARS-CoV-2 positivity, hospitalization, admission to the intensive care unit (ICU), sera immune profiling, and two single-cell RNA-sequencing (snRNA-seq) profiles from nasal tissues and peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) of COVID-19 patients with varying degrees of disease severity. Our propensity score-matching observations revealed that male individuals have a 29% increased likelihood of SARS-CoV-2 positivity, with a hazard ration (HR) 1.32 (95% confidence interval [CI] 1.18-1.48) for hospitalization and HR 1.51 (95% CI 1.24-1.84) for admission to ICU. Sera from male patients at hospital admission had decreased lymphocyte count and elevated inflammatory markers (C-reactive protein, procalcitonin, and neutrophils). We found that SARS-CoV-2 entry factors, including ACE2, TMPRSS2, FURIN and NRP1, have elevated expression in nasal squamous cells from males with moderate and severe COVID-19. Cell-cell network proximity analysis suggests possible epithelium-immune cell interactions and immune vulnerability underlying a higher mortality in males with COVID-19. Monocyte-elevated expression of Toll like receptor 7 (TLR7) and Bruton tyrosine kinase (BTK) is associated with severe outcomes in males with COVID-19. These findings provide basis for understanding immune responses underlying sex differences, and designing sex-specific targeted treatments and patient care for COVID-19.

Abstract Background Haptoglobin (HP) is an antioxidant of apolipoprotein E (APOE), and previous reports have shown HP binds with APOE and amyloid-β (Aβ) to aid its clearance. A common structural variant of the HP gene distinguishes it into two alleles: HP1 and HP2 . Methods HP genotypes were imputed in 29 cohorts from the Alzheimer’s Disease (AD) Genetics Consortium (N=22,651). Associations between the HP polymorphism and AD risk and age of onset through APOE interactions were investigated using regression models. Results The HP polymorphism significantly impacts AD risk and age at onset in European-descent individuals (and in meta-analysis with African Americans) by modifying both the protective effect of APOEε2 and the detrimental effect of APOEε4 , especially for APOEε4 carriers. Discussion The effect modification of APOE by HP suggests adjustment and/or stratification by HP genotype is warranted when APOE risk is considered. Our findings also provided directions for further investigations on potential mechanisms behind this association.

Based on emerging evidence on the role for specific single-nucleotide variants (SNVs) in EIF2AK3 encoding the integrated stress response kinase PERK, in neurodegeneration, we assessed the association of EIF2AK3 SNVs with neurocognitive performance in people with HIV (PWH) using a candidate gene approach. This retrospective study included the CHARTER cohort participants, excluding those with severe neuropsychiatric comorbidities. Genome-wide data previously obtained for 1047 participants and targeted sequencing of 992 participants with available genomic DNA were utilized to interrogate the association of three noncoding and three coding EIF2AK3 SNVs with the continuous global deficit score (GDS) and global neurocognitive impairment (NCI; GDS ≥ 0.5) using univariable and multivariable methods, with demographic, disease-associated, and treatment characteristics as covariates. The cohort characteristics were as follows: median age, 43.1 years; females, 22.8%; European ancestry, 41%; median CD4 + T cell counts, 175/µL (nadir) and 428/µL (current). At first assessment, 70.5% used ART and 68.3% of these had plasma HIV RNA levels ≤ 200 copies/mL. All three noncoding EIF2AK3 SNVs were associated with GDS and NCI (all p < 0.05). Additionally, 30.9%, 30.9%, and 41.2% of participants had at least one risk allele for the coding SNVs rs1805165 (G), rs867529 (G), and rs13045 (A), respectively. Homozygosity for all three coding SNVs was associated with significantly worse GDS (p < 0.001) and more NCI (p < 0.001). By multivariable analysis, the rs13045 A risk allele, current ART use, and Beck Depression Inventory-II value > 13 were independently associated with GDS and NCI (p < 0.001) whereas the other two coding SNVs did not significantly correlate with GDS or NCI after including rs13045 in the model. The coding EIF2AK3 SNVs were associated with worse performance in executive functioning, motor functioning, learning, and verbal fluency. Coding and non-coding SNVs of EIF2AK3 were associated with global NC and domain-specific performance. The effects were small-to-medium in size but present in multivariable analyses, raising the possibility of specific SNVs in EIF2AK3 as an important component of genetic vulnerability to neurocognitive complications in PWH.