Critically ill COVID-19 patients infected with SARS-CoV-2 display signs of generalized hyperinflammation. Macrophages trigger inflammation to eliminate pathogens and repair tissue, but this process can also lead to hyperinflammation and resulting exaggerated disease. The role of macrophages in dysregulated inflammation during SARS-CoV-2 infection is poorly understood. We used SARS-CoV-2 infected and glycosylated soluble SARS-CoV-2 Spike S1 subunit (S1) treated THP-1 human-derived macrophage-like cell line to clarify the role of macrophages in pro-inflammatory responses. Soluble S1 upregulated TNF-α and CXCL10 mRNAs, and induced secretion of TNF-α from THP-1 macrophages. While THP-1 macrophages did not support productive SARS-CoV-2 replication, virus infection resulted in upregulation of both TNF-α and CXCL10 genes. Our study shows that S1 is a key viral component inducing inflammatory response in macrophages, independently of virus replication. Thus, virus-infected or soluble S1-activated macrophages may become sources of pro-inflammatory mediators contributing to hyperinflammation in COVID-19 patients.

Abstract Type-I interferons (IFN) are key antiviral factors that induce several cellular proteins with antiviral activity. One such protein is Interferon Stimulated Gene 15 (ISG15). ISG15 is conjugated to proteins during ISGylation to confer antiviral activity. Apart from ISGylation, unconjugated ISG15 is also released from cells during immuno-stimulation and virus infection. The role of extracellular ISG15 during virus infection was unknown. We now show that extracellular ISG15 acts as a soluble antiviral factor to restrict virus infection in human epithelial cells via an IFN-independent mechanism. Additionally, we demonstrated that extracellular ISG15 induces expression of intracellular ISG15 and ISGylation in the absence of IFN. Mechanistic studies revealed that extracellular ISG15 interacts with cell surface integrin (α5β1 integrins) molecules via its RGD-like motif to activate the integrin-FAK (Focal Adhesion Kinase) pathway resulting in IFN-independent ISGylation. Thus, our studies have identified ISG15 protein as a new soluble factor that confers IFN-independent antiviral activity by inducing ISGylation. Additionally, we have unfolded an IFN-independent non-canonical ISGylation by extracellular ISG15 that operates via the integrin-FAK pathway.