During several months of 2003, a newly identified illness termed severe acute respiratory syndrome (SARS) spread rapidly through the world1,2,3. A new coronavirus (SARS-CoV) was identified as the SARS pathogen4,5,6,7, which triggered severe pneumonia and acute, often lethal, lung failure8. Moreover, among infected individuals influenza such as the Spanish flu9,10 and the emergence of new respiratory disease viruses11,12 have caused high lethality resulting from acute lung failure13. In cell lines, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) has been identified as a potential SARS-CoV receptor14. The high lethality of SARS-CoV infections, its enormous economic and social impact, fears of renewed outbreaks as well as the potential misuse of such viruses as biologic weapons make it paramount to understand the pathogenesis of SARS-CoV. Here we provide the first genetic proof that ACE2 is a crucial SARS-CoV receptor in vivo. SARS-CoV infections and the Spike protein of the SARS-CoV reduce ACE2 expression. Notably, injection of SARS-CoV Spike into mice worsens acute lung failure in vivo that can be attenuated by blocking the renin-angiotensin pathway. These results provide a molecular explanation why SARS-CoV infections cause severe and often lethal lung failure and suggest a rational therapy for SARS and possibly other respiratory disease viruses.

Multiple lung pathogens such as chemical agents, H5N1 avian flu, or SARS cause high lethality due to acute respiratory distress syndrome. Here we report that Toll-like receptor 4 (TLR4) mutant mice display natural resistance to acid-induced acute lung injury (ALI). We show that TLR4-TRIF-TRAF6 signaling is a key disease pathway that controls the severity of ALI. The oxidized phospholipid (OxPL) OxPAPC was identified to induce lung injury and cytokine production by lung macrophages via TLR4-TRIF. We observed OxPL production in the lungs of humans and animals infected with SARS, Anthrax, or H5N1. Pulmonary challenge with an inactivated H5N1 avian influenza virus rapidly induces ALI and OxPL formation in mice. Loss of TLR4 or TRIF expression protects mice from H5N1-induced ALI. Moreover, deletion of ncf1, which controls ROS production, improves the severity of H5N1-mediated ALI. Our data identify oxidative stress and innate immunity as key lung injury pathways that control the severity of ALI.

Mutations in angiotensin-converting enzyme 2 are shown to predispose mice to colitis as a consequence of neutral amino acid malabsorption and a change in the resident microbiota; these results could explain how protein malnutrition — affecting up to one billion people — leads to intestinal inflammation. Malnutrition affects many millions of people in the developing world and remains a problem in wealthy nations, especially for disadvantaged groups. In many cases, it is the associated diarrhoea and intestinal inflammation that cause morbidity and death. A study published in this issue presents a molecular explanation for the increased susceptibility to intestinal inflammation in malnutrition. Angiotensin converting enzyme 2 (ACE2), which has a central role in blood-pressure regulation and has been implicated in diabetes, heart failure and viral infection, is shown to influence dietary amino-acid homeostasis, innate immunity, gut microbial ecology and susceptibility to colitis. Mice deficient in this enzyme show impaired tryptophan metabolism and develop colitis, which is alleviated by dietary tryptophan and its metabolite, nicotinamide. This surprising result explains nutritional effects that have been known for centuries and provides a molecular link between malnutrition and the intestinal microbiome. Malnutrition affects up to one billion people in the world and is a major cause of mortality1,2. In many cases, malnutrition is associated with diarrhoea and intestinal inflammation, further contributing to morbidity and death2. The mechanisms by which unbalanced dietary nutrients affect intestinal homeostasis are largely unknown. Here we report that deficiency in murine angiotensin I converting enzyme (peptidyl-dipeptidase A) 2 (Ace2), which encodes a key regulatory enzyme of the renin-angiotensin system (RAS), results in highly increased susceptibility to intestinal inflammation induced by epithelial damage. The RAS is known to be involved in acute lung failure3, cardiovascular functions4 and SARS infections5. Mechanistically, ACE2 has a RAS-independent function, regulating intestinal amino acid homeostasis, expression of antimicrobial peptides, and the ecology of the gut microbiome. Transplantation of the altered microbiota from Ace2 mutant mice into germ-free wild-type hosts was able to transmit the increased propensity to develop severe colitis. ACE2-dependent changes in epithelial immunity and the gut microbiota can be directly regulated by the dietary amino acid tryptophan. Our results identify ACE2 as a key regulator of dietary amino acid homeostasis, innate immunity, gut microbial ecology, and transmissible susceptibility to colitis. These results provide a molecular explanation for how amino acid malnutrition can cause intestinal inflammation and diarrhoea.

Influenza A viruses are a major cause of mortality. Given the potential for future lethal pandemics, effective drugs are needed for the treatment of severe influenza such as that caused by H5N1 viruses. Using mediator lipidomics and bioactive lipid screen, we report that the omega-3 polyunsaturated fatty acid (PUFA)-derived lipid mediator protectin D1 (PD1) markedly attenuated influenza virus replication via RNA export machinery. Production of PD1 was suppressed during severe influenza and PD1 levels inversely correlated with the pathogenicity of H5N1 viruses. Suppression of PD1 was genetically mapped to 12/15-lipoxygenase activity. Importantly, PD1 treatment improved the survival and pathology of severe influenza in mice, even under conditions where known antiviral drugs fail to protect from death. These results identify the endogenous lipid mediator PD1 as an innate suppressor of influenza virus replication that protects against lethal influenza virus infection.

Patients who developed acute respiratory distress syndrome (ARDS) after infection with severe respiratory viruses (e.g., severe acute respiratory syndrome-coronavirus, H5N1 avian influenza virus), exhibited unusually high levels of CXCL10, which belongs to the non-ELR (glutamic-leucine-arginine) CXC chemokine superfamily. CXCL10 may not be a bystander to the severe virus infection but may directly contribute to the pathogenesis of neutrophil-mediated, excessive pulmonary inflammation.We investigated the contribution of CXCL10 and its receptor CXCR3 axis to the pathogenesis of ARDS with nonviral and viral origins.We induced nonviral ARDS by acid aspiration and viral ARDS by intratracheal influenza virus infection in wild-type mice and mice deficient in CXCL10, CXCR3, IFNAR1 (IFN-α/β receptor 1), or TIR domain-containing adaptor inducing IFN-β (TRIF).We found that the mice lacking CXCL10 or CXCR3 demonstrated improved severity and survival of nonviral and viral ARDS, whereas mice that lack IFNAR1 did not control the severity of ARDS in vivo. The increased levels of CXCL10 in lungs with ARDS originate to a large extent from infiltrated pulmonary neutrophils, which express a unique CXCR3 receptor via TRIF. CXCL10-CXCR3 acts in an autocrine fashion on the oxidative burst and chemotaxis in the inflamed neutrophils, leading to fulminant pulmonary inflammation.CXCL10-CXCR3 signaling appears to be a critical factor for the exacerbation of the pathology of ARDS. Thus, the CXCL10-CXCR3 axis could represent a prime therapeutic target in the treatment of the acute phase of ARDS of nonviral and viral origins.

Acute lung injury (ALI) is caused by a variety of illnesses, including aspiration pneumonia and sepsis. The CCR4-NOT complex is a large multimeric protein complex that degrades mRNA through poly(A) tail shortening, whereas it also contributes to regulation of transcription and translation. Cnot3 is a scaffold component of the CCR4-NOT complex and is essential for the integrity of the complex; loss of Cnot3 leads to depletion of whole complex. While the significance of cytokine mRNA degradation in limiting inflammation has been established, the roles of CCR4-NOT complex-mediated in ALI remain elusive.