Rationale: Airway remodeling in asthma is associated with the accumulation of fibroblasts, the primary cell responsible for synthesis and secretion of extracellular matrix proteins. The process by which the number of fibroblasts increases in asthma is poorly understood, but epithelial–mesenchymal transition (EMT) may play a significant role.Objectives: To evaluate whether EMT occurs in primary airway epithelial cells (AECs), the mechanisms involved, and if this process is altered in asthmatic AECs.Methods: AECs were obtained from subjects with asthma (n = 8) and normal subjects without asthma (n = 10). Monolayer and air–liquid interface-AEC (ALI-AEC) cultures were treated with transforming growth factor (TGF)-β1 (10 ng/ml) for 72 hours and assayed for mesenchymal and epithelial markers using quantitative polymerase chain reaction, confocal microscopy, and immunoblot. The involvement of BMP-7, Smad3, and MAPK-mediated signaling were also evaluated.Measurements and Main Results: TGF-β1–induced EMT in AEC monolayers derived from subjects with asthma and normal donors. EMT was characterized by changes in cell morphology, increased expression of mesenchymal markers EDA-fibronectin, vimentin, α-smooth muscle actin, and collagen-1, and loss of epithelial markers E-cadherin and zonular occludin-1. Inhibition of TGF-β1–induced signaling with Smad3-inhibiting siRNA or TGF-β1–neutralizing antibodies prevented and reversed EMT, respectively, whereas BMP-7 had no effect. In ALI-AEC cultures derived from normal subjects, EMT was confined to basally situated cells, whereas in asthmatic ALI-AEC cultures EMT was widespread throughout the epithelium.Conclusions: TGF-β1 induces EMT in a Smad3-dependent manner in primary AECs. However, in asthmatic-derived ALI-AEC cultures, the number of cells undergoing EMT is greater. These findings support the hypothesis that epithelial repair in asthmatic airways is dysregulated.

Genome-wide association studies (GWAS) have identified loci reproducibly associated with pulmonary diseases; however, the molecular mechanism underlying these associations are largely unknown. The objectives of this study were to discover genetic variants affecting gene expression in human lung tissue, to refine susceptibility loci for asthma identified in GWAS studies, and to use the genetics of gene expression and network analyses to find key molecular drivers of asthma. We performed a genome-wide search for expression quantitative trait loci (eQTL) in 1,111 human lung samples. The lung eQTL dataset was then used to inform asthma genetic studies reported in the literature. The top ranked lung eQTLs were integrated with the GWAS on asthma reported by the GABRIEL consortium to generate a Bayesian gene expression network for discovery of novel molecular pathways underpinning asthma. We detected 17,178 cis- and 593 trans- lung eQTLs, which can be used to explore the functional consequences of loci associated with lung diseases and traits. Some strong eQTLs are also asthma susceptibility loci. For example, rs3859192 on chr17q21 is robustly associated with the mRNA levels of GSDMA (P = 3.55 × 10(-151)). The genetic-gene expression network identified the SOCS3 pathway as one of the key drivers of asthma. The eQTLs and gene networks identified in this study are powerful tools for elucidating the causal mechanisms underlying pulmonary disease. This data resource offers much-needed support to pinpoint the causal genes and characterize the molecular function of gene variants associated with lung diseases.

Lung fibroblasts play a central role in maintaining lung homeostasis and facilitating repair through the synthesis and organization of the extracellular matrix (ECM). This study investigated the cross-talk between interleukin-1 alpha (IL-1α) and transforming growth factor-β (TGF-β) signaling, two key regulators in tissue repair and fibrosis, in the context of lung fibroblast repair in the healthy lung.

Abstract Rationale People with pre-existing lung diseases like chronic obstructive pulmonary disease (COPD) are more likely to get very sick from SARS-CoV-2 disease 2019 (COVID-19), but an interrogation of the immune response to COVID-19 infection, spatial throughout the lung structure is lacking in patients with COPD. Objectives To profile the immune microenvironment of lung parenchyma, airways, and vessels of never- and ever-smokers with or without COPD, whom all died of COVID-19, using spatial transcriptomic and proteomic profiling. Findings The parenchyma, airways, and vessels of COPD patients, compared to control lungs had: 1) significant enrichment for lung resident CD45RO + memory T cells; 2) downregulation of genes associated with T cell antigen-priming and memory T cell differentiation; 3) higher expression of proteins associated with SARS-CoV-2 entry and major receptor ubiquitously across the ROIs and in particular the lung parenchyma, despite similar SARS-CoV-2 structural gene expression levels. Conclusions The lung parenchyma, airways, and vessels of COPD patients have increased T-lymphocytes with a blunted memory T cell response and a more invasive SARS-CoV-2 infection pattern, and may underlie the higher death toll observed with COVID-19.

Epidemiological studies have shown that female smokers are at higher risk of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Female patients have worse symptoms and health status and increased risk of exacerbations. We determined the differences in the transcriptome of the airway epithelium between males and females at baseline and in response to smoking. We processed public gene expression data of human airway epithelium into a discovery cohort of 211 subjects (never smokers n=68; current smokers n=143) and two replication cohorts of 104 subjects (21 never, 52 current, and 31 former smokers) and 238 subjects (99 current and 139 former smokers. We analyzed gene differential expression with smoking status, sex, and smoking-by-sex interaction and used network approaches for modules' level analyses. We identified and replicated two differentially expressed modules between the sexes in response to smoking with genes located throughout the autosomes and not restricted to sex chromosomes. The two modules were enriched in autophagy (up-regulated in female smokers) and response to virus and type 1 interferon signaling pathways which were down-regulated in female smokers compared to males. The results offer insights into the molecular mechanisms of the sexually dimorphic COPD risk and presentation potentially enabling a precision medicine approach to COPD.