There is pressing urgency to understand the pathogenesis of the severe acute respiratory syndrome coronavirus clade 2 (SARS-CoV-2), which causes the disease COVID-19. SARS-CoV-2 spike (S) protein binds angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), and in concert with host proteases, principally transmembrane serine protease 2 (TMPRSS2), promotes cellular entry. The cell subsets targeted by SARS-CoV-2 in host tissues and the factors that regulate ACE2 expression remain unknown. Here, we leverage human, non-human primate, and mouse single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) datasets across health and disease to uncover putative targets of SARS-CoV-2 among tissue-resident cell subsets. We identify ACE2 and TMPRSS2 co-expressing cells within lung type II pneumocytes, ileal absorptive enterocytes, and nasal goblet secretory cells. Strikingly, we discovered that ACE2 is a human interferon-stimulated gene (ISG) in vitro using airway epithelial cells and extend our findings to in vivo viral infections. Our data suggest that SARS-CoV-2 could exploit species-specific interferon-driven upregulation of ACE2, a tissue-protective mediator during lung injury, to enhance infection.

Transforming growth factor β (TGF β) family members are secreted in inactive complexes with a latency-associated peptide (LAP), a protein derived from the N-terminal region of the TGF β gene product. Extracellular activation of these complexes is a critical but incompletely understood step in regulation of TGF β function in vivo. We show that TGF β 1 LAP is a ligand for the integrin α vβ 6 and that α vβ 6-expressing cells induce spatially restricted activation of TGF β 1. This finding explains why mice lacking this integrin develop exaggerated inflammation and, as we show, are protected from pulmonary fibrosis. These data identify a novel mechanism for locally regulating TGF β 1 function in vivo by regulating expression of the α vβ 6 integrin.

Human lung single-cell atlas reveals the complexity and diversity of aberrant cellular populations in pulmonary fibrosis.

Uncontrolled extracellular matrix production by fibroblasts in response to tissue injury contributes to fibrotic diseases, such as idiopathic pulmonary fibrosis (IPF), a progressive and ultimately fatal process that currently has no cure. Although dysregulation of miRNAs is known to be involved in a variety of pathophysiologic processes, the role of miRNAs in fibrotic lung diseases is unclear. In this study, we found up-regulation of miR-21 in the lungs of mice with bleomycin-induced fibrosis and also in the lungs of patients with IPF. Increased miR-21 expression was primarily localized to myofibroblasts. Administration of miR-21 antisense probes diminished the severity of experimental lung fibrosis in mice, even when treatment was started 5–7 d after initiation of pulmonary injury. TGF-β1, a central pathological mediator of fibrotic diseases, enhanced miR-21 expression in primary pulmonary fibroblasts. Increasing miR-21 levels promoted, whereas knocking down miR-21 attenuated, the pro-fibrogenic activity of TGF-β1 in fibroblasts. A potential mechanism for the role of miR-21 in fibrosis is through regulating the expression of an inhibitory Smad, Smad7. These experiments demonstrate an important role for miR-21 in fibrotic lung diseases and also suggest a novel approach using miRNA therapeutics in treating clinically refractory fibrotic diseases, such as IPF.

Abstract Mesenchymal stem cells (MSCs) and macrophages are fundamental components of the stem cell niche and function coordinately to regulate haematopoietic stem cell self-renewal and mobilization. Recent studies indicate that mitophagy and healthy mitochondrial function are critical to the survival of stem cells, but how these processes are regulated in MSCs is unknown. Here we show that MSCs manage intracellular oxidative stress by targeting depolarized mitochondria to the plasma membrane via arrestin domain-containing protein 1-mediated microvesicles. The vesicles are then engulfed and re-utilized via a process involving fusion by macrophages, resulting in enhanced bioenergetics. Furthermore, we show that MSCs simultaneously shed micro RNA-containing exosomes that inhibit macrophage activation by suppressing Toll-like receptor signalling, thereby de-sensitizing macrophages to the ingested mitochondria. Collectively, these studies mechanistically link mitophagy and MSC survival with macrophage function, thereby providing a physiologically relevant context for the innate immunomodulatory activity of MSCs.

Pulmonary fibrosis is a progressive and largely untreatable group of disorders that affects up to 100,000 people on any given day in the United States. To elucidate the molecular mechanisms that lead to end-stage human pulmonary fibrosis we analyzed samples from patients with histologically proven pulmonary fibrosis (usual interstitial pneumonia) by using oligonucleotide microarrays. Gene expression patterns clearly distinguished normal from fibrotic lungs. Many of the genes that were significantly increased in fibrotic lungs encoded proteins associated with extracellular matrix formation and degradation and proteins expressed in smooth muscle. Using a combined set of scoring systems we determined that matrilysin (matrix metalloproteinase 7), a metalloprotease not previously associated with pulmonary fibrosis, was the most informative increased gene in our data set. Immunohistochemisry demonstrated increased expression of matrilysin protein in fibrotic lungs. Furthermore, matrilysin knockout mice were dramatically protected from pulmonary fibrosis in response to intratracheal bleomycin. Our results identify matrilysin as a mediator of pulmonary fibrosis and a potential therapeutic target. They also illustrate the power of global gene expression analysis of human tissue samples to identify molecular pathways involved in clinical disease.

Background Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a devastating disease that probably involves several genetic loci. Several rare genetic variants and one common single nucleotide polymorphism (SNP) of MUC5B have been associated with the disease. Our aim was to identify additional common variants associated with susceptibility and ultimately mortality in IPF. Methods First, we did a three-stage genome-wide association study (GWAS): stage one was a discovery GWAS; and stages two and three were independent case-control studies. DNA samples from European-American patients with IPF meeting standard criteria were obtained from several US centres for each stage. Data for European-American control individuals for stage one were gathered from the database of genotypes and phenotypes; additional control individuals were recruited at the University of Pittsburgh to increase the number. For controls in stages two and three, we gathered data for additional sex-matched European-American control individuals who had been recruited in another study. DNA samples from patients and from control individuals were genotyped to identify SNPs associated with IPF. SNPs identified in stage one were carried forward to stage two, and those that achieved genome-wide significance (p<5 × 10−8) in a meta-analysis were carried forward to stage three. Three case series with follow-up data were selected from stages one and two of the GWAS using samples with follow-up data. Mortality analyses were done in these case series to assess the SNPs associated with IPF that had achieved genome-wide significance in the meta-analysis of stages one and two. Finally, we obtained gene-expression profiling data for lungs of patients with IPF from the Lung Genomics Research Consortium and analysed correlation with SNP genotypes. Findings In stage one of the GWAS (542 patients with IPF, 542 control individuals matched one-by-one to cases by genetic ancestry estimates), we identified 20 loci. Six SNPs reached genome-wide significance in stage two (544 patients, 687 control individuals): three TOLLIP SNPs (rs111521887, rs5743894, rs5743890) and one MUC5B SNP (rs35705950) at 11p15.5; one MDGA2 SNP (rs7144383) at 14q21.3; and one SPPL2C SNP (rs17690703) at 17q21.31. Stage three (324 patients, 702 control individuals) confirmed the associations for all these SNPs, except for rs7144383. Linkage disequilibrium between the MUC5B SNP (rs35705950) and TOLLIP SNPs (rs111521887 [r2=0·07], rs5743894 [r2=0·16], and rs5743890 [r2=0·01]) was low. 683 patients from the GWAS were included in the mortality analysis. Individuals who developed IPF despite having the protective TOLLIP minor allele of rs5743890 carried an increased mortality risk (meta-analysis with fixed-effect model: hazard ratio 1·72 [95% CI 1·24–2·38]; p=0·0012). TOLLIP expression was decreased by 20% in individuals carrying the minor allele of rs5743890 (p=0·097), 40% in those with the minor allele of rs111521887 (p=3·0 × 10−4), and 50% in those with the minor allele of rs5743894 (p=2·93 × 10−5) compared with homozygous carriers of common alleles for these SNPs. Interpretation Novel variants in TOLLIP and SPPL2C are associated with IPF susceptibility. One novel variant of TOLLIP, rs5743890, is also associated with mortality. These associations and the reduced expression of TOLLIP in patients with IPF who carry TOLLIP SNPs emphasise the importance of this gene in the disease. Funding National Institutes of Health; National Heart, Lung, and Blood Institute; Pulmonary Fibrosis Foundation; Coalition for Pulmonary Fibrosis; and Instituto de Salud Carlos III.

Background Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a chronic progressive fibrotic lung disease associated with substantial morbidity and mortality. The objective of this study was to determine whether there is a peripheral blood protein signature in IPF and whether components of this signature may serve as biomarkers for disease presence and progression. Methods and Findings We analyzed the concentrations of 49 proteins in the plasma of 74 patients with IPF and in the plasma of 53 control individuals. We identified a combinatorial signature of five proteins—MMP7, MMP1, MMP8, IGFBP1, and TNFRSF1A—that was sufficient to distinguish patients from controls with a sensitivity of 98.6% (95% confidence interval [CI] 92.7%–100%) and specificity of 98.1% (95% CI 89.9%–100%). Increases in MMP1 and MMP7 were also observed in lung tissue and bronchoalveolar lavage fluid obtained from IPF patients. MMP7 and MMP1 plasma concentrations were not increased in patients with chronic obstructive pulmonary disease or sarcoidosis and distinguished IPF compared to subacute/chronic hypersensitivity pneumonitis, a disease that may mimic IPF, with a sensitivity of 96.3% (95% CI 81.0%–100%) and specificity of 87.2% (95% CI 72.6%–95.7%). We verified our results in an independent validation cohort composed of patients with IPF, familial pulmonary fibrosis, subclinical interstitial lung disease (ILD), as well as with control individuals. MMP7 and MMP1 concentrations were significantly higher in IPF patients compared to controls in this cohort. Furthermore, MMP7 concentrations were elevated in patients with subclinical ILD and negatively correlated with percent predicted forced vital capacity (FVC%) and percent predicted carbon monoxide diffusing capacity (DLCO%). Conclusions Our experiments provide the first evidence for a peripheral blood protein signature in IPF to our knowledge. The two main components of this signature, MMP7 and MMP1, are overexpressed in the lung microenvironment and distinguish IPF from other chronic lung diseases. Additionally, increased MMP7 concentration may be indicative of asymptomatic ILD and reflect disease progression.

Rationale: Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a chronic, progressive, and usually lethal fibrotic lung disease characterized by profound changes in epithelial cell phenotype and fibroblast proliferation.Objectives: To determine changes in expression and role of microRNAs in IPF.Methods: RNA from 10 control and 10 IPF tissues was hybridized on Agilent microRNA microarrays and results were confirmed by quantitative real-time polymerase chain reaction and in situ hybridization. SMAD3 binding to the let-7d promoter was confirmed by chromatin immunoprecipitation, electrophoretic mobility shift assay, luciferase assays, and reduced expression of let-7d in response to transforming growth factor-β. HMGA2, a let-7d target, was localized by immunohistochemistry. In mice, let-7d was inhibited by intratracheal administration of a let-7d antagomir and its effects were determined by immunohistochemistry, immunofluorescence, quantitative real-time polymerase chain reaction, and morphometry.Measurements and Main Results: Eighteen microRNAs including let-7d were significantly decreased in IPF. Transforming growth factor-β down-regulated let-7d expression, and SMAD3 binding to the let-7d promoter was demonstrated. Inhibition of let-7d caused increases in mesenchymal markers N-cadherin-2, vimentin, and α-smooth muscle actin (ACTA2) as well as HMGA2 in multiple epithelial cell lines. let-7d was significantly reduced in IPF lungs and the number of epithelial cells expressing let-7d correlated with pulmonary functions. HMGA2 was increased in alveolar epithelial cells of IPF lungs. let-7d inhibition in vivo caused alveolar septal thickening and increases in collagen, ACTA2, and S100A4 expression in SFTPC (pulmonary-associated surfactant protein C) expressing alveolar epithelial cells.Conclusions: Our results indicate a role for microRNAs in IPF. The down-regulation of let-7d in IPF and the profibrotic effects of this down-regulation in vitro and in vivo suggest a key regulatory role for this microRNA in preventing lung fibrosis.Clinical trial registered with www.clinicaltrials.gov (NCT 00258544).