COVID-19の鍵を握るTMPRSS2の発現・共発現解析

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ACE2・他SARS-CoV-2

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Expression and co-expression analyses of TMPRSS2, a key element in COVID-19

www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7693853/

2020年11月27日

要旨

SARS-CoV-2侵入の宿主因子として最もよく知られているのはACE2受容体であるが、もう一つの重要な要素であるTMPRSS2プロテアーゼが最近同定された。ここでは、肺におけるTMPRSS2の発現データを年齢、性別、糖尿病、喫煙習慣、汚染物質への暴露、その他の刺激と相関させて解析し、TMPRSS2の発現を変化させ、その結果、感染しやすさやCOVID-19の予後に影響を与える要因を明らかにした。

さらに、TMPRSS2の発現に影響を与えるTMPRSS2多型を報告し、COVID-19を発症しやすい民族を示唆した。

最後に、TMPRSS2とSARS-CoV-2感染に関連する他の遺伝子との間には、性別に特異的な共発現があることを明らかにし、男性におけるCOVID-19感染感受性の高さを説明することができた。これらの結果は、COVID-19に関する予防・治療戦略の立案に役立つ可能性がある。

キーワード

COVID-19,TMPRSS2,年齢、共発現、性別

序論

中国・武漢で発生したコロナウイルス感染症2019(COVID-19)は、世界的に急速に拡大している。実際 2020年10月現在、世界では100万人以上の死亡者と3700万人以上の陽性例が報告されている[1]。2003年に発生した重症急性呼吸器症候群コロナウイルス(SARS-CoV)と現在のSARS-CoV-2のスパイク蛋白質の3次元構造は、同じ宿主細胞を標的とした相互作用を示すのに十分に類似していることが判明した[2]。実際、最近の研究では、アンジオテンシン変換酵素2(ACE2)と膜貫通型セリンプロテアーゼ2(TMPRSS2)がSARS-CoV-2感染にも関与していることが報告されている[3]。具体的には、細胞表面受容体ACE2を介したウイルスの侵入には、TMPRSS2プロテアーゼによるタンパク質分解的な切断とスパイクタンパク質の活性化が必要である。したがって、TMPRSS2阻害剤であるカモスタットメシル酸塩は、SARS-CoV-2の侵入を阻害し、治療の選択肢の一つとなる可能性がある[3]。

TMPRSS2発現データの解析

最近の疫学データによると、COVID-19は、男性、喫煙者、糖尿病患者、高齢者において、重篤な疾患や死亡率が高いことが示されている[4-7]。TMPRSS2は、Human Protein Atlas(HPA)データベースのRNAとタンパク質発現データによると、主に肺、唾液腺、甲状腺、消化管、膵臓、腎臓、肝臓で発現している(図1)。

特筆すべきは、精巣精管、精巣上体、精巣小胞、前立腺など多くの男性組織でも発現しているが、精巣では非常に発現が低いか、または、乳房、卵巣、卵管、子宮内膜、胎盤を含むすべての女性組織で発現していないことである。

このデータは、男性における SARS-CoV-2 感染率と重症度が高いことにおける TMPRSS2 の組織分布の役割を示唆している可能性がある。

しかし、リスク因子や女性ホルモンの保護など、観察された性差の他の多くの可能性を検証するためには、さらなる研究が必要である。さらに、TMPRSS2遺伝子は肺でもアンドロゲンホルモンによってアップレギュレートされている[8]。最近、Asseltaらが公開されている遺伝子発現データセットを分析したところ、TMPRSS2の発現は男性の気管支上皮細胞では女性よりも高いが、肺での発現は同様であることが報告された[9]。

ここでは、TMPRSS2発現に対する性別の影響をさらに調査し、肺、鼻、気管支の組織や細胞株における年齢、喫煙行動、感染症、汚染物質の影響にもこれらの解析を拡張した(補足表S1)。

図1 ヒト組織におけるTMPRSS2のタンパク質(上)とRNA(下)の発現

(Human Protein Atlas (HPA)データベース(https://www.proteinatlas.org/ENSG00000184012-TMPRSS2/tissue)による。


NCBI GEOの3つのマイクロアレイデータセット(GSE40419,GSE19804,GSE10072)において、性別や喫煙習慣の有無で層別化しても、肺組織におけるTMPRSS2発現に統計的に有意な差は認められなかったが、意外にも年齢に関連した弱い減少傾向が認められた(補足図S1,S2,S3)。特に、65歳未満/65歳以上の人では有意差(p=0.044)75歳未満/75歳以上の人では有意差(p=0.012)が認められている。しかし、GSE117261およびGTEx(https://www.gtexportal.org/)データのRNA-seqデータセットによると、肺組織におけるTMPRSS2発現には性差または年齢差は見られない。鼻上皮サンプル(GSE8987)では、タバコの喫煙はTMPRSS2発現を有意に増加させる(p = 0.014)。最近では、非喫煙者と比較して喫煙者のこの発現増加は、肺のウエスタンブロット解析[10]や小気道上皮のマイクロアレイ解析[11]でも観察されている。TMPRSS2の発現は年齢の上昇とともに意外にも減少しているようであることから、糖尿病、アンドロゲン濃度の低下、汚染物質、遺伝的素因などの他の要因が、今回の疫学的傾向を説明するのに関連している可能性があると考えられる(補足表S1)。これらの要因について、我々は、2型糖尿病(2型糖尿病)被験者の膵臓β細胞において、TMPRSS2がコントロール(GSE20966)に比べて2倍高い発現(p=0.00046)であることを発見した(GSE20966)。肺では発現していないが、この結果は、糖尿病がCOVID-19患者の入院および死亡の重要な危険因子である理由の可能な説明を示唆している。さらに、TMPRSS2発現は 2009年パンデミックH1N1インフルエンザウイルス(GSE48466)に感染した正常気管支上皮細胞において有意に増加し、同様に、五酸化バナジウム(GSE5339)に曝露した後の肺線維芽細胞においても有意に増加している。さらに、正常な肺線維芽細胞では、ベンゾ[a]ピレンジオールエポキシド(BPDE)に曝露した後、TMPRSS2遺伝子の発現がわずかに増加した(GSE19510)。一方、TMPRSS2のレベルは、アレルギー性喘息の被験者からの気管支生検における吸入コルチコステロイド療法後(GSE15823)または肺上皮細胞における9-nmシリカナノ粒子への曝露後(GSE53700)に減少した(補足表S1)。この証拠は、他の感染症との併発や、いくつかの職場の汚染物質が肺細胞をSARS-CoVに感受性を高めている可能性を示唆している。さらに、我々の分析は、肺上皮細胞(GSE5542)において、TMPRSS2発現がインターフェロン(IFN)処理によって変化しないことを示している。したがって、インターフェロンによる炎症はTMPRSS2発現を修飾しないが、ACE2発現をアップレギュレートすることが最近報告されている[12]。代わりに、気道上皮におけるTMPRSS2発現は、換気を必要とするCOVID-19患者の血漿中に高発現するサイトカインであるIL-13[12,14]によって高度にアップレギュレートされる[13]。さらに、IL-13は、アレルギー性気道2型炎症、喘息、慢性閉塞性肺疾患(COPD)[12,14]にも関与しており、COVID-19の感受性と重症度のさらなるメカニズムを示唆している。

多型

発現量的形質遺伝子座(eQTL)とは、遺伝子の発現レベルに影響を与える配列変化、主に一塩基多型(SNP)のことである[15]。ここでは、TMPRSS2遺伝子の発現についてGTExとQTLbaseデータベース(http://mulinlab.org/qtlbase/index.html)を調査したところ、増加するeQTLは19個、減少するeQTLは24個報告された(補足表S2)。全体的に、これらのeQTLはTMPRSS2の発現に影響を与えることが実験的に確認されており、NESスコア(正規化効果サイズ、詳細は補足表S2を参照)は±0.12までであり、これはしばしば表現型の変化を引き起こすのに十分なレベルの変化である。実際、表S2で報告された変異の中で、rs2070788 GGまたはrs383510 TT遺伝子型(両方とも+0.11 NES、p = 8.85e-09およびp = 1.20e-08を有する、それぞれ、図2)2)が示されている。図2)2)は、肺組織におけるTMPRSS2発現を増加させ、重症A(H1N1)およびA(H7N9)インフルエンザへの感受性を増加させることが示されている[16]。また、QTLbaseの報告によると、肺では抗ウイルス応答に関与する遺伝子MX1の発現もrs2070788 GGによって増加し、COVID-19患者では発現レベルが高く、加齢とともに減少することが示されている[17]。また、興味深いことに、これらの遺伝子は男性では正の共発現を示し、女性では負の発現を示した(r = – 0.288, p = 0.0036; 男性ではr = 0.402, p = 1.046e-8)。

図2 GTExポータルで報告された肺におけるTMPRSS rs2070788(左)およびrs383510(右)eQTLのバイオリンプロット

すべての遺伝子型(被検者数と共に)結果として得られた肺におけるTMPRSS発現レベルの中央値、および遺伝子発現と遺伝子型との間の関連性に関するp値が示されている。特に、GTExは、遺伝子型と発現の間の線形回帰モデルの傾きが0から逸脱するという代替仮説を検定することにより、各バリアント遺伝子ペアのp値を生成した。 データソース。GTEx 解析リリース V8


さらに、NCBI dbSNPデータベース(www.ncbi.nlm.nih.gov/snp/)によると、アメリカ人、メキシコ人、ヨーロッパ人、南アジア人は、アフリカ人、ハワイ先住民、アフリカ系アメリカ人の子孫、東アジア人に比べて、rs2070788 G対立遺伝子の頻度が高い。rs383510については、ヨーロッパ人、エストニア人、南アジア人は東アジア人、韓国人、アフリカ人に比べてT対立遺伝子の頻度が高く、前者は感染しやすい可能性がある。しかし、観察された発現変化はインフルエンザ感受性を高めるのに十分なものであるため、TMPRSS2遺伝子の他の多くのeQTLがSARS-CoV-2感染に対する感受性を変化させている可能性がある。例えば、TMPRSS2の発現および機能を変化させるいくつかの新しいeQTL[12]およびミスセンスSNPが、最近、SARS-CoV-2感染およびCOVID-19重症度に影響を及ぼすことが示唆されている[9, 18, 19]。しかし、COVID-19の原因となる宿主遺伝的危険因子を同定するためには、大規模なゲノムワイド関連研究(GWAS)および機能的アッセイが必要である。さらに、考えられる遺伝的素因に加えて、感染率や治療成績は、異なる社会経済的地位やその他の民族格差によって影響を受ける可能性があることを考慮に入れるべきである[20]。

ウイルス侵入のための他の宿主因子との性特異的TMPRSS2共発現

肺組織のGTEx RNA-seqデータを用いて相関解析を行い、TMPRSS2,ACE2および他のコロナウイルス宿主因子の共発現レベルを明らかにした。解析の結果、正常な肺組織ではACE2とTMPRSS2の共発現が最も高いことが明らかになった(r = 0.4485,p = 1.187e-15,表1)1)。この強い関連性は、SARS-CoVsにおける他のプロテアーゼと比較して、ACE2のプライミングにおけるTMPRSS2の優勢な役割を説明している可能性がある。さらに、男性はCOVID-19の影響を受けやすいので、我々はまた、SARS-CoVの侵入に関与する他の宿主因子とTMPRSS2の性特異的な発現相関を調査した。我々の分析によると、いくつかの遺伝子の共発現は男性と女性の両方で維持されているが、他の遺伝子は男性にのみ存在していることが示された(表(表2).2)。特筆すべきことに、TMPRSS2は、男性ではCD147受容体およびFURIN、CD209,カテプシンL(CTSL)およびB(CTSB)プロテアーゼとの共発現が高く、陽性であるが、女性では発現しておらず、ACE2との共発現は男女ともに同様に高いことがわかった。これらの結果から、男性では、これらのプロテアーゼと、新たに発見されたSARS-CoV-2受容体であるCD147の共発現[11]が、SARS-CoVスパイク蛋白質に対する宿主のプライミング活性を高める可能性があることが示唆された。これは、女性よりも男性の方が感染リスクが高く、病気の重症度が高いことを説明する、より高いウイルス侵入をもたらす可能性がある。興味深いことに、共発現遺伝子は共通の転写因子やマイクロRNAを含む同様の制御ネットワークを共有していることから、ウイルス侵入に対するこれらの宿主因子の性別に特異的な分子制御を明らかにするために、さらなる研究が必要であると考えられる。

表1 肺における他の宿主因子とACE2の共発現レベル

遺伝子ペア ピアソンの共表現
ACE2〜TMPRSS2 r = 0.4485(p = 1.187e-15)
ACE2〜CTSB r = 0.3985(p = 2.126e-12)
ACE2〜FURIN r = 0.3142(p = 5.142e-8)
ACE2〜CTSL r = 0.2599(p = 0.000007893)
ACE2〜BSG(CD147) r = 0.2494(p = 0.00001858)
ACE2〜CD209 r = 0.04397(NS)
ACE2〜TMPRSS11D r = 0.03035(NS)
ACE2〜TMPRSS11A r = − 0.1256(p = 0.03308)
ACE2〜CLEC4M r = − 0.1481(p = 0.01185)

UCSC Xena Functional Genomics Explorer (xenabrowser.net/)を使用して、肺組織におけるGTExデータの相関をピアソンの相関検定を用いて解析した。Pearsonのr値は-1から1の範囲で、正の値は遺伝子ペアの発現レベル間の正の相関を意味し、逆に負の値は逆相関を示し,0に近いr値は相関がないことを意味する。NSは有意ではない

表2 肺における他の宿主因子との性別特異的TMPRSS2共発現レベル

TMPRSS2 VS 女性 男性
ACE2 r = 0.4403(p = 4.61e-6) r = 0.4551(p = 5.42e-11)
BSG(CD147) r = 0.1506 (p = 0.1349) r = 0.6561(p = 1.730e-24)
フーリン r = 0.3618(p = 2.18e-4) r = 0.7446(p = 2.01e-34)
CTSB r = 0.1714(NS) r = 0.6195(p = 2.74e-21)
CTSL r = − 0.00164(NS) r = 0.5658(p = 2.75e-17)
CD209 r = − 0.2632(p = 0.0082) r = 0.2559(p = 0.0004)
TMPRSS11A r = − 0.1363(NS) r = − 0.1638(p = 0.0247)
TMPRSS11D r = − 0.1200(NS) r = − 0.04262(NS)
CLEC4M r = − 0.2493(p = 0.0124) r = − 0.03108(NS)

結論

結論として、TMPRSS2の発現データを解析した結果、SARS-CoV-2感染のリスクとCOVID-19の重症度との間には、遺伝的素因、年齢、性別、糖尿病、大気汚染物質、喫煙が関係している可能性が示唆された。我々の予備的な結果は、より広範なコホートでの検証や、基礎となる分子メカニズムの特徴を明らかにするための実験的評価のための更なる研究につながる可能性がある。

また、これらの結果は、IL-13やアンドロゲン以外にも、TMPRSS2の発現誘導に関与する新たな薬物標的を同定するためにも有用であると考えられる。この点に関して、TMPRSS2阻害を含むSARS-CoV-2の侵入を阻止するための治療戦略が提案されており、カモスタット、ナファモスタット、ブロムヘキシン[21]、アンドロゲン遮断療法[22]などがある。

我々は、いくつかの因子がTMPRSS2発現を増加させ、COVID-19の感受性および重症度に影響を与えることを発見したので、個別化された治療法の定義の際には、これらの因子を考慮に入れるべきである。例えば、特定のSNPまたは生活習慣の存在は、患者の層別化のために肺におけるTMPRSS2発現レベルを間接的に推定するのに役立つ可能性がある。

実際、TMPRSS2発現レベルが高い被験者は、TMPRSS2阻害剤からより多くの利益を得るであろう。さらに、最近、細胞外小胞がACE2を移行させることで、SARS-CoV-2の感染していない細胞への拡散が促進されるという仮説が立てられた[23]。

TMPRSS2タンパク質も唾液小胞中に存在しており[24]、同様の作用をする可能性があるため、これらの分子の重症度バイオマーカーとしての有用性を調査すべきである。

最後に、男性ではCD147,FURIN、CTSB、CTSLとの強い共発現レベルが確認されていることから、COVID-19の男性患者の治療を強化するために、TMPRSS2とともにこれらの分子を標的とすることができる。

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