Aspectos genéticos e mecanismos moleculares em desfechos clínicos da infecção por SARS-CoV-2 e erros inatos da imunidade na população brasileira

Abstract

A genética do hospedeiro humano influencia a susceptibilidade e gravidade das infecções, que foram a principal causa de morte ao longo da história. A seleção natural favoreceu alelos que conferem resistência a doenças infecciosas nas diferentes populações. Defeitos na resposta imune podem prejudicar de forma importante a capacidade do indivíduo de combater infecções, como é o caso dos erros inatos da imunidade (EII). No caso da COVID-19, os EII mediada por interferon do tipo I foram associados a pneumonia grave. Ainda, uma resposta imunológica descontrolada durante a evolução da doença pode ser fatal para o hospedeiro infectado. O objetivo da presente tese foi investigar os mecanismos moleculares e a diversidade genética da população brasileira e sua associação a desfechos da COVID-19 e EII. Inicialmente, duas metanálises transcriptômicas foram realizadas para estudar a resposta imunológica inicial à infecção por SARS-CoV-2 e as complicações pulmonares em vítimas fatais da COVID-19. A primeira incluiu modelos celulares de infecção, e a segunda, amostras de autópsia pulmonar. Os genes diferencialmente expressos indicaram a ativação de receptores de reconhecimento de padrões e a produção de moléculas pró-inflamatórias, fortemente associadas aos primeiros dias de infecção. Diferentes vias e mecanismos potencialmente envolvidos na patogenicidade da COVID-19 foram identificados nos dados de autópsia pulmonar, como a ativação da cascata de coagulação e do sistema complemento. Além disso, uma análise de rede priorizou 15 genes como potenciais alvos para futuros estudos. Para investigar fatores genéticos associados a complicações clínicas da COVID-19, foram recrutados 500 participantes com PCR positivo para SARS-CoV- 2 no Hospital de Clínicas de Porto Alegre (HCPA), sendo 200 colaboradores do HCPA com COVID-19 leve e 300 pacientes internados, incluindo 100 paciente que foram a óbito. Este recrutamento foi realizado em parceria com o Biobanco do HCPA. O sequenciamento completo dos genomas (WGS) foi realizado pelo projeto DNA do Brasil. O banco de dados clínicos e demográficos dos participantes foi construído através da aplicação de questionário e revisão de prontuário médico. No primeiro estudo apresentado com esta amostra, investigamos fatores genéticos associados a tromboembolismo venoso (TEV), uma complicação comum em pacientes hospitalizados por COVID-19. Pacientes com TEV apresentaram maior frequência de pneumonia, síndrome respiratória aguda grave (SRAG), e necessidade de internação em UTI. Nenhuma causa monogênica foi identificada entre 55 pacientes com TEV, embora tenha sido encontrada uma variante de significado incerto (VUS) predita como deletéria no gene SERPINC1. Uma análise de associação com variantes genéticas comuns não encontrou nenhuma associação estatisticamente significativas com o risco de VTE durante a hospitalização por COVID-19, contudo, as variantes com maior significância foram discutidas, compreendendo os genes SMG6, PLEK e APOE, com o modelo dominante, recessiva e log-aditivo, respectivamente. O segundo estudo com estes dados aborda o papel dos alelos de risco G1 e G2 do gene APOL1 em desfechos da COVID-19. Estes alelos foram selecionados em populações africanas por conferirem resistência ao parasita causador da doença do sono africana. Os alelos de risco são conhecidos pela sua associação com doenças renais, principalmente em contextos infecciosos. Neste estudo, identificamos a associação do alelo G1 com complicações cardiovasculares controlando para doença renal crônica prévia e ancestralidade dos indivíduos (OR = 4,59; 95% CI = 1,41-14,96; p = 0,011). Os achados proporcionam importantes compreensões sobre o impacto de portar apenas um alelo nos desfechos e sua associação com complicações cardiovasculares, pontos amplamente discutidos na literatura. Por fim, o último trabalho apresentado nesta tese inclui os resultados obtidos em um projeto colaborativo, realizado durante um período sanduíche no Laboratório Human Population Genomics do Institut de Biologia Evolutiva da Universitat Pompeu Fabra e do Consejo Superior de Investigaciones Científicas da Espanhã, no qual investigamos variantes genéticas em genes causadores de EII em populações nativo americanas do leste da amazônia. O estudo incluiu análise por WGS de 408 indivíduos de sete diferentes etnias. As análises populacionais foram realizadas para entender a estrutura destas populações. Variantes genéticas causadoras de síndrome inflamatória multissistêmica em crianças (MIS-C) e linfomas de células T com linfohistiocitose hemofagocítica foram identificadas frequentes nestas populações. De maneira geral, os trabalhos desenvolvidos alcançaram o objetivo principal proposto na tese. Mecanismos moleculares, assim como componentes genéticos dos brasileiros relacionados a desfechos de infecções e alterações imunológicas, foram descritos e discutidos, proporcionando novas evidências com potencial influência para estratégias de manejo clínico para doenças infecciosas e erros inatos da imunidade.

The human genetics influences infections susceptibility and severity, which have been the leading cause of death throughout history. Natural selection has favored alleles conferring resistance to infectious diseases in different populations. Defects in the immune response can significantly impair the individual’s ability to combat infections, as seen in the case of inborn errors of immunity (IEI). In COVID- 19, IEI mediated by type I interferon have been associated with severe pneumonia. Furthermore, an uncontrolled immune response during the progression of the disease can be fatal to the infected host. The aim of this thesis was to investigate the molecular mechanisms and genetic diversity of the Brazilian population and their association with COVID-19 outcomes and IEI. Initially, two transcriptomic meta-analyses were performed to study the initial immune response to SARS-CoV-2 infection and pulmonary complications in COVID-19 fatal cases. The first analysis compiled cellular infection models, and the second, autopsy lung samples. Differentially expressed genes indicated the activation of pattern recognition receptors and the production of pro-inflammatory molecules strongly associated with the early days of infection. Different pathways and mechanisms potentially involved in the pathogenicity of COVID-19 were identified in the autopsy lung data, such as the activation of the complement and coagulation cascade. In addition, a network analysis prioritized 15 genes as potential targets for future studies. To investigate genetic factors associated with COVID-19 clinical outcomes, 500 participants positive for SARS-CoV-2 by PCR test at the Hospital de Clínicas de Porto Alegre (HCPA) were recruited, including 200 mild COVID-19 cases and 300 hospitalized patients, of whom 100 died. The recruitment was conducted in collaboration with the HCPA Biobank. Whole-genome sequencing (WGS) was performed by the DNA do Brasil project. The clinical and demographic data was obtained through questionnaires and medical record. In the first study with these individuals, we investigated genetic factors associated with venous thromboembolism (VTE), a common complication in hospitalized COVID-19 patients. Patients with VTE had a higher frequency of pneumonia, severe acute respiratory syndrome (SARS), and required intensive care unit (ICU) admission. No monogenic causes were identified among the 55 patients with VTE, although one variant of uncertain significance (VUS) predicted as deleterious were found in SERPINC1 gene. Common genetic variant analysis did not reveal statistically significant associations with VTE risk during COVID-19 hospitalization; however, variants with higher significance were discussed, including SMG6, PLEK, and APOE genes, under dominant, recessive, and log-additive models, respectively. The second study with these data explores the role of APOL1 risk alleles G1 and G2 in COVID-19 outcomes. These alleles were selected in African populations because they confer resistance to the parasite responsible for African sleeping sickness. The risk alleles are known for their association with kidney diseases, particularly after infections. In this study, we identified an association of the G1 allele with cardiovascular complications, adjusting for chronic kidney disease and individuals’ ancestry (OR = 4.59; 95% CI = 1.41-14.96; p = 0.011). These findings provide valuable insights into the impact of carrying a single allele on outcomes and its association with cardiovascular complications, topics extensively discussed in the literature. Finally, the last study presented in this thesis includes results obtained from a collaborative project conducted during a stay at the Human Population Genomics Laboratory of the Institut de Biologia Evolutiva at Universitat Pompeu Fabra and the Consejo Superior de Investigaciones Científicas in Spain, in which we investigated genetic variants in IEI-causing genes in Native American populations from the eastern Amazon. The study included WGS analysis of 408 individuals from seven different ethnic groups. Population-based analyses were performed to understand the structure of these populations. Genetic variants previously associated with multisystem inflammatory syndrome in children (MIS-C) and T-cell lymphomas with hemophagocytic lymphohistiocytosis were found to be frequent in these populations. Overall, the studies conducted achieved the aim of this thesis. Molecular mechanisms, as well as genetic components of the Brazilian population related to infectious disease outcomes and immune alterations, were described and discussed, providing new evidence with potential implications for clinical management strategies for infectious diseases and IEI.