Identification of driver genes for critical forms of COVID-19 in a deeply phenotyped young patient cohort.

Raphael Carapito, Richard Li, Julie Helms, Christine Carapito, Sharvari Gujja, Véronique Rolli, Raony Guimaraes, Jose Malagon-Lopez, Perrine Spinnhirny, Alexandre Lederle, Razieh Mohseninia, Aurélie Hirschler, Leslie Muller, Paul Bastard, Adrian Gervais, Qian Zhang, François Danion, Yvon Ruch, Maleka Schenck, Olivier Collange, Thiên-Nga Chamaraux-Tran, Anne Molitor, Angélique Pichot, Alice Bernard, Ouria Tahar, Sabrina Bibi-Triki, Haiguo Wu, Nicodème Paul, Sylvain Mayeur, Annabel Larnicol, Géraldine Laumond, Julia Frappier, Sylvie Schmidt, Antoine Hanauer, Cécile Macquin, Tristan Stemmelen, Michael Simons, Xavier Mariette, Olivier Hermine, Samira Fafi-Kremer, Bernard Goichot, Bernard Drenou, Khaldoun Kuteifan, Julien Pottecher, Paul-Michel Mertes, Shweta Kailasan, M Javad Aman, Elisa Pin, Peter Nilsson, Anne Thomas, Alain Viari, Damien Sanlaville, Francis Schneider, Jean Sibilia, Pierre-Louis Tharaux, Jean-Laurent Casanova, Yves Hansmann, Daniel Lidar, Mirjana Radosavljevic, Jeffrey R Gulcher, Ferhat Meziani, Christiane Moog, Thomas W Chittenden, Seiamak Bahram
Author Information
  1. Raphael Carapito: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France. ORCID
  2. Richard Li: Genuity AI Research Institute, Genuity Science, Boston, MA 02114, USA. ORCID
  3. Julie Helms: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France.
  4. Christine Carapito: Fédération Hospitalo-Universitaire (FHU) OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie, 67085, Strasbourg, France. ORCID
  5. Sharvari Gujja: Genuity AI Research Institute, Genuity Science, Boston, MA 02114, USA.
  6. Véronique Rolli: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France. ORCID
  7. Raony Guimaraes: Genuity AI Research Institute, Genuity Science, Boston, MA 02114, USA.
  8. Jose Malagon-Lopez: Genuity AI Research Institute, Genuity Science, Boston, MA 02114, USA.
  9. Perrine Spinnhirny: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France.
  10. Alexandre Lederle: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France.
  11. Razieh Mohseninia: Center for Quantum Information Science and Technology, University of Southern California, Los Angeles, CA 90089, USA.
  12. Aurélie Hirschler: Fédération Hospitalo-Universitaire (FHU) OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie, 67085, Strasbourg, France. ORCID
  13. Leslie Muller: Fédération Hospitalo-Universitaire (FHU) OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie, 67085, Strasbourg, France.
  14. Paul Bastard: St. Giles Laboratory of Human Genetics of Infectious Diseases, Rockefeller Branch, Rockefeller University, New York, NY 10065, USA. ORCID
  15. Adrian Gervais: Laboratory of Human Genetics of Infectious Diseases, Necker Branch, INSERM, Necker Hospital for Sick Children, 75015 Paris, France. ORCID
  16. Qian Zhang: St. Giles Laboratory of Human Genetics of Infectious Diseases, Rockefeller Branch, Rockefeller University, New York, NY 10065, USA. ORCID
  17. François Danion: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France. ORCID
  18. Yvon Ruch: Fédération Hospitalo-Universitaire (FHU) OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie, 67085, Strasbourg, France. ORCID
  19. Maleka Schenck: Fédération Hospitalo-Universitaire (FHU) OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie, 67085, Strasbourg, France. ORCID
  20. Olivier Collange: Fédération Hospitalo-Universitaire (FHU) OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie, 67085, Strasbourg, France.
  21. Thiên-Nga Chamaraux-Tran: Fédération Hospitalo-Universitaire (FHU) OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie, 67085, Strasbourg, France.
  22. Anne Molitor: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France. ORCID
  23. Angélique Pichot: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France. ORCID
  24. Alice Bernard: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France.
  25. Ouria Tahar: Service d'Immunologie Biologique, Plateau Technique de Biologie, Pôle de Biologie, Nouvel Hôpital Civil, 67091 Strasbourg, France. ORCID
  26. Sabrina Bibi-Triki: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France.
  27. Haiguo Wu: Genuity AI Research Institute, Genuity Science, Boston, MA 02114, USA.
  28. Nicodème Paul: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France. ORCID
  29. Sylvain Mayeur: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France.
  30. Annabel Larnicol: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France.
  31. Géraldine Laumond: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France.
  32. Julia Frappier: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France. ORCID
  33. Sylvie Schmidt: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France.
  34. Antoine Hanauer: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France.
  35. Cécile Macquin: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France. ORCID
  36. Tristan Stemmelen: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France. ORCID
  37. Michael Simons: Yale Cardiovascular Research Center, Departments of Medicine and Cell Biology, Yale University School of Medicine, New Haven, CT 06511, USA. ORCID
  38. Xavier Mariette: Department of Rheumatology, Hôpital Bicêtre, Assistance Publique-Hôpitaux de Paris, 94270 Paris, France. ORCID
  39. Olivier Hermine: University of Paris, Imagine Institute, 75015 Paris, France. ORCID
  40. Samira Fafi-Kremer: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France. ORCID
  41. Bernard Goichot: Fédération Hospitalo-Universitaire (FHU) OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie, 67085, Strasbourg, France. ORCID
  42. Bernard Drenou: Département d'Hématologie, Groupe Hospitalier de la région Mulhouse Sud Alsace, 68100 Mulhouse, France. ORCID
  43. Khaldoun Kuteifan: Service de Réanimation Médicale, Groupe Hospitalier de la région Mulhouse Sud Alsace, 68100 Mulhouse, France. ORCID
  44. Julien Pottecher: Fédération Hospitalo-Universitaire (FHU) OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie, 67085, Strasbourg, France.
  45. Paul-Michel Mertes: Fédération Hospitalo-Universitaire (FHU) OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie, 67085, Strasbourg, France. ORCID
  46. Shweta Kailasan: Integrated BioTherapeutics Inc., Rockville, MD 20850, USA.
  47. M Javad Aman: Integrated BioTherapeutics Inc., Rockville, MD 20850, USA.
  48. Elisa Pin: Division of Affinity Proteomics, Department of Protein Science, KTH Royal Institute of Technology, SciLifeLab, Stockholm SE-171 21, Sweden. ORCID
  49. Peter Nilsson: Division of Affinity Proteomics, Department of Protein Science, KTH Royal Institute of Technology, SciLifeLab, Stockholm SE-171 21, Sweden. ORCID
  50. Anne Thomas: Plateforme Auragen, 69003 Lyon, France. ORCID
  51. Alain Viari: Plateforme Auragen, 69003 Lyon, France. ORCID
  52. Damien Sanlaville: Plateforme Auragen, 69003 Lyon, France.
  53. Francis Schneider: Fédération Hospitalo-Universitaire (FHU) OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie, 67085, Strasbourg, France.
  54. Jean Sibilia: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France.
  55. Pierre-Louis Tharaux: INSERM, Université de Paris, Paris Cardiovascular Center-PARCC, 75015 Paris, France. ORCID
  56. Jean-Laurent Casanova: St. Giles Laboratory of Human Genetics of Infectious Diseases, Rockefeller Branch, Rockefeller University, New York, NY 10065, USA. ORCID
  57. Yves Hansmann: Fédération Hospitalo-Universitaire (FHU) OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie, 67085, Strasbourg, France. ORCID
  58. Daniel Lidar: Center for Quantum Information Science and Technology, University of Southern California, Los Angeles, CA 90089, USA. ORCID
  59. Mirjana Radosavljevic: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France. ORCID
  60. Jeffrey R Gulcher: Genuity AI Research Institute, Genuity Science, Boston, MA 02114, USA.
  61. Ferhat Meziani: Fédération Hospitalo-Universitaire (FHU) OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie, 67085, Strasbourg, France.
  62. Christiane Moog: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France. ORCID
  63. Thomas W Chittenden: Genuity AI Research Institute, Genuity Science, Boston, MA 02114, USA.
  64. Seiamak Bahram: Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, plateforme GENOMAX, INSERM (Institut de la Santé et de la Recherche Médicale) UMR_S 1109, Faculté de Médecine, Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) de Médecine de Précision de Strasbourg, Transplantex NG, Université de Strasbourg, 67085 Strasbourg, France. ORCID

Abstract

The drivers of critical coronavirus disease 2019 (COVID-19) remain unknown. Given major confounding factors such as age and comorbidities, true mediators of this condition have remained elusive. We used a multi-omics analysis combined with artificial intelligence in a young patient cohort where major comorbidities were excluded at the onset. The cohort included 47 “critical” (in the intensive care unit under mechanical ventilation) and 25 “non-critical” (in a non-critical care ward) patients with COVID-19 and 22 healthy individuals. The analyses included whole-genome sequencing, whole-blood RNA sequencing, plasma and blood mononuclear cell proteomics, cytokine profiling, and high-throughput immunophenotyping. An ensemble of machine learning, deep learning, quantum annealing, and structural causal modeling were used. Patients with critical COVID-19 were characterized by exacerbated inflammation, perturbed lymphoid and myeloid compartments, increased coagulation, and viral cell biology. Among differentially expressed genes, we observed up-regulation of the metalloprotease . This gene signature was validated in a second independent cohort of 81 critical and 73 recovered patients with COVID-19 and was further confirmed at the transcriptional and protein level and by proteolytic activity. Ex vivo ADAM9 inhibition decreased severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) uptake and replication in human lung epithelial cells. In conclusion, within a young, otherwise healthy, cohort of individuals with COVID-19, we provide the landscape of biological perturbations in vivo where a unique gene signature differentiated critical from non-critical patients. We further identified as a driver of disease severity and a candidate therapeutic target.

MeSH Term

ADAM Proteins
Artificial Intelligence
COVID-19
Humans
Intensive Care Units
Membrane Proteins
Respiration, Artificial
SARS-CoV-2

Chemicals

Membrane Proteins
ADAM Proteins
ADAM9 protein, human