The IRE1-XBP1 Branch of the Unfolded Protein Response Underpins Cytokine Induction and Viral Replication in SARS-CoV-2 Infection

Abstract

The endoplasmic reticulum (ER) is an intracellular organelle involved, among other functions, in the synthesis and secretion of proteins. These processes are tightly regulated to control the quality of protein secretion. However, excessive protein load can perturb ER homeostasis leading to accumulation of misfolded proteins resulting in the activation of the unfolded protein response (UPR). Viral infections including SARS CoV-2, as a positive single stranded RNA (ssRNA) virus, might cause ER stress because of the exploitation of the host machinery for viral replication. Endosomal Toll-like receptors (TLR)7 and TLR8 sense ssRNA associated SARS-CoV-2 virus. Recognition of ssRNA by its cognate receptors drives transcription and translation of pro-inflammatory genes, which after release into the systemic circulation, may team up with the UPR to ignite the cytokine storm (CS) or viral sepsis observed in the severe forms of the disease. Our approach aimed to understand the connection between SARS-CoV-2 infection and the UPR, focusing on the role of the transcription factor spliced XBP1 in viral replication and cytokine overproduction. The study encompasses: i) the analysis of nasopharyngeal swabs samples and bronchiolo-alveolar aspirates of patients undergoing mechanical ventilation due to severe pneumonia hospitalized at the Internal Care Unit (ICU), ii) experiments in monocyte derived dendritic cells (MDDCs) stimulated via TLR7/8, iii) studies in vivo infection with SARS-CoV-2, and iv) the impact of the UPR modulation during the replication cycle in human epithelial cells infected with different variants of concern (VOCs). Taken collectively, the study has disclosed that the IRE1α-XBP1 branch of the UPR is a host-dependent factor involved in SARS CoV-2 pathogenesis.

El retículo endoplasmático (RE) es un orgánulo intracelular implicado, entre otras funciones, en la síntesis y secreción de proteínas. Estos procesos son altamente regulados para controlar la calidad de la secreción de proteínas. Sin embargo, una sobrecarga excesiva de proteínas puede perturbar la homeostasis del RE y provocar la activación de la respuesta a proteínas mal plegadas (UPR). Las infecciones víricas, incluido el SARS-CoV-2, como virus de ARN monocatenario positivo (ssRNA), podrían causar estrés del RE debido a la explotación de la maquinaria del huésped durante la replicación viral. Los receptores endosomales de tipo Toll (TLR)7 y TLR8 detectan ssRNA, asociado a SARS-CoV-2. El reconocimiento del ssRNA por sus receptores afines impulsa la transcripción y traducción de genes proinflamatorios que, tras liberarse en la circulación sistémica, y en conjunto con la activación de la UPR puede desencadenar la tormenta de citoquinas (CS) o la sepsis viral observada en las formas graves de la enfermedad. Nuestro enfoque pretende comprender la conexión entre la infección por SARS-CoV-2 y la UPR, centrándonos en el papel del factor de transcripción XBP1 y su papel en la replicación viral y la sobreproducción de citoquinas. El estudio abarca: i) el análisis de muestras de hisopos nasofaríngeos y aspirados bronquiolo-alveolares de pacientes sometidos a ventilación mecánica por neumonía grave hospitalizados en la Unidad de Cuidados Intensivos (UCI), ii) experimentos en células dendríticas derivadas de monocitos (MDDCs) estimuladas vía TLR7/8, iii) estudios de infección in vivo con SARS-CoV-2, y iv) el impacto de la modulación de la UPR durante el ciclo de replicación en células epiteliales humanas infectadas con diferentes variantes de SARS-CoV-2. En conjunto, el estudio ha revelado que la rama IRE1α-XBP1 de la UPR es un factor dependiente del huésped implicado en la patogénesis del SARS-CoV-2.