1. An explainable model of host genetic interactions linked to COVID-19 severity
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Anthony, O, Nicola, P, Chiara, F, Margherita, B, Francesca, F, Francesca, C, Alessandra, R, Simone, F, Francesco, R, Mari, F, Daga, S, Benetti, E, Bruttini, M, Palmieri, M, Croci, S, Amitrano, S, Meloni, I, Frullanti, E, Doddato, G, Lista, M, Beligni, G, Valentino, F, Zguro, K, Tita, R, Giliberti, A, Antonietta Mencarelli, M, Lo Rizzo, C, Maria Pinto, A, Ariani, F, Di Sarno, L, Montagnani, F, Tumbarello, M, Rancan, I, Fabbiani, M, Rossetti, B, Bergantini, L, D’Alessandro, M, Cameli, P, Bennett, D, Anedda, F, Marcantonio, S, Scolletta, S, Franchi, F, Antonietta Mazzei, M, Guerrini, S, Conticini, E, Cantarini, L, Frediani, B, Tacconi, D, Spertilli Raffaelli, C, Feri, M, Donati, A, Scala, R, Guidelli, L, Spargi, G, Corridi, M, Nencioni, C, Croci, L, Piero Caldarelli, G, Romani, D, Piacentini, P, Bandini, M, Desanctis, E, Cappelli, S, Canaccini, A, Verzuri, A, Anemoli, V, Pisani, M, Ognibene, A, Pancrazzi, A, Lorubbio, M, Vaghi, M, D’Arminio Monforte, A, Gaia Miraglia, F, Bruno, R, Vecchia, M, Girardis, M, Venturelli, S, Busani, S, Cossarizza, A, Antinori, A, Vergori, A, Emiliozzi, A, Rusconi, S, Siano, M, Gabrieli, A, Riva, A, Francisci, D, Schiaroli, E, Paciosi, F, Tommasi, A, Zuccon, U, Vietri, L, Giorgio Scotton, P, Andretta, F, Panese, S, Baratti, S, Scaggiante, R, Gatti, F, Giuseppe Parisi, S, Castelli, F, Quiros-Roldan, E, Degli Antoni, M, Zanella, I, Della Monica, M, Piscopo, C, Capasso, M, Russo, R, Andolfo, I, Iolascon, A, Fiorentino, G, Carella, M, Castori, M, Aucella, F, Raggi, P, Perna, R, Bassetti, M, Di Biagio, A, Sanguinetti, M, Masucci, L, Guarnaccia, A, Valente, S, De Vivo, O, Bargagli, E, Mandalà, M, Giorli, A, Salerni, L, Zucchi, P, Parravicini, P, Menatti, E, Trotta, T, Giannattasio, F, Coiro, G, Lena, F, Lacerenza, G, Coviello, D, Mussini, C, Martinelli, E, Tavecchia, L, Ann Belli, M, Crotti, L, Parati, G, Sanarico, M, Biscarini, F, Stella, A, Rizzi, M, Maggiolo, F, Ripamonti, D, Suardi, C, Bachetti, T, Teresa La Rovere, M, Sarzi-Braga, S, Bussotti, M, Capitani, K, Dei, S, Ravaglia, S, Artuso, R, Andreucci, E, Gori, G, Pagliazzi, A, Fiorentini, E, Perrella, A, Bianchi, F, Bergomi, P, Catena, E, Colombo, R, Luchi, S, Morelli, G, Petrocelli, P, Iacopini, S, Modica, S, Baroni, S, Vladimiro Segala, F, Menichetti, F, Falcone, M, Tiseo, G, Barbieri, C, Matucci, T, Grassi, D, Ferri, C, Marinangeli, F, Brancati, F, Vincenti, A, Borgo, V, Lombardi, S, Lenzi, M, Antonio Di Pietro, M, Vichi, F, Romanin, B, Attala, L, Costa, C, Gabbuti, A, Menè, R, Colaneri, M, Casprini, P, Merla, G, Maria Squeo, G, Maffezzoni, M, Mantovani, S, Mondelli &, M, Ludovisi, S, Onoja, Anthony, Picchiotti, Nicola, Fallerini, Chiara, Baldassarri, Margherita, Fava, Francesca, Colombo, Francesca, Chiaromonte, Francesca, Renieri, Alessandra, Furini, Simone, Raimondi Francesco, Francesca Mari, Sergio Daga, Elisa Benetti, Mirella Bruttini, Maria Palmieri, Susanna Croci, Sara Amitrano, Ilaria Meloni, Elisa Frullanti, Gabriella Doddato, Mirjam Lista, Giada Beligni, Floriana Valentino, Kristina Zguro, Rossella Tita, Annarita Giliberti, Maria Antonietta Mencarelli, Caterina Lo Rizzo, Anna Maria Pinto, Francesca Ariani, Laura Di Sarno, Francesca Montagnani, Mario Tumbarello, Ilaria Rancan, Massimiliano Fabbiani, Barbara Rossetti, Laura Bergantini, Miriana D’Alessandro, Paolo Cameli, David Bennett, Federico Anedda, Simona Marcantonio, Sabino Scolletta, Federico Franchi, Maria Antonietta Mazzei, Susanna Guerrini, Edoardo Conticini, Luca Cantarini, Bruno Frediani, Danilo Tacconi, Chiara Spertilli Raffaelli, Marco Feri, Alice Donati, Raffaele Scala, Luca Guidelli, Genni Spargi, Marta Corridi, Cesira Nencioni, Leonardo Croci, Gian Piero Caldarelli, Davide Romani, Paolo Piacentini, Maria Bandini, Elena Desanctis, Silvia Cappelli, Anna Canaccini, Agnese Verzuri, Valentina Anemoli, Manola Pisani, Agostino Ognibene, Alessandro Pancrazzi, Maria Lorubbio, Massimo Vaghi, Antonella D’Arminio Monforte, Federica Gaia Miraglia, Raffaele Bruno, Marco Vecchia, Massimo Girardis, Sophie Venturelli, Stefano Busani, Andrea Cossarizza, Andrea Antinori, Alessandra Vergori, Arianna Emiliozzi, Stefano Rusconi, Matteo Siano, Arianna Gabrieli, Agostino Riva, Daniela Francisci, Elisabetta Schiaroli, Francesco Paciosi, Andrea Tommasi, Umberto Zuccon, Lucia Vietri, Pier Giorgio Scotton, Francesca Andretta, Sandro Panese, Stefano Baratti, Renzo Scaggiante, Francesca Gatti, Saverio Giuseppe Parisi, Francesco Castelli, Eugenia Quiros-Roldan, Melania Degli Antoni, Isabella Zanella, Matteo Della Monica, Carmelo Piscopo, Mario Capasso, Roberta Russo, Immacolata Andolfo, Achille Iolascon, Giuseppe Fiorentino, Massimo Carella, Marco Castori, Filippo Aucella, Pamela Raggi, Rita Perna, Matteo Bassetti, Antonio Di Biagio, Maurizio Sanguinetti, Luca Masucci, Alessandra Guarnaccia, Serafina Valente, Oreste De Vivo, Elena Bargagli, Marco Mandalà, Alessia Giorli, Lorenzo Salerni, Patrizia Zucchi, Pierpaolo Parravicini, Elisabetta Menatti, Tullio Trotta, Ferdinando Giannattasio, Gabriella Coiro, Fabio Lena, Gianluca Lacerenza, Domenico A. Coviello, Cristina Mussini, Enrico Martinelli, Luisa Tavecchia, Mary Ann Belli, Lia Crotti, Gianfranco Parati, Maurizio Sanarico, Filippo Biscarini, Alessandra Stella, Marco Rizzi, Franco Maggiolo, Diego Ripamonti, Claudia Suardi, Tiziana Bachetti, Maria Teresa La Rovere, Simona Sarzi-Braga, Maurizio Bussotti, Katia Capitani, Simona Dei, Sabrina Ravaglia, Rosangela Artuso, Elena Andreucci, Giulia Gori, Angelica Pagliazzi, Erika Fiorentini, Antonio Perrella, Francesco Bianchi, Paola Bergomi, Emanuele Catena, Riccardo Colombo, Sauro Luchi, Giovanna Morelli, Paola Petrocelli, Sarah Iacopini, Sara Modica, Silvia Baroni, Francesco Vladimiro Segala, Francesco Menichetti, Marco Falcone, Giusy Tiseo, Chiara Barbieri, Tommaso Matucci, Davide Grassi, Claudio Ferri, Franco Marinangeli, Francesco Brancati, Antonella Vincenti, Valentina Borgo, Stefania Lombardi, Mirco Lenzi, Massimo Antonio Di Pietro, Francesca Vichi, Benedetta Romanin, Letizia Attala, Cecilia Costa, Andrea Gabbuti, Roberto Menè, Marta Colaneri, Patrizia Casprini, Giuseppe Merla, Gabriella Maria Squeo, Marcello Maffezzoni, Stefania Mantovani, Mario U. Mondelli &, Serena Ludovisi, Anthony, O, Nicola, P, Chiara, F, Margherita, B, Francesca, F, Francesca, C, Alessandra, R, Simone, F, Francesco, R, Mari, F, Daga, S, Benetti, E, Bruttini, M, Palmieri, M, Croci, S, Amitrano, S, Meloni, I, Frullanti, E, Doddato, G, Lista, M, Beligni, G, Valentino, F, Zguro, K, Tita, R, Giliberti, A, Antonietta Mencarelli, M, Lo Rizzo, C, Maria Pinto, A, Ariani, F, Di Sarno, L, Montagnani, F, Tumbarello, M, Rancan, I, Fabbiani, M, Rossetti, B, Bergantini, L, D’Alessandro, M, Cameli, P, Bennett, D, Anedda, F, Marcantonio, S, Scolletta, S, Franchi, F, Antonietta Mazzei, M, Guerrini, S, Conticini, E, Cantarini, L, Frediani, B, Tacconi, D, Spertilli Raffaelli, C, Feri, M, Donati, A, Scala, R, Guidelli, L, Spargi, G, Corridi, M, Nencioni, C, Croci, L, Piero Caldarelli, G, Romani, D, Piacentini, P, Bandini, M, Desanctis, E, Cappelli, S, Canaccini, A, Verzuri, A, Anemoli, V, Pisani, M, Ognibene, A, Pancrazzi, A, Lorubbio, M, Vaghi, M, D’Arminio Monforte, A, Gaia Miraglia, F, Bruno, R, Vecchia, M, Girardis, M, Venturelli, S, Busani, S, Cossarizza, A, Antinori, A, Vergori, A, Emiliozzi, A, Rusconi, S, Siano, M, Gabrieli, A, Riva, A, Francisci, D, Schiaroli, E, Paciosi, F, Tommasi, A, Zuccon, U, Vietri, L, Giorgio Scotton, P, Andretta, F, Panese, S, Baratti, S, Scaggiante, R, Gatti, F, Giuseppe Parisi, S, Castelli, F, Quiros-Roldan, E, Degli Antoni, M, Zanella, I, Della Monica, M, Piscopo, C, Capasso, M, Russo, R, Andolfo, I, Iolascon, A, Fiorentino, G, Carella, M, Castori, M, Aucella, F, Raggi, P, Perna, R, Bassetti, M, Di Biagio, A, Sanguinetti, M, Masucci, L, Guarnaccia, A, Valente, S, De Vivo, O, Bargagli, E, Mandalà, M, Giorli, A, Salerni, L, Zucchi, P, Parravicini, P, Menatti, E, Trotta, T, Giannattasio, F, Coiro, G, Lena, F, Lacerenza, G, Coviello, D, Mussini, C, Martinelli, E, Tavecchia, L, Ann Belli, M, Crotti, L, Parati, G, Sanarico, M, Biscarini, F, Stella, A, Rizzi, M, Maggiolo, F, Ripamonti, D, Suardi, C, Bachetti, T, Teresa La Rovere, M, Sarzi-Braga, S, Bussotti, M, Capitani, K, Dei, S, Ravaglia, S, Artuso, R, Andreucci, E, Gori, G, Pagliazzi, A, Fiorentini, E, Perrella, A, Bianchi, F, Bergomi, P, Catena, E, Colombo, R, Luchi, S, Morelli, G, Petrocelli, P, Iacopini, S, Modica, S, Baroni, S, Vladimiro Segala, F, Menichetti, F, Falcone, M, Tiseo, G, Barbieri, C, Matucci, T, Grassi, D, Ferri, C, Marinangeli, F, Brancati, F, Vincenti, A, Borgo, V, Lombardi, S, Lenzi, M, Antonio Di Pietro, M, Vichi, F, Romanin, B, Attala, L, Costa, C, Gabbuti, A, Menè, R, Colaneri, M, Casprini, P, Merla, G, Maria Squeo, G, Maffezzoni, M, Mantovani, S, Mondelli &, M, Ludovisi, S, Onoja, Anthony, Picchiotti, Nicola, Fallerini, Chiara, Baldassarri, Margherita, Fava, Francesca, Colombo, Francesca, Chiaromonte, Francesca, Renieri, Alessandra, Furini, Simone, Raimondi Francesco, Francesca Mari, Sergio Daga, Elisa Benetti, Mirella Bruttini, Maria Palmieri, Susanna Croci, Sara Amitrano, Ilaria Meloni, Elisa Frullanti, Gabriella Doddato, Mirjam Lista, Giada Beligni, Floriana Valentino, Kristina Zguro, Rossella Tita, Annarita Giliberti, Maria Antonietta Mencarelli, Caterina Lo Rizzo, Anna Maria Pinto, Francesca Ariani, Laura Di Sarno, Francesca Montagnani, Mario Tumbarello, Ilaria Rancan, Massimiliano Fabbiani, Barbara Rossetti, Laura Bergantini, Miriana D’Alessandro, Paolo Cameli, David Bennett, Federico Anedda, Simona Marcantonio, Sabino Scolletta, Federico Franchi, Maria Antonietta Mazzei, Susanna Guerrini, Edoardo Conticini, Luca Cantarini, Bruno Frediani, Danilo Tacconi, Chiara Spertilli Raffaelli, Marco Feri, Alice Donati, Raffaele Scala, Luca Guidelli, Genni Spargi, Marta Corridi, Cesira Nencioni, Leonardo Croci, Gian Piero Caldarelli, Davide Romani, Paolo Piacentini, Maria Bandini, Elena Desanctis, Silvia Cappelli, Anna Canaccini, Agnese Verzuri, Valentina Anemoli, Manola Pisani, Agostino Ognibene, Alessandro Pancrazzi, Maria Lorubbio, Massimo Vaghi, Antonella D’Arminio Monforte, Federica Gaia Miraglia, Raffaele Bruno, Marco Vecchia, Massimo Girardis, Sophie Venturelli, Stefano Busani, Andrea Cossarizza, Andrea Antinori, Alessandra Vergori, Arianna Emiliozzi, Stefano Rusconi, Matteo Siano, Arianna Gabrieli, Agostino Riva, Daniela Francisci, Elisabetta Schiaroli, Francesco Paciosi, Andrea Tommasi, Umberto Zuccon, Lucia Vietri, Pier Giorgio Scotton, Francesca Andretta, Sandro Panese, Stefano Baratti, Renzo Scaggiante, Francesca Gatti, Saverio Giuseppe Parisi, Francesco Castelli, Eugenia Quiros-Roldan, Melania Degli Antoni, Isabella Zanella, Matteo Della Monica, Carmelo Piscopo, Mario Capasso, Roberta Russo, Immacolata Andolfo, Achille Iolascon, Giuseppe Fiorentino, Massimo Carella, Marco Castori, Filippo Aucella, Pamela Raggi, Rita Perna, Matteo Bassetti, Antonio Di Biagio, Maurizio Sanguinetti, Luca Masucci, Alessandra Guarnaccia, Serafina Valente, Oreste De Vivo, Elena Bargagli, Marco Mandalà, Alessia Giorli, Lorenzo Salerni, Patrizia Zucchi, Pierpaolo Parravicini, Elisabetta Menatti, Tullio Trotta, Ferdinando Giannattasio, Gabriella Coiro, Fabio Lena, Gianluca Lacerenza, Domenico A. Coviello, Cristina Mussini, Enrico Martinelli, Luisa Tavecchia, Mary Ann Belli, Lia Crotti, Gianfranco Parati, Maurizio Sanarico, Filippo Biscarini, Alessandra Stella, Marco Rizzi, Franco Maggiolo, Diego Ripamonti, Claudia Suardi, Tiziana Bachetti, Maria Teresa La Rovere, Simona Sarzi-Braga, Maurizio Bussotti, Katia Capitani, Simona Dei, Sabrina Ravaglia, Rosangela Artuso, Elena Andreucci, Giulia Gori, Angelica Pagliazzi, Erika Fiorentini, Antonio Perrella, Francesco Bianchi, Paola Bergomi, Emanuele Catena, Riccardo Colombo, Sauro Luchi, Giovanna Morelli, Paola Petrocelli, Sarah Iacopini, Sara Modica, Silvia Baroni, Francesco Vladimiro Segala, Francesco Menichetti, Marco Falcone, Giusy Tiseo, Chiara Barbieri, Tommaso Matucci, Davide Grassi, Claudio Ferri, Franco Marinangeli, Francesco Brancati, Antonella Vincenti, Valentina Borgo, Stefania Lombardi, Mirco Lenzi, Massimo Antonio Di Pietro, Francesca Vichi, Benedetta Romanin, Letizia Attala, Cecilia Costa, Andrea Gabbuti, Roberto Menè, Marta Colaneri, Patrizia Casprini, Giuseppe Merla, Gabriella Maria Squeo, Marcello Maffezzoni, Stefania Mantovani, Mario U. Mondelli &, and Serena Ludovisi
- Abstract
We employed a multifaceted computational strategy to identify the genetic factors contributing to increased risk of severe COVID-19 infection from a Whole Exome Sequencing (WES) dataset of a cohort of 2000 Italian patients. We coupled a stratified k-fold screening, to rank variants more associated with severity, with the training of multiple supervised classifiers, to predict severity based on screened features. Feature importance analysis from tree-based models allowed us to identify 16 variants with the highest support which, together with age and gender covariates, were found to be most predictive of COVID-19 severity. When tested on a follow-up cohort, our ensemble of models predicted severity with high accuracy (ACC = 81.88%; AUCROC = 96%; MCC = 61.55%). Our model recapitulated a vast literature of emerging molecular mechanisms and genetic factors linked to COVID-19 response and extends previous landmark Genome-Wide Association Studies (GWAS). It revealed a network of interplaying genetic signatures converging on established immune system and inflammatory processes linked to viral infection response. It also identified additional processes cross-talking with immune pathways, such as GPCR signaling, which might offer additional opportunities for therapeutic intervention and patient stratification. Publicly available PheWAS datasets revealed that several variants were significantly associated with phenotypic traits such as “Respiratory or thoracic disease”, supporting their link with COVID-19 severity outcome.
- Published
- 2022