ACE2—新型冠狀病毒入侵人體的靶標(biāo)
日期：2020-03-06 18:15:27
2019年底新型冠狀病毒（SARS-CoV-2，前稱：2019-nCoV）首次現(xiàn)身武漢，引發(fā)的肺炎（COVID-19）在春節(jié)之際，以迅雷不及掩耳的態(tài)勢席卷全國，一時之間，風(fēng)聲鶴唳，全城戒備。隨著關(guān)于SARS-CoV-2研究的深入展開，新型冠狀病毒入侵人體的途徑也逐漸明了，首先揭露的便是ACE2，新型冠狀病毒入侵人體門戶的靶標(biāo)。其實，ACE2與細(xì)胞因子風(fēng)暴一樣，并不是第一次以這種形式為人們所熟知。17年前引發(fā)非典型肺炎的SARS-CoV也是通過肺泡細(xì)胞表面的ACE2受體入侵人類細(xì)胞的。那ACE2究竟是個啥？咋就如此受冠狀病毒的青睞呢？來來來，緊跟小編的腳步，我們一起來了解下~
1. 什么是ACE2?
血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2（ACE2），也稱為ACEH，在2000年作為第一個被報道的ACE同源物開始為世人所知。該基因編碼的蛋白屬于二肽基羧基二肽酶的血管緊張素轉(zhuǎn)換酶家族。ACE2與ACE均屬于腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(RAAS)和激肽-緩激肽系統(tǒng)（KKS）家族。ACE2是一種金屬蛋白酶，全長805個氨基酸，是具有單一胞外催化結(jié)構(gòu)域的I型跨膜糖蛋白。人類ACE2基因已經(jīng)被克隆并被定位到X染色體上。
像ACE一樣，ACE2有兩個結(jié)構(gòu)域：氨基末端催化結(jié)構(gòu)域和羧基末端結(jié)構(gòu)域。催化結(jié)構(gòu)域有一個活性位點--鋅金屬肽酶結(jié)構(gòu)域（HEXH基序）--并且與ACE的氨基結(jié)構(gòu)域顯示出41.8%的序列一致性（Figure 1）。ACE2的羧基末端結(jié)構(gòu)域與Collectrin有48%的序列一致性，Collectrin是一種非催化蛋白，最近被證明在腎臟的氨基酸再吸收、胰腺β細(xì)胞增殖，以及可能胰島素胞吐等方面具有關(guān)鍵作用。
Figure 1. The structure comparison of ACE and ACE2
2. ACE2的主要功能是什么？
早期研究觀察到ACE2主要在心臟、腎臟和睪丸中定位，在其他多種組織中低水平表達(dá)，尤其是結(jié)腸和肺，而后來的研究也表明ACE2在肝臟和腸等其他器官中也具有重要作用。ACE和ACE2都屬于金屬蛋白酶的M2家族，其活性位點域暴露于細(xì)胞外表面，促進循環(huán)肽的代謝。ACE和ACE2都通過利用鋅催化反應(yīng)，鋅與活性位點內(nèi)保守的組氨酸配位，促進水分子對底物羰基鍵的親核攻擊，形成非共價結(jié)合的中間體。
盡管有相似之處，ACE2和ACE的作用不一樣，并不是激活腎素-血管緊張素系統(tǒng)（RAS），反而是這個系統(tǒng)剎車。當(dāng)血管緊張素I（Ang I）由ACE轉(zhuǎn)化成強效血管緊張素II（Ang II）時，ACE2可裂解Ang I，產(chǎn)生無活性的血管緊張素1-9（Ang 1-9），后者可通過ACE轉(zhuǎn)化為血管緊張素1-7（Ang 1-7）。另一方面，ACE2可將AngⅡ水解成Ang（1-7），水解AngII的效率大于其水解AngI的效率的400倍，說明ACE2主要通過水解AngⅡ這一途徑生成Ang 1-7。Ang 1-7通過作用于Mas受體，起到舒張血管、抗炎、抗增生、抗纖維化、抗肺泡上皮細(xì)胞凋亡和抗氧化應(yīng)激的心血管保護作用，達(dá)到拮抗AngⅡ的生物學(xué)作用（Figure 2）。在生物體內(nèi)，ACE/AngⅡ/AT1R軸和ACE2/Ang 1-7/MAS軸相互制衡，既彌補不足，又防止矯枉過正。
Figure 2. The role of ACE2 and ACE
ACE2與Ang II的1型和2型受體有很強的親和力，調(diào)節(jié)血壓、體液平衡、炎癥、細(xì)胞增殖、肥大和纖維化。同時該基因的器官和細(xì)胞的特異性表達(dá)提示其可能在調(diào)節(jié)心血管和腎臟功能以及生育方面發(fā)揮作用。
3. ACE2的主要分布在哪？
ACE2組織分布具有器官特異性，主要表達(dá)于腎臟、心血管及胃腸道系統(tǒng)，在正常肺組織中，Ⅰ型及Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞中均存在ACE2。相關(guān)研究表明，SARS-CoV-2和SARS-CoV都是通過人體細(xì)胞表面的ACE2受體進入人體細(xì)胞，所以原則上來說，表達(dá)ACE2的組織會被新冠病毒侵入，不表達(dá)ACE2的組織新冠病毒無法侵入。這也為COVID-19的主要傳播途徑與預(yù)防手段奠定了理論基礎(chǔ)。
比如眼睛，ACE2通常定位于上皮細(xì)胞的腔面。這意味著SARS-CoV-2通過眼球表面侵染人體的可能性非常低，但是眼睛不是只有一個眼球，還有上眼皮和下眼皮的黏膜，所以勤洗手和不用手揉眼睛還是非常重要的新冠病毒預(yù)防環(huán)節(jié)。
另外，肺泡上皮細(xì)胞和小腸上皮細(xì)胞的ACE2蛋白表達(dá)水平很高，這就能解釋為什么新冠病毒是下呼吸道疾病但有些病人出現(xiàn)腹瀉的癥狀。鼻腔和口腔黏膜也有ACE2受體的表達(dá)，這說明戴口罩非常必要。但是脾臟，胸腺，淋巴結(jié)，骨髓，免疫細(xì)胞都是ACE2陰性。COVID-19對人體的最大傷害，還是急性肺部損傷。
4. SARS-CoV-2是怎樣通過ACE2入侵人體的？
ACE2不僅在心血管系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的功能，而且作為SARS-CoV-2入胞的受體在肺部疾病中發(fā)揮了一定作用。那SARS-CoV-2到底是怎樣通過ACE2入侵人體的呢？最近研究已經(jīng)進一步證實：對于SARS-CoV-2而言，刺突蛋白（S蛋白）是介導(dǎo)病毒入侵宿主細(xì)胞的關(guān)鍵蛋白。SARS-CoV-2是通過Ｓ蛋白與ACE2結(jié)合入侵肺部細(xì)胞。ACE2與新冠病毒的RBD（受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域）之間的親和力，比其與SARS病毒的RBD的親和力高10到20倍。新冠病毒S蛋白以三聚體形態(tài)存在，每一個單體中約有1300多個氨基酸，其中300多個氨基酸構(gòu)成了“受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域”（RBD），即S蛋白與ACE2相聯(lián)結(jié)的地方。
病毒進入人體后，主要通過激活免疫系統(tǒng)，通過細(xì)胞因子、炎癥因子等導(dǎo)致肺損傷。那ACE2在冠狀病毒導(dǎo)致肺損傷的病理途徑中，到底發(fā)揮了怎么樣的作用？
結(jié)合SARS相關(guān)研究（Figure 3），我們發(fā)現(xiàn)冠狀病毒進入人體后，下調(diào)ACE2水平，導(dǎo)致肺內(nèi)ACE2的水平下降，而ACE未受影響，肺內(nèi)ACE2和ACE失衡，AngⅡ水平升高，過度激活肺部AT1a受體,導(dǎo)致肺部毛細(xì)血管通透性增加，隨之出現(xiàn)肺水腫，誘發(fā)干咳，同時加重炎癥反應(yīng)和細(xì)胞凋亡，加速肺損傷。同時ACE2水平降低導(dǎo)致Des-Arg緩激肽-BK1受體途徑激活，進一步加重癥狀，放大肺部炎癥與損傷。
Figure 3. Regulation of ACE and ACE2 during coronavirus-induced lung injury
5. COVID-19治療策略研究進展
隨著ACE2為SARS-CoV-2入侵人體靶點的揭露，阻斷病毒和 ACE2 的結(jié)合也成為了治療方向之一。之前在 SARS 的治療研究中發(fā)現(xiàn)，使用可溶性的 ACE2 受體或抗 ACE-2 的抗體，可以用來阻斷 SARS-CoV 和該受體的結(jié)合，從而達(dá)到擾亂病毒感染細(xì)胞過程的目的。
● 1月31日，德國萊布尼茲靈長類動物研究所 Markus Hoffmann 等人在 bioRxiv 發(fā)表題為《The novel coronavirus 2019 (2019-nCoV) uses the SARS-coronavirus receptor ACE2 and the cellular protease TMPRSS2 for entry into target cells》的文章，證明SARS-CoV-2通過SARS冠狀病毒受體ACE2進入人體，而細(xì)胞蛋白酶 TMPRSS2 用于SARS-CoV-2 spike（SARS-CoV-2-S）引發(fā)。TMPRSS2 抑制劑阻止進入，可作為治療選擇。最后，該研究顯示了來自恢復(fù)期SARS患者的血清中和了SARS-CoV-2-S的進入。該研究結(jié)果揭示了SARS-CoV-2和SARS冠狀病毒感染之間的重要共性，提供了抗病毒干預(yù)的潛在靶標(biāo)。
● 2月7日，來自美國Johns Hopkins醫(yī)院的Robert L. Kruse博士發(fā)表了文章《Therapeutic strategies in an outbreak scenario to treat the novel coronavirus originating in Wuhan, China》，作者闡述了相比與ACE2受體結(jié)合的阻斷劑，利用可溶性ACE2與免疫球蛋白Fc域（ACE2-Fc）融合，既可阻斷2019-nCoV的進入，又可以幫助免疫系統(tǒng)建立持久的免疫。此外，ACE2- Fc治療還可以補充感染期間肺部ACE2水平的降低，從而直接治療急性呼吸窘迫綜合征。
6. 研究冠狀病毒，還有其他哪些靶點？
當(dāng)前，冠狀病毒的預(yù)防與治療是科研界與醫(yī)藥界最緊急的研究熱點。除了最熱門的新型冠狀病毒受體ACE2靶點外，還有哪些靶點值得當(dāng)前冠狀病毒研究人員關(guān)注呢？我們結(jié)合了SARS相關(guān)研究，羅列出了以下與冠狀病毒研究相關(guān)的靶點：
● APN位于細(xì)胞膜上，該蛋白參與肽的裂解、病毒感染、內(nèi)吞作用和細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等生物學(xué)過程。最近在駱駝和羊駝中發(fā)現(xiàn)了類似hCoV-229E的冠狀病毒，從蝙蝠到人類的傳播可能涉及到這些中間宿主。這些病毒可能以結(jié)構(gòu)保守的方式結(jié)合其宿主APN。
● DPP4是在ACE2和APN之后，第三個被發(fā)現(xiàn)為冠狀病毒受體的外肽酶。DPP4以同源二聚體的形式存在于細(xì)胞表面，肽酶的二聚化依賴于水解酶結(jié)構(gòu)域和b螺旋槳葉片IV延伸鏈之間的分子進行連接。因此，MERS-CoV RBD與DPP4的側(cè)向結(jié)合不會破壞DPP4的二聚化。
● AGO4是一種核酸內(nèi)切酶，可以“切割” RNA，在RNA干擾和短干擾RNA介導(dǎo)的基因沉默中起著不可或缺的作用。AGO4可以結(jié)合病毒來源的siRNA（vsiRNA）來介導(dǎo)病毒DNA和TGS的甲基化，從而抑制病毒的轉(zhuǎn)錄和復(fù)制。
● IFITM3對多種病毒具有抑制活性，有助于增強對甲型H1N1流感病毒、西尼羅河病毒和登革熱病毒的免疫力。有研究表明SARS冠狀病毒（SARS-CoV）的復(fù)制和由SARS-CoV Spike蛋白介導(dǎo)的入侵受到IFITM蛋白的限制。IFITM限制了多種包膜病毒進入宿主，并獨立于病毒受體的表達(dá)來調(diào)節(jié)細(xì)胞的嗜性。
ACE2重組蛋白
References
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