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北大醫院李建平教授團隊-血管緊張素轉換酶2在新型冠狀病毒急性肺損傷中的作用機制探討
劉夢苑，鄭博，張巖，李建平（北京大學第一醫院 心內科，北京 100034）
截至2020年2月16日，2019-新型冠狀病毒（2019 novel coronavirus，2019-nCoV）已經導致全球25個國家共51857人確診感染和1669人死亡，且發病人數仍呈持續攀升態勢。應該說，2019-nCoV感染是目前中國乃至世界最為重大的公共衛生威脅。
2019-nCoV是一種有包膜的、帶正電荷的單鏈RNA病毒，屬β冠狀病毒屬，Sarbecovirus亞屬。目前認為，該病毒來源於蝙蝠，經某種中間宿主傳染給人，並經過人-人傳播，導致疫情進一步擴大[1]。人感染2019-nCoV後，大部分患者會出現發熱、咳嗽、嘔吐和腹瀉等症狀，25.5%的患者出現重症肺炎，69.9%的患者出現輕症肺炎，病情嚴重者可出現急性呼吸衰竭、休克、甚至死亡[2]。
在2019-nCoV感染及發病的整個過程中，人體內一種重要的金屬蛋白酶——血管緊張素轉換酶2（angiotensin converting enzyme 2，ACE2）發揮了重要作用[1]。ACE2不但介導了病毒的感染，又因其在腎素-血管緊張素-醛固酮系統（renin-angiotensin-aldosterone system，RAAS）的重要調控作用，直接參與了病毒感染後急性肺損傷過程。而且，針對ACE2的干預措施可能會改善患者預後。因此，本文針對ACE2的結構與功能、表達調控、介導病毒感染及其在病毒感染後急性肺損傷中的作用進行全面闡述。
一、ACE2概述
作為血管緊張素轉換酶（angiotensin converting enzyme ，ACE）的一種同源物，ACE2於2000年被發現[3,4]。ACE2是由805個氨基酸構成的I型跨膜蛋白，有2個結構域，分別為氨基末端催化結構域和羧基末端結構域。催化結構域含有1個活性位點——鋅金屬蛋白結構域，該結構域與ACE具有41.8%的序列一致性[3-5]。編碼ACE2的基因位於X染色體-Xp22.2[6]。ACE2可在人體心臟、腎臟、肺臟、肝臟、睪丸和腸等多種組織中表達[4]。
（一）ACE2的功能
ACE2的功能可以概括為兩種形式：蛋白酶功能和非蛋白酶依賴功能。
1、蛋白酶功能
ACE2屬於金屬蛋白酶，其活性結構域暴露於細胞表面，有利於催化循環中的多肽。ACE2可以裂解血管緊張素Ⅰ（angiotensin Ⅰ，AngⅠ）生成無活性的血管緊張素1-9（angiotensin 1-9，Ang 1-9）肽[3,4]，而後者可以進一步被ACE或其他肽酶轉化為有血管擴張作用的血管緊張素1-7（angiotensin 1-7，Ang 1-7）肽[3]。另外，ACE2可以以更高的效率，將血管緊張素Ⅱ（angiotensin Ⅱ，Ang Ⅱ）代謝成Ang 1-7肽[7]。Ang 1-7肽與一種G蛋白偶聯受體—Mas結合，產生與ACE/AgⅡ/AT 1R通路激活相反的血管擴張、抗增殖等作用[7-10]（圖1），目前Ang 1-7肽已被證實有多種心血管保護作用，包括抗炎、抗栓、抗纖維化、抗心肌肥厚、抗心律失常、促進尿鈉排洩、抑制斑塊和血栓形成、改善代謝綜合徵相關血管功能障礙[11]。ACE2/Ang 1-7/Mas通路在高血壓、心力衰竭、缺血性和非缺血性心肌病等多種動物模型中均顯示出有益作用[12]。此外，體外試驗顯示，ACE2還可以裂解Apelin-13，使其羧基端脫掉1個氨基酸[13]，而這種修飾作用可以影響Apelin-13致血壓降低的作用。
圖1 ACE2在腎素-血管緊張素-醛固酮系統中的作用
注：AT1R：血管緊張素Ⅱ1型受體；AT2R：血管緊張素Ⅱ2型受體；MAS：Mas受體；ACE：血管緊張素轉換酶；ACE2：血管緊張素轉換酶2
2、非蛋白酶依賴功能
除了蛋白裂解功能，ACE2還具有其它重要的生物學功能。2003年，ACE2被確認為嚴重急性呼吸綜合徵冠狀病毒（severe acute respiratory syndrome coronavirus，SARS-CoV）的受體[14]，介導了該病毒的感染和傳播，且不依賴於ACE2的蛋白酶活性。結構學分析顯示，SARS-CoV的棘突蛋白與ACE2催化域亞單位Ⅰ的頭端接觸，不涉及亞單位Ⅱ，也不會封閉活性區域。SARS-CoV一旦與ACE2連接，ACE2的細胞外部分就會被裂解，而跨膜部分會向細胞內轉移，介導病毒顆粒與宿主細胞的進一步融合[7]（圖2）。
圖2 SARS病毒通過ACE2感染細胞的過程
注：ADAM17：解聚素-金屬蛋白酶17；ACE2：血管緊張素轉換酶2；SARS：嚴重急性呼吸綜合徵
ACE2除了作為SARS-CoV受體、介導病毒感染外，還參與了腸道內氨基酸的吸收。在腸道內，ACE2可與BOAT1氨基酸轉運子結合[15]，介導中性氨基酸的吸收。同樣，這種氨基酸轉運功能與ACE2的蛋白水解酶活性無關。
（二）ACE2的表達調控
1、ACE2的轉錄調控
（1）病生理狀態對ACE2的轉錄調控
在高血壓和糖尿病小鼠腎臟內，ACE2的蛋白表達下調[16,17]。Zisman等[18]發現，在人特發性擴張型心肌病的終末期心臟中，ACE2的表達明顯增加。Kuba等[19]發現，在急性肺損傷小鼠動物模型中，ACE2表達明顯減少。Koitka等[20]發現，ACE2在腎臟病和腎臟次全切除大鼠體內的表達明顯減少。
（2）藥物對ACE2的轉錄調控
越來越多的證據提示，RAAS抑制劑，包括血管緊張素轉換酶抑制劑（angiotensin converting enzyme inhibitor，ACEI）或血管緊張素Ⅱ1型受體（angiotensinⅡ Type 1 receptor，AT1R）拮抗劑可以上調ACE2 mRNA水平。Ishiyama等[21]利用大鼠心肌梗死模型，評估心肌梗死對於心肌ACE2 mRNA的影響，結果發現，心肌梗死並未造成心肌內ACE2 mRNA發生明顯變化，但是，當給予這些心肌梗死大鼠血管緊張素受體拮抗劑氯沙坦和奧美沙坦28 d後，大鼠心肌細胞內ACE2 mRNA水平分別升高了97%和42%。提示心肌梗死後血管緊張素受體拮抗劑的心臟保護作用部分來自於ACE2。後續有研究發現，分別給大鼠持續12 d 賴諾普利、氯沙坦和兩藥聯用，可以顯著升高心肌內ACE2 mRNA水平，而氯沙坦單獨使用或與賴諾普利聯用，還可以顯著增加大鼠心肌內ACE2酶的活性[22]。Keidar等[23]發現，對鹽皮質激素（醛固酮）的抑制可能會通過AgⅡ/NF-κB信號通路，抑制氧化應激，從而增加心力衰竭患者巨噬細胞內ACE2 mRNA水平；而γ干擾素和白介素-4則可以通過下調體外培養的上皮細胞的ACE2表達，而降低對SARS-CoV的易感性[24]。
2、ACE2的非轉錄調控-脫落與內化
2003年，ACE2被確認為SARS-CoV的受體。研究提示，病毒的棘突蛋白與ACE2接觸後，ACE2的完整分子結構或跨膜區域與病毒一起，在網格蛋白的協助下，通過胞吞作用進入細胞（內化）。在胰蛋白酶或弗林蛋白酶的作用下，病毒上的棘突蛋白進一步被激活，發生膜融合，病毒RNA釋放入細胞質，完成病毒對細胞的感染[14]。另外，ACE2可以在跨膜蛋白裂解酶ADAM17的作用下，發生細胞外近膜區的裂解（脫落），釋放其催化活性域，進入細胞外環境中[25]。儘管ACE2胞外脫落的生理功能尚未完全闡明，但研究提示，其與病毒進入細胞和病毒複製有關。體外試驗顯示，ADAM17抑制劑可以抑制病毒複製[26]。綜上所述，ACE2的內化和脫落減少了細胞表面ACE2的表達。
二、ACE2介導2019-nCoV感染
通過新一代測序技術，2019-nCoV的全基因組序列已被成功確定[1]。通過與既往冠狀病毒的基因組序列比較發現，2019-nCov與兩種蝙蝠來源而導致SARS的病毒非常接近（88%的相似度），分別為bat-SL-CoVZC45和bat-SL-CoVZXC21，而與SARS-CoV有79%的相似度，與MERS-CoV有50%的相似度。進化分析提示，2019-nCoV屬於ß冠狀病毒屬的Sarbecovirus亞屬。比較2019-nCoV與SARS-CoV棘突蛋白的編碼序列發現，整個棘突蛋白序列的相似度為76%～78%，而受體結合域（receptor binding domain，RBD）的相似度為73%～76%，而受體結合子（receptor binding motif，RBM）的相似度為50%～53%[27]。兩種病毒棘突蛋白基因序列的高度相似性提示它們具有共同的受體——ACE2。對於2019-nCoV RBD結構的進一步分析還提示，2019-nCoV不但可以通過ACE2感染人類，還可以造成人-人傳播。
三、ACE2介導2019-nCoV導致的急性肺損傷
（一）RAAS在急性肺損傷病理生理機制中的作用
急性呼吸窘迫綜合徵（acute respiratory distress syndrome，ARDS）是急性肺損傷中最嚴重的一種表現形式，嚴重肺部感染、誤吸、敗血症、創傷等多種原因引起瀰漫性肺泡毛細血管損傷，病理表現為微血管通透性增高，肺泡腔內充滿中性粒細胞、巨噬細胞和富含蛋白質的液體，伴透明膜形成[28,29]。自2003年SARS-CoV感染引起ARDS後，RAAS在ARDS/急性肺損傷中的作用受到了廣泛關注。在吸入酸性氣體模擬的急性肺損傷動物模型中，小鼠肺臟和血漿中Ang Ⅱ水平明顯升高，ACE基因失活後使AngⅡ水平下降。劉映霞等[30]最新發表的研究也顯示感染2019-nCoV患者體內AngⅡ水平明顯升高。ACE基因完全敲除（Ace-/-）小鼠的急性肺損傷程度最輕，而ACE基因部分敲除小鼠（Ace+/-）次之，提示ACE基因表達量與肺損傷程度有關。與野生型小鼠相比，AT1a受體基因敲除的小鼠肺損傷更輕[31]。重組SARS棘突蛋白感染後的小鼠體內AngⅡ表達增加，使用AT1受體拮抗劑可以減緩其急性呼吸窘迫的表現[19]。隊列研究發現，ACE基因I/D多態性與ARDS易感性及預後相關，ARDS患者中D/D基因型的比例較一般人群更高，此外D/D基因型的ARDS患者死亡率較I/I基因型高[32]。上述結果提示，ACE/AngⅡ/AT1R可能介導了急性肺損傷的發病過程。
（二）ACE2通過ACE/AngⅡ/AT1R與ACE2/Ang 1-7/Mas失平衡加重肺損傷
既往研究發現，SARS-CoV感染，或僅僅是重組SARS棘突蛋白的感染，均可導致明顯的肺內及培養細胞的ACE2表達降低，而ACE表達並不減少[19]。ACE2的表達減少會加重各種原因，包括冠狀病毒感染導致的急性肺損傷。
在吸入酸性氣體和誘導敗血症模擬急性肺損傷的動物模型中，ACE2基因敲除小鼠較野生型小鼠的臨床和病理表現更重，死亡率增加[31]。為了進一步驗證ACE2在急性肺損傷中的作用，Imai等[31]將重組人ACE2（recombinant human ACE2，rhuACE2）注入小鼠體內，結果顯示，rhuACE2可以明顯減輕酸性氣體對小鼠肺的損傷，這一現象在ACE2敲除小鼠和野生型小鼠中均存在。而使用無催化活性的ACE2重組蛋白（mut-rhuACE2）並不能減輕酸性氣體所致急性肺損傷。上述結果提示，具有催化活性的ACE2可以在急性肺損傷中發揮保護作用。
在酸性氣體誘導的急性肺損傷模型中，ACE2基因敲除小鼠較野生型小鼠肺臟和血漿AngⅡ水平升高更加明顯，注射rhu-ACE2在減輕肺損傷的同時，也降低了肺臟AngⅡ的表達，使用AT1受體拮抗劑或ACE基因失活可以減輕ACE2敲除小鼠的急性肺損傷[31]。上述結果提示，ACE2可能通過負向調節ACE/AngⅠ/AT1R而減輕急性肺損傷。
研究還發現，SARS-CoV除可以感染Ⅰ型和Ⅱ型肺泡壁細胞或血管內皮細胞外，也可通過ACE2感染肺上皮祖細胞，從而可能會影響急性肺損傷後肺組織的修復[33]。
四、ACE2在2019-nCoV肺炎中潛在的治療價值
對於2019-nCoV感染，目前尚無特異性治療方法。基於ACE/ACE2紊亂在2019-nCoV導致急性肺損傷中的重要作用，針對ACE2的干預手段可能成為改善嚴重患者預後的治療方法。重組人ACE2蛋白或高表達ACE2的治療性載體，已經在動物實驗中顯示出對急性肺損傷的保護作用。其次，使用ACEI類藥物或者AT1R拮抗劑，可能會通過對AngⅡ的抑制作用，可以減輕肺組織的損傷。同樣，治療性Ang 1-7肽也可能會通過Mas受體發揮其對肺組織的保護作用[34]。
五、總結
儘管目前尚缺乏對2019-nCoV導致急性肺損傷的直接研究證據，但由於2019-nCoV與SARS-CoV的高度同源性，筆者推測兩種病毒共享相似的發病機制。對發病機制的深入瞭解，有利於對疫情防控作出有針對性的干預。ACE2作為人體內RAAS非常重要的酶，不僅介導了病毒的感染，而且介導了病毒感染後引起的嚴重的急性肺損傷，後者與患者的高死亡率直接相關。一方面，ACE2的表達增加，可能增加病毒感染機會；另一方面，ACE2的表達增加，又可以發揮對急性肺損傷的保護作用。但到目前為止，我們尚不清楚對ACE2表達的影響（如對RAAS的抑制），對於2019-nCoV易感性和患者預後的影響，尚需更多的基礎和臨床研究證實。
參考文獻
[1]Lu R, Zhao X, Li J, et al. Genomic characterisation and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and receptor binding[J]. Lancet, 2020. [Epub ahead of print]
[2]Yang Y, Lu QB, Liu MJ, et al. Epidemiological and clinical features of the 2019 novel coronavirus outbreak in China[J]. BMJ, 2020. [Epub ahead of print]
[3]Donoghue M, Hsieh F, Baronas E, te al. A novel angiotensin-converting enzyme-related carboxypeptidase (ACE2) converts angiotensin I to angiotensin 1-9[J]. Circ Res, 2000, 87(5):E1-E9.
[4]Tipnis SR, Hooper NM, Hyde R, et al. A human homolog of angiotensin-converting enzyme. Cloning and functional expression as a captopril-insensitive carboxypeptidase[J]. J Biol Chem, 2000, 275(43):33238-33243.
[5]Turner AJ, Hooper NM. The angiotensin-converting enzyme gene family: genomics and pharmacology[J]. Trends Pharmacol Sci, 2002, 23(4):177-183.
[6]Crackower MA, Sarao R, Oudit GY, et al. Angiotensin-converting enzyme 2 is an essential regulator of heart function[J]. Nature, 2002, 417(6891):822-828.
[7]Vickers C, Hales P, Kaushik V, et al. Hydrolysis of biological peptides by human angiotensin-converting enzyme-related carboxypeptidase[J]. J Biol Chem, 2002, 277(17):14838-14843.
[8]Santos RA, Simoes e Silva AC, Maric C, et al. Angiotensin-(1-7) is an endogenous ligand for the G protein-coupled receptor Mas[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2003, 100(14):8258-8263.
[9]Keidar S, Kaplan M, Gamliel-Lazarovich A. ACE2 of the heart: From angiotensin I to angiotensin (1-7)[J]. Cardiovasc Res, 2007, 73(3):463-469.
[10]Raizada MK, Ferreira AJ. ACE2: a new target for cardiovascular disease therapeutics[J]. J Cardiovasc Pharmacol, 2007, 50(2):112-119.
[11]Te Riet L, van Esch JH, Roks AJ, et al. Hypertension: renin-angiotensin-aldosterone system alterations [J]. Circ Res, 2015, 116(6):960-975.
[12]Patel VB, Zhong JC, Grant MB, et al. Role of the ACE2/Angiotensin 1-7 Axis of the Renin-Angiotensin System in Heart Failure [J]. Circ Res, 2016, 118(8):1313-1326.
[13]Alenina N, Xu P, Rentzsch B, et al. Genetically altered animal models for Mas and angiotensin-(1-7)[J]. Exp Physiol, 2008, 93(5):528-537.
[14]L Li W, Moore MJ, Vasilieva N, et al. Angiotensin-converting enzyme 2 is a functional receptor for the SARS coronavirus[J]. Nature, 2003, 426(6965):450-454.
[15]Li F, Li W, Farzan M, et al. Structure of SARS coronavirus spike receptor-binding domain complexed with receptor[J]. Science, 2005, 309(5742):1864-1868.
[16]Camargo SM, Singer D, Makrides V, et al. Tissue-specific amino acid transporter partners ACE2 and collectrin differentially interact with hartnup mutations[J]. Gastroenterology, 2009, 136(3):872-882.
[17]Tikellis C, Johnston CI, Forbes JM, et al. Characterization of renal angiotensin-converting enzyme 2 in diabetic nephropathy[J]. Hypertension, 2003, 41(3):392-327.
[18]Zisman LS, Keller RS, Weaver B, et al. Increased angiotensin-(1-7)-forming activity in failing human heart ventricles: evidence for upregulation of the angiotensin-converting enzyme Homologue ACE2[J]. Circulation, 2003, 108(14):1707-1712.
[19]Kuba K, Imai Y, Rao S, et al. A crucial role of angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) in SARS coronavirus-induced lung injury[J]. Nat Med, 2005, 11(8):875-879.
[20]Koitka A1, Cooper ME, Thomas MC, et al. Angiotensin converting enzyme 2 in the kidney[J]. Clin Exp Pharmacol Physiol, 2008, 35(4):420-425.
[21]Ishiyama Y, Gallagher PE, Averill DB, et al. Upregulation of angiotensin-converting enzyme 2 after myocardial infarction by blockade of angiotensin II receptors[J]. Hypertension, 2004, 43(5):970-976.
[22]Ferrario CM, Jessup J, Chappell MC, et al. Effect of angiotensin-converting enzyme inhibition and angiotensin II receptor blockers on cardiac angiotensin-converting enzyme 2[J]. Circulation, 2005, 111(20):2605-2610.
[23]Keidar S, Gamliel-Lazarovich A, Kaplan M, et al. Mineralocorticoid receptor blocker increases angiotensin-converting enzyme 2 activity in congestive heart failure patients[J]. Circ Res, 2005, 97(9):946-953.
[24]de Lang A, Osterhaus AD, Haagmans BL. Interferon-gamma and interleukin-4 downregulate expression of the SARS coronavirus receptor ACE2 in Vero E6 cells[J]. Virology, 2006, 353(2):474-481.
[25]Wang H, Yang P, Liu K, et al. SARS coronavirus entry into host cells through a novel clathrin- and caveolae-independent endocytic pathway[J]. Cell Res, 2008, 18(2):290-301.
[26]Haga S, Yamamoto N, Nakai-Murakami C, et al. Modulation of TNF-alpha-converting enzyme by the spike protein of SARS-CoV and ACE2 induces TNF-alpha production and facilitates viral entry[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2008, 105(22):7809-7814.
[27]Wan Y, Shang J, Graham R, et al. Receptor recognition by novel coronavirus from Wuhan: An analysis based on decade-long structural studies of SARS[J]. J Virol, 2020. [Epub ahead of print]
[28]Ware LB, Matthay MA. The acute respiratory distress syndrome[J]. N Engl J Med. 2000, 342(18):1334-1349.
[29]Nagase T, Uozumi N, Ishii S, et al. Acute lung injury by sepsis and acid aspiration: a key role for cytosolic phospholipase A2[J]. Nat Immunol, 2000, 1(1):42-46.
[30]劉映霞，楊揚，張聰，等．新型冠狀病毒（2019-nCoV）感染患者肺損傷相關的臨床及生化指標研究[J/OL]．中國科學:生命科學，2020．（2020-02-12）[2020-02-14]．https://kns.cnki.net/KCMS/detail/11.5840.Q.20200212.0801.006.html.
[31]Imai Y, Kuba K, Rao S, et al. Angiotensin-converting enzyme 2 protects from severe acute lung failure[J] . Nature, 2005, 436(7047):112-116.
[32]Marshall RP, Webb S, Bellingan GJ, et al. Angiotensin converting enzyme insertion/deletion polymorphism is associated with susceptibility and outcome in acute respiratory distress syndrome[J]. Am J Respir Crit Care Med, 2002, 166(5):646-650.
[33]Ling TY, Kuo MD, Li CL, et al. Identification of pulmonary Oct-4+ stem/progenitor cells and demonstration of their susceptibility to SARS coronavirus (SARS-CoV) infection in vitro[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2006, 103(25):9530-9535.
[34]Wu Y. Compensation of ACE2 Function for Possible Clinical Management of 2019-nCoV-Induced Acute Lung Injury[J]. Virol Sin, 2020. [Epub ahead of print]
作者簡介
李建平教授
現任北京大學第一醫院心血管內科主任、心血管病研究所所長，主任醫師，教授，博士研究生導師，北京大學分子心血管病學教育部重點實驗室副主任，北京大學心血管內科學系副主任。中華醫學會心血管病學分會第十一屆委員會委員、精準心血管病學學組副組長，中國醫療保健國際交流促進會心血管疾病預防與治療分會副主任委員，中國醫師協會介入醫師分會常委，心臟介入專委會副主任委員，中國醫師協會心血管內科醫師分會委員兼副總幹事，中華預防醫學會心臟病預防與控制專業委員會第一屆委員會副秘書長。擔任人民衛生出版社《中國醫學前沿雜誌（電子版)》副主編。
主要從事冠心病介入臨床工作。長期從事高血壓、高同型半胱氨酸與腦卒中防控研究。在JAMA、Cardiovascular Research、ATVB等心血管頂尖雜誌發表多篇學術論文，以第二完成人的身份榮獲本領域研究獎勵4項，包括2011年中華醫學科技獎二等獎“降壓聯合降低血漿同型半胱氨酸水平預防國人卒中”、2012年華夏醫學科技獎一等獎“H型高血壓腦卒中防治的轉化醫學研究”、2016年高等學校科學研究優秀成果獎科學技術進步獎一等獎“中國腦卒中高發成因和精準預防的研究與轉化”、2016年國家科技進步二等獎“中國腦卒中精準預防策略的轉化應用”。主持科技部重大專項子課題以及國家自然基金、首發基金等多項研究項目。
關鍵字: converting enzyme SARS
