ACE2, SARS-CoV-2入侵的最热门目标

1.ACE2是什么?

2.ACE2的主要作用是什么?

3.ACE2主要在哪些组织中表达?

4.SARS-CoV-2如何通过ACE2入侵人体?

5.COVID-19治疗进展

6.SARS-CoV-2有其他入侵目标吗?

7.ACE2研究最新进展

1.ACE2是什么?

血管紧张素转换酶2 (ACE2)，也被称为ACAH，在2000年被确定为第一个报告的ACE同源物。该基因编码的蛋白质属于血管紧张素转换酶家族的二肽羧二肽酶。ACE2和ACE均属于肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)和激肽松弛激肽系统(KKS)家族。ACE2是一种金属蛋白酶，全长805个氨基酸。它是一种具有单一胞外催化结构域的I型跨膜糖蛋白。人类ACE2基因已克隆并定位到X染色体上。

和ACE一样，ACE2也有两个结构域:氨基端催化结构域和羧基端催化结构域。催化结构域有一个活性位点，称为锌金属肽酶结构域(HEXH motif)，与ACE的氨基结构域有41.8%的序列同源性(图1)，ACE2的羧基末端结构域与Collectrin有48%的序列同源性。凝集素是一种非催化蛋白，在肾氨基酸重吸收、胰腺β细胞增殖和可能的胰岛素分泌中起关键作用。

2.ACE2的主要作用是什么?

早期研究显示ACE2主要定位于心脏、肾脏和睾丸，并在许多其他组织中低水平表达，尤其是结肠和肺。后来的研究也表明ACE2在肝脏和肠道等其他器官中也发挥着重要作用。ACE和ACE2均属于金属蛋白酶的M2家族，其活性位点域暴露于细胞外表面，促进循环肽的代谢。如前所述，ACE和ACE2都是通过锌催化反应协调活性位点保守的组氨酸，促进水分子亲核攻击底物的羰基键，形成非共价结合中间体。

与ACE不同，ACE2是肾素-血管紧张素系统(RAS)的抑制因子。当ACE催化血管紧张素I (AngI)转化为有效的血管收缩剂血管紧张素II (AngII)时，ACE2裂解AngI产生非活性的血管紧张素1-9肽(Ang 1-9)。Ang 1-9可被ACE转化为血管紧张素1-7 (Ang 1-7)。另一方面，ACE2可以将AngII水解为Ang(1-7)，其水解效率是AngI的400倍。说明ACE2主要通过水解AngII生成Ang 1-7。此外，Ang 1-7作用于Mas受体发挥心血管舒张血管保护作用，抗炎、抗增殖、抗纤维化、抗肺泡上皮细胞凋亡、抗氧化应激，从而拮抗Ang II的生物学作用(图2)。在活体中，ACE/AngⅡ/AT1R轴与ACE2 /Ang 1-7 / Mas轴相互平衡，既弥补了不足，又防止了矫形过度。

ACE2与1型和2型Ang II受体有很强的亲和力，调节血压、体液平衡、炎症、细胞增殖、肥大和纤维化。此外，ACE2的组织特异性表达提示其可能具有调节心血管、肾功能和生育能力的作用。

3.ACE2主要在哪些组织中表达?

ACE2的表达具有器官特异性，主要表达在肾脏、心血管和胃肠道系统。在正常肺组织中，I型和II型肺泡上皮细胞均存在ACE2。多项研究表明，SARS-CoV-2和SARS-CoV均通过人类细胞表面的ACE2受体进入人体细胞。因此，与不表达ACE2的组织相比，表达ACE2的组织更易被SARS-CoV-2入侵。这也为新冠肺炎的主要传播途径和预防方法奠定了理论基础。

对眼睛来说，ACE2通常位于上皮细胞的管腔表面。这意味着新冠病毒通过眼球表面感染人体的可能性非常低。但是，眼睛不仅仅是一个眼球，而且是上下眼睑的粘膜，所以勤洗手、不要用手揉眼睛仍然是保护自己免受新冠病毒感染的重要方法。

此外，肺泡上皮细胞和小肠上皮细胞中ACE2蛋白水平较高，这可以解释为什么COVID-19是一种下呼吸道疾病，但部分患者出现腹泻症状。此外，鼻腔和口腔黏膜也有ACE2受体表达，提示有必要佩戴口罩。但脾脏，胸腺，淋巴结，骨髓和免疫细胞都是ace2阴性。根据目前的数据，新冠肺炎对人体最大的危害仍然是急性肺损伤。

4.SARS-CoV-2如何通过ACE2入侵人体?

ACE2不仅在心血管系统中发挥重要作用，而且作为SARS-CoV-2的受体在肺部疾病中发挥作用。那么SARS-CoV-2是如何通过ACE2侵入人体的呢?最近的研究进一步证实，SARS-CoV-2的S (Spike糖蛋白)是介导病毒入侵宿主细胞的关键蛋白。

SARS-CoV-2通过与ACE2结合S蛋白入侵肺细胞。ACE2与SARS- cov -2受体结合域的亲和力比其与SARS病毒RBD的亲和力高10 ~ 20倍。SARS-CoV-2的S蛋白以三聚体形式存在。每个单体含有大约1300个氨基酸，其中300多个氨基酸构成了“受体结合域”(receptor binding domain, RBD)， S蛋白在该区域与ACE2结合。

病毒进入人体后，主要通过激活免疫系统，引起肺部损伤细胞因子和炎症因子．那么ACE2在冠状病毒致肺损伤的病理途径中起什么作用呢?

结合SARS的研究(图3)，冠状病毒进入人体后，我们发现ACE2表达下调，导致肺部ACE2水平下降。而ACE的水平没有受到影响。肺内ACE2和ACE失衡，AngII水平升高，过度激活肺内AT1a受体，导致肺毛细血管通透性增加。然后发生肺水肿，引起干咳，加重炎症和细胞凋亡，加速肺损伤。同时，ACE2水平降低导致Des-Arg bradykinin-BK1受体通路激活，进一步加重症状，加重肺部炎症和损伤。

5.COVID-19治疗进展

随着ACE2的暴露成为SARS-CoV-2入侵的靶点，阻断病毒与ACE2的结合成为治疗方向之一。以往治疗SARS的研究发现，使用可溶性ACE2受体或针对ACE2的抗体可以阻断SARS- cov与该受体的结合，从而扰乱病毒感染细胞的过程。

• 1月31日，德国莱布尼茨灵长类研究所Markus Hoffmann等人在bioRxiv上发表了题为《新型冠状病毒2019 (2019- ncov)利用sars冠状病毒受体ACE2和细胞蛋白酶TMPRSS2进入靶细胞》的文章。说明SARS-CoV-2通过SARS- cov受体ACE2进入人体，细胞蛋白酶TMPRSS2被用于触发SARS-CoV-2 S (Spike糖蛋白)。TMPRSS2抑制剂可防止SARS-CoV-2进入，是一种治疗方案。最后，研究表明，恢复期SARS患者血清中和了SARS- cov -2- s的进入。这些发现揭示了SARS-CoV-2和SARS-CoV感染之间的重要共同点，并为抗病毒干预提供了潜在靶点。
• 2月7日，美国约翰·霍普金斯医院罗伯特·克鲁斯博士发表《新型冠状病毒在中国武汉爆发疫情时的治疗策略》一文。结果表明，与与ACE2受体结合的阻滞剂相比，使用可溶性ACE2与免疫球蛋白Fc结构域(ACE2-Fc)融合，可阻断2019-nCoV的进入，帮助免疫系统建立持久免疫。此外，ACE2- fc治疗还可以补充感染时肺部ACE2水平的降低，从而直接治疗急性呼吸窘迫综合征。

6.SARS-CoV-2有其他入侵目标吗?

当前，新冠病毒的防治是科学和医学领域最迫切的研究热点。除了ACE2外，SARS-CoV-2还有其他入侵目标吗?我们结合SARS研究，列出了以下与冠状病毒研究相关的目标:

• 比例导引位于细胞膜上。该蛋白参与生物过程，如肽切割，病毒感染，内吞作用和细胞信号转导。最近在骆驼和羊驼身上发现了类似于hCoV-229E的冠状病毒，从蝙蝠传播到人类可能涉及这些中间宿主。这些病毒可能以一种结构保守的方式与宿主APN结合。
• DPP4是继ACE2和APN之后发现的第三个冠状病毒受体。DPP4以同源二聚体的形式存在于细胞表面，肽酶的二聚化依赖于水解酶结构域与β螺旋桨叶片IV延伸链的连接。因此，MERS-CoV RBD与DPP4的横向结合并不会破坏DPP4的二聚化。
• AGO4是一种可以“切割”RNA的内切酶，在RNA干扰和sirna介导的基因沉默中起着不可或缺的作用。AGO4可以结合病毒来源的siRNA (vsiRNA)介导病毒DNA和TGS的甲基化，从而抑制病毒的转录和复制。
• IFITM3对多种病毒均有抑制活性，有助于增强对H1N1流感病毒、西尼罗病毒和登革病毒的免疫力。研究表明，SARS冠状病毒(SARS- cov)的复制和刺突糖蛋白(SARS- cov S, Spike糖蛋白)介导的入侵均受IFITM蛋白的限制。IFITM抑制多种包膜病毒进入宿主，独立于病毒受体表达调节细胞向性。

7.ACE2研究最新进展

在本部分中，我们收集了ACE2研究的几个最新进展，如下:

• 2020年3月30日，《自然》杂志在线发表了两篇关于ACE2的研究。一份是清华大学王新权、张林奇的“SARS-CoV-2刺突受体结合ACE2受体的结构”，二份是明尼苏达大学李芳教授的“SARS-CoV-2受体识别的结构基础”。

  这两项研究揭示了SARS-CoV-2与人受体ACE2蛋白表面受体结合域复合体(complex of receptor binding domain, RBD)的晶体结构，并准确定位了ACE2与SARS-CoV-2 RBD的相互作用位点。阐明了SARS-CoV-2刺突糖蛋白介导的细胞感染的结构基础和分子机制，为治疗性抗体药物的开发和疫苗的设计提供了依据^{[7] [8]}．

• 2020年4月24日，《Nature Communications》杂志在线发表了一篇题为“重组ACE2-Ig中和SARS-CoV-2刺状假型病毒”的研究(相关研究结果于2月2日在预印本平台bioRxiv上发表)。

  来自第二军医大学的科学家开发出了能中和SARS-CoV-2的新抗体。他们通过连接人ACE2的胞外区域和人免疫球蛋白IgG1的Fc区域，生成了一个重组蛋白。此外，研究人员还使用了含有催化活性较低的ACE2突变体的融合蛋白。然后对融合蛋白进行表征。由于这些融合蛋白对冠状病毒具有交叉反应性，因此在SARS-CoV-2的诊断、预防和治疗方面具有潜在的应用价值^[10]．

• 2020年5月4日，上海交通大学附属第九人民医院范先群研究团队发表了《新型冠状病毒病(COVID-19)受体ACE2在恶性肿瘤中的基因改变、RNA表达和DNA甲基化分析:泛癌分析》血液学与肿瘤学杂志．本研究首次揭示了ACE2的遗传学和表观遗传泛癌的分析^[11]．
• 近日，美国哈佛大学医学院的研究团队联合多个团队在《细胞》杂志上发表了一篇题为《SARS-CoV-2受体ACE2是人类气道上皮细胞中干扰素刺激基因，在跨组织的特定细胞亚群中检测到》的研究报告。研究人员通过分析人类、非人灵长类动物和小鼠的单细胞测序结果，确定了新冠病毒的靶标。他们发现ACE2和TMPRSS2在II型肺细胞、吸收性肠细胞和鼻分泌细胞中共同表达。此外，研究人员在体外发现ACE2在气道上皮细胞中是人ISG，并在体内证实^[12]．

参考文献

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周鹏，杨欣，等．一种可能来源于蝙蝠的新型冠状病毒的肺炎暴发[J]。自然》2020。

[3]查看ORCID概要等．新型冠状病毒2019 (2019- ncov)利用sars冠状病毒受体ACE2和细胞蛋白酶TMPRSS2进入靶细胞[J]。bioRxiv。2020.

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蓝军，葛继万，等．SARS-CoV-2与ACE2受体结合的刺突受体结合域结构[J]。大自然。2020年,581:215 - 220。

尚健，叶刚，等．SARS-CoV-2受体识别的结构基础[J]。大自然。2020年,581:221 - 224。

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雷长海，钱科文，等．重组ACE2-Ig对SARS-CoV-2刺突假型病毒的中和作用[J]。自然通讯。2020,11,2070。

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卡莉·齐格勒，塞缪尔·j·阿隆，等．SARS-CoV-2受体ACE2是一种干扰素刺激的人呼吸道上皮细胞基因，并在不同组织的特定细胞亚群中检测到[J]。Cell. 2020, 181(5):1016-1035。