新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）出現(xiàn)之后，一場抗擊新冠肺炎的“戰(zhàn)疫”也在中國迅速全面地展開。在我們與病毒作斗爭的過程中，科研工作者們從流行病學、病理現(xiàn)象、病毒溯源、防治措施等各個方面對病毒本身以及宿主受體進行了研究，作為與SARS-CoV-2結合的人類受體—血管緊張素轉化酶2（ACE2），它的功能探究就顯得尤為重要。那么除了作為幫助SARS-CoV-2病毒進入宿主細胞的“幫兇”之外，ACE2還扮演著什么樣的角色呢?待我慢慢道來。

 

ACE2與腎素-血管緊張素系統(tǒng)

 

血管緊張素轉化酶（angiotensin-converting enzyme, ACE）是一種編碼805個氨基酸的金屬蛋白酶，位于X染色體（Xp22.2）中，是具有單一胞外催化結構域的I型跨膜糖蛋白。在腎素-血管緊張素系統(tǒng)（renin-angiotensin system, RAS）中發(fā)揮著重要的調節(jié)功能，可將無活性的血管緊張素I（AngI）轉化為調控血管收縮的血管緊張素II（AngII），AngII是RAS系統(tǒng)的核心效應分子，通過血管緊張素受體（AT1和AT2）介導很多生物學反應。而血管緊張素轉化酶2（ACE2），是ACE的同源物，可將AngII裂解成Ang1-7多肽，具有保護心臟、舒張血管、抗生長和抗增殖的作用，還可以增強緩激肽的活性。

 

ACE2在腎素-血管緊張素系統(tǒng)中的作用示意圖

(引自Keiji Kuba et al, 2010)

 

2000年，研究人員將ACE2從心衰病人和人淋巴癌cDNA庫中克隆出來，此后，對ACE2的功能研究遍布了各個領域。

 

ACE2與新型冠狀病毒

 

ACE2是SARS病毒的功能受體。研究表明，當SARS冠狀病毒通過表達ACE2的細胞腔面進行感染時，其感染效力提高10倍。SARS病毒RBD利用其外部結構域與受體的N末端結合，形成了一個在RBD / ACE2相互作用中占主導地位的親水性接觸網(wǎng)絡。在與ACE2結合后，SARS-CoV包膜與宿主細胞膜之間的融合由S2亞基完成。這里需要提到兩種蛋白酶，一種是ADAM17金屬蛋白酶，另一種是絲氨酸跨膜蛋白酶TMPRSS2，目前已有報道說明這兩種酶在冠狀病毒進入宿主細胞與ACE2結合時發(fā)揮作用，那么具體是怎樣的呢？

 

KeijiKuba 等在2010年的研究中發(fā)現(xiàn)ACE2與SARS病毒結合后能以Clathrin依賴的方式進入宿主細胞，幾乎在同時，ACE2又會被ADAM17金屬蛋白酶切割而使得病毒與ACE2的結合受到了阻礙。同樣，Markus Hoffmann等人前段時間在Cell Press上提出了這樣的觀點，SARS-CoV-2進入宿主細胞時需要有TMPRSS2跨膜蛋白酶的參與，輔助ACE2與SARS-CoV-2的結合。我們可以發(fā)現(xiàn)，受體ACE2是主要的作用因子，但在冠狀病毒進入宿主細胞這個過程中，并不只是ACE2單一因子發(fā)揮功能，可以切割ACE2的蛋白酶ADAM17和參與ACE2與SARS-CoV-2膜融合過程的TMPRSS2很有可能也參與了新型冠狀病毒進入宿主細胞過程。在靶點藥物的開發(fā)方面，若是能夠將對機體的損害降到最低并對預后產(chǎn)生良好的效果，我們需要在基因的各個層面進行探究。從另一個方面來講，SARS-CoV-2肆虐人類，主要損傷的器官是肺部，這與ACE2在肺部的分布密不可分，因此，對于肺部疾病如肺纖維化，肺部炎癥甚至肺癌，都可以將ACE2作為關注的基因進行研究。

 

關于ADAM17與TMPRSS2靶點的具體內容，可以看我們明天的推文：新冠靶點新視角之二：跨膜蛋白酶ADAM17和TMPRSS2。

 

ACE2與腎臟疾病

 

最初的基因表達研究表明，ACE2僅在心臟、腎臟和睪丸中表達，但隨后的研究表明，它也存在于肺、肝、腦、胰腺和結腸中。ACE2蛋白可以水解Ang II以形成Ang 1-7。在腎臟中，Ang 1-7作用于與G蛋白偶聯(lián)的受體Mas，起到舒張血管、抗纖維化、抗增生和抗炎的血管保護作用。

 

腎臟損傷很大程度上是通過Ang II介導的，有研究表明ACE2基因敲除會導致糖尿病小鼠的血壓升高、腎小球損傷和腎纖維化，外源人重組ACE2可以通過減少白蛋白排泄的增加，減緩糖尿病腎�。―KD）的進展。ACE2在腎臟中高表達，主要在腎小管刷狀近緣，腎血管的內皮和平滑肌細胞以及足細胞。據(jù)報道，在受損的腎小管中，Ang II升高可能是在人類腎臟疾病中進一步腎臟損害的可能介質。因此，腎內ACE和ACE2之間的平衡破壞以及隨之而來的Ang II高水平可能導致腎損害。高血壓性腎病是高血壓的常見并發(fā)癥，其主要機制之一是與Ang II相關的炎癥，氧化應激和腎組織纖維化。值得注意的是，2019年4月，吉林大學藥學院發(fā)現(xiàn)，人參皂苷Rg3通過上調腎組織中ACE2來減輕大鼠和小鼠的AngII介導的腎損傷，而Rg3除了抗腫瘤活性外，還可以通過包括抗炎、抗氧化應激和抗纖維化等多種機制來保護心血管。

 

ACE2與心血管疾病

 

ACE2在心肌細胞、心肌成纖維細胞和冠狀動脈內皮細胞中廣泛表達。RAS系統(tǒng)調節(jié)體液、血壓平衡并維持血管張力，而ACE2是RAS系統(tǒng)中重要的調節(jié)蛋白，RAS過度激活（血管收縮增加）或者耗盡（血管舒張減少）會導致血管功能障礙，血管功能障礙是動脈粥樣硬化和心血管疾�。–VD）的主要原因。修復血管功能障礙和其他病理變化的一種方法是通過平衡Ang II的作用來增加ACE2的活性。Craceower等人解釋了ACE2在心臟功能中的重要性，他們發(fā)現(xiàn)ACE2基因敲除小鼠有嚴重的心臟功能障礙，ACE2可能具有重塑和調節(jié)心臟功能的潛力。研究者發(fā)現(xiàn)，ACE2的局部過表達顯著抑制了早期動脈粥樣硬化的發(fā)展，而ACE2的抗動脈粥樣硬化作用與血管平滑肌細胞的增殖、遷移、抑制以及改善內皮功能相關。進一步研究證實，患有左心室收縮功能障礙的患者血漿中ACE2活性增加，左心室收縮功能障礙是冠心病、猝死、心力衰竭和中風的重要危險因素。同時，Uri等人驗證了血清中ACE2的活性與心力衰竭惡化之間的相關性。特別注意了由高血壓向心力衰竭的發(fā)展過程中，血清中ACE2活性降低是心臟收縮功能異常的選擇性生物標志。Vaibhav B. Patel等的研究證實了ACE/Ang1-7軸在激活RAS系統(tǒng)上至關重要的反調節(jié)作用，ACE2的缺失會增強對心力衰竭的敏感性，但增加ACE2的水平可以預防和逆轉心力衰竭的表型。ACE2和Ang1-7已成為抵抗心力衰竭的主要保護途徑。這些證據(jù)都證明，ACE2在心血管的研究中扮演著非常重要的角色。

 

ACE2與糖尿病

 

RAS系統(tǒng)和利尿肽（natriuretic peptide, NPS）系統(tǒng)是糖尿病性心肌�。―CM）發(fā)生和發(fā)展的罪魁禍首，中性溶酶抑制劑可以通過增加NPS的水平來提高RAS阻滯劑（這里包括血管緊張素阻滯劑ARB和ACE抑制劑）來發(fā)揮保護心血管的作用。而ACE/Ang II/AT1受體途徑的激活與炎癥、氧化應激、纖維化和胰島素抵抗等過程相關。

在糖尿病小鼠模型中的研究顯示，視網(wǎng)膜和腎臟中ACE/Ang II/AT1受體通路上調而ACE2/Ang（1-7/Mas受體通路下調。這一點在患有糖尿病腎病的2型糖尿病患者的腎臟也得到了證實。這些數(shù)據(jù)表明，ACE/Ang II/AT1受體和ACE2/Ang（1-7）/Mas受體通路之間的不平衡是糖尿病并發(fā)癥發(fā)生和發(fā)展的常見基礎。ACE/Ang II/AT1受體與ACE2/Ang（1-7/Mas受體通路之間的失衡對于誘發(fā)神經(jīng)性疼痛至關重要。在2型糖尿病小鼠中觀察到的神經(jīng)性疼痛涉及ACE2 / Ang（1-7）/Mas受體途徑的下調，這種下調是由表達ACE2的脊髓背角神經(jīng)元的喪失引起的。由于激活ACE2/Ang（1-7）/Mas受體途徑可以緩解痛覺過敏，因此，外源補充Ang（1-7）可能是緩解2型糖尿病神經(jīng)性疼痛的有效治療策略。研究表明，ACE2的表達和激活是維持內皮功能平衡所必需的，DIZE是ACE2的活化劑，給糖尿病小鼠口服DIZE可促使ACE2過表達，改善血管功能，服用DIZE后，研究者發(fā)現(xiàn)糖尿病小鼠血漿Ang1-7水平升高，增強了NO的產(chǎn)生，并從動脈內皮細胞釋放到主動脈平滑肌細胞，從而改變血管的功能。

 

ACE2與中樞神經(jīng)系統(tǒng)

 

ACE2主要在胃腸道、心臟、腎臟、肺和睪丸中表達，在大腦中也發(fā)現(xiàn)了較低水平的ACE2表達。在神經(jīng)生化中，轉基因和基因敲除動物模型被用來研究神經(jīng)激素系統(tǒng)，解釋這個系統(tǒng)中單個成分的變化對整個生理過程的影響，比如RAS系統(tǒng)。5-羥色胺在大腦中起著神經(jīng)遞質的作用，由于色氨酸是5-羥色胺合成的前體，色氨酸攝取受損會導致5-羥色胺合成減少，血液和大腦中的5-羥色胺水平降低。血清素對于運動誘發(fā)的海馬神經(jīng)生成是必不可少的，研究者發(fā)現(xiàn)，ACE2缺失小鼠模型中消除了運動誘導的海馬齒狀回細胞增殖，但是，當通過口服糖基-1-色氨酸取代大腦中的5-羥色胺時，無法挽救運動誘導的神經(jīng)生成。研究發(fā)現(xiàn)，在轉基因小鼠模型中，對全腦或者下丘腦中ACE2過表達或者敲除/敲低的研究，有助于揭示ACE2在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的主要功能，可以觀察到ACE2在血液、心臟、壓力反應、焦慮、認知、腦損傷和神經(jīng)發(fā)生中有著明顯的調控作用，因此ACE2的激活成了多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療靶標。

 

中年高血壓和腦血管功能障礙與以后罹患老年癡呆癥（包括阿爾茨海默癥，AD）的風險增加有關。ACE2的增強可預防和逆轉AD臨床前模型中與淀粉樣蛋白有關的海馬病理學改變和認知障礙。研究表明，在CNS損傷的實驗動物模型中，ACEs誘導的rRAS通路活性降低，ACE2的誘導或Ang-(1-7) MasR信號的激活對缺血性中風和神經(jīng)性高血壓具有神經(jīng)保護作用。在Tg2576小鼠AD模型中，激活ACE2可以防止認知能力下降并減弱淀粉樣蛋白病理學現(xiàn)象。研究表明，DIZE在Tg2576老年鼠中，可以逆轉記憶認知相關障礙，減少Aβ病理，ACE2介導的記憶認知功能的改善與減少炎癥（IL-1β）相關，而不是與標記星形膠質細胞、小膠質細胞或血管功能有關。

 

ACE2的基因表達，來源：gene card

 

從組織表達情況以及以上各項研究的結果來看，ACE2在機體的分布是非常廣泛的，作為RAS系統(tǒng)的重要調控分子，ACE2參與口腔鱗癌的發(fā)展，在口腔粘膜上皮中表達；參與了慢性膽道纖維化的進程，以及甲狀腺癌的過程；在胃腸道中的表達，影響了病毒在胃腸道的擴散；由于ACE2定位于X染色體上，在睪丸中高表達，如果缺失ACE2對男性生殖系統(tǒng)功能影響非常大，因此對于SARS-CoV-2感染的男性康復者，需要進行生殖功能的檢測。這一系列研究說明，ACE2的功能非常強大。

 

在各種疾病模型中，我們對ACE2的功能了解得越來越深刻。我們知道，模式動物的應用加速推動了現(xiàn)代生物醫(yī)藥科學的發(fā)展。驗證基因本身的功能，我們需要用到基因敲除敲入模型，對新藥功能進行驗證，我們可以用到人源化動物模型，在疫苗評估方面，模式動物的應用也是臨床前需要進一步驗證的模型，在轉基因動物模型中，我們可以最大限度的模擬疾病在人體的發(fā)生發(fā)展過程，更清晰的認識疾病所帶來的各種病理現(xiàn)象以及原因，不管是基礎研究還是藥物研發(fā)以及疫苗評估各個方面模式動物都發(fā)揮著重要的作用。

 

 

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