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ACE2—新型冠狀病毒入侵人體的靶標

日期:2020-03-06 18:15:27

2019年底新型冠狀病毒(SARS-CoV-2,前稱:2019-nCoV)首次現身武漢,引發的肺炎(COVID-19)在春節之際,以迅雷不及掩耳的態勢席卷全國,一時之間,風聲鶴唳,全城戒備。隨著關于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。其實,ACE2與細胞因子風暴一樣,并不是第一次以這種形式為人們所熟知。17年前引發非典型肺炎的SARS-CoV也是通過肺泡細胞表面的ACE2受體入侵人類細胞的。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換酶家族。ACE2與ACE均屬于腎素-血管緊張素-醛固酮系統(RAAS)和激肽-緩激肽系統(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構域的I型跨膜糖蛋白。人類ACE2基因已經被克隆并被定位到X染色體上。

像ACE一樣,ACE2有兩個結構域:氨基末端催化結構域和羧基末端結構域。催化結構域有一個活性位點--鋅金屬肽酶結構域(HEXH基序)--并且與ACE的氨基結構域顯示出41.8%的序列一致性(Figure 1)。ACE2的羧基末端結構域與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細胞增殖,以及可能胰島素胞吐等方面具有關鍵作用。

The structure comparison of ACE and ACE2

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,尤其是結腸和肺,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胞外表面,促進循環肽的代謝。ACE和ACE2都通過利用鋅催化反應,鋅與活性位點內保守的組氨酸配位,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(RAS),反而是這個系統剎車。當血管緊張素I(Ang I)由ACE轉化成強效血管緊張素II(Ang II)時,ACE2可裂解Ang I,產生無活性的血管緊張素1-9(Ang 1-9),后者可通過ACE轉化為血管緊張素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、抗肺泡上皮細胞凋亡和抗氧化應激的心血管保護作用,達到拮抗AngⅡ的生物學作用(Figure 2)。在生物體內,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。

The role of ACE2 and ACE

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,調節血壓、體液平衡、炎癥、細胞增殖、肥大和纖維化。同時該基因的器官和細胞的特異性表達提示其可能在調節心血管和腎臟功能以及生育方面發揮作用。


3. ACE2的主要分布在哪?

ACE2組織分布具有器官特異性,主要表達于腎臟、心血管及胃腸道系統,在正常肺組織中,Ⅰ型及Ⅱ型肺泡上皮細胞中均存在ACE2。相關研究表明,SARS-CoV-2和SARS-CoV都是通過人體細胞表面的ACE2受體進入人體細胞,所以原則上來說,表達ACE2的組織會被新冠病毒侵入,不表達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防手段奠定了理論基礎。

比如眼睛,ACE2通常定位于上皮細胞的腔面。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防環節。

另外,肺泡上皮細胞和小腸上皮細胞的ACE2蛋白表達水平很高,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腹瀉的癥狀。鼻腔和口腔黏膜也有ACE2受體的表達,這說明戴口罩非常必要。但是脾臟,胸腺,淋巴結,骨髓,免疫細胞都是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不僅在心血管系統中發揮了重要的功能,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?最近研究已經進一步證實:對于SARS-CoV-2而言,刺突蛋白(S蛋白)是介導病毒入侵宿主細胞的關鍵蛋白。SARS-CoV-2是通過S蛋白與ACE2結合入侵肺部細胞。ACE2與新冠病毒的RBD(受體結合結構域)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多個氨基酸構成了“受體結合結構域”(RBD),即S蛋白與ACE2相聯結的地方。

病毒進入人體后,主要通過激活免疫系統,通過細胞因子、炎癥因子等導致肺損傷。那ACE2在冠狀病毒導致肺損傷的病理途徑中,到底發揮了怎么樣的作用?

結合SARS相關研究(Figure 3),我們發現冠狀病毒進入人體后,下調ACE2水平,導致肺內ACE2的水平下降,而ACE未受影響,肺內ACE2和ACE失衡,AngⅡ水平升高,過度激活肺部AT1a受體,導致肺部毛細血管通透性增加,隨之出現肺水腫,誘發干咳,同時加重炎癥反應和細胞凋亡,加速肺損傷。同時ACE2水平降低導致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。

Regulation of ACE and ACE2 during coronavirus-induced lung injury

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 的結合也成為了治療方向之一。之前在 SARS 的治療研究中發現,使用可溶性的 ACE2 受體或抗 ACE-2 的抗體,可以用來阻斷 SARS-CoV 和該受體的結合,從而達到擾亂病毒感染細胞過程的目的。

● 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,而細胞蛋白酶 TMPRSS2 用于SARS-CoV-2 spike(SARS-CoV-2-S)引發。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期SARS患者的血清中和了SARS-CoV-2-S的進入。該研究結果揭示了SARS-CoV-2和SARS冠狀病毒感染之間的重要共性,提供了抗病毒干預的潛在靶標。

● 2月7日,來自美國Johns Hopkins醫院的Robert L. Kruse博士發表了文章《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?

當前,冠狀病毒的預防與治療是科研界與醫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前冠狀病毒研究人員關注呢?我們結合了SARS相關研究,羅列出了以下與冠狀病毒研究相關的靶點:

● APN位于細胞膜上,該蛋白參與肽的裂解、病毒感染、內吞作用和細胞信號轉導等生物學過程。最近在駱駝和羊駝中發現了類似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。這些病毒可能以結構保守的方式結合其宿主APN。

● DPP4是在ACE2和APN之后,第三個被發現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胞表面,肽酶的二聚化依賴于水解酶結構域和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的側向結合不會破壞DPP4的二聚化。

● AGO4是一種核酸內切酶,可以“切割” RNA,在RNA干擾和短干擾RNA介導的基因沉默中起著不可或缺的作用。AGO4可以結合病毒來源的siRNA(vsiRNA)來介導病毒DNA和TGS的甲基化,從而抑制病毒的轉錄和復制。

● 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)的復制和由SARS-CoV Spike蛋白介導的入侵受到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來調節細胞的嗜性。



References

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[2] Zhou P, Yang X, et al. A pneumonia outbreak associated with anew coronavirus of probable bat origin[J]. Nature. 2020.

[3] View ORCID ProfileMarkus Hoffmann, Hannah Kleine-Weber, et al. The novel coronavirus 2019 (2019-nCoV) uses the SARS-coronavirus receptor ACE2 and the cellular protease TMPRSS2 for entry into target cells [J]. bioRxiv. 2020.

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