血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2在冠狀病毒感染及肺損傷中的作用研究進展

付亞麗，曹西月，張源淑

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院/農(nóng)業(yè)部動物生理生化重點開放實驗室，江蘇南京 210095)

血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2(angiotensin converting enzyme 2,ACE2)屬1型跨膜糖蛋白，包含805個氨基酸，ACE2主要以膜結(jié)合蛋白的形式存在，在尿液及血漿中存在可溶性ACE2受體[1]。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，與人血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(ACE)具有較高同源性。其主要作用是通過催化血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ，Ang Ⅱ)為Ang1-7，后者通過Mas受體對抗Ang Ⅱ的作用，發(fā)揮舒血管、抗炎、抗纖維化等作用。

ACE2基因的器官和細(xì)胞特異性表達(dá)表明，它可能在調(diào)節(jié)心血管和腎臟功能以及肺損傷中發(fā)揮作用。另外，其編碼的蛋白是人冠狀病毒-NL63(Human coronavirus NL63，HCoV-NL63)和重癥急性呼吸綜合征冠狀病毒(Severe cute respiratory syndrome coronavirus，SARS-CoV)和SARS-CoV-2的突觸糖蛋白的功能性受體功能受體[1-2]。近年來，一系列基礎(chǔ)和臨床研究發(fā)現(xiàn),ACE2參與炎癥性肺疾病的所有階段，包括誘導(dǎo)肺部炎癥、炎癥性肺疾病的進展以及受損肺的纖維化等，證明了ACE2在呼吸道炎癥和肺損傷中起到了關(guān)鍵作用[3-4]。本文就ACE2在肺損傷過程中的作用與可能機制，以及其在介導(dǎo)病毒侵入方面的研究進行簡要概述。

1 血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2概述

ACE2于2000年首次被發(fā)現(xiàn)，是ACE的同源物。與ACE催化活性區(qū)域具有61%的同源性[5]，但其生物學(xué)活性與ACE有較大差異，兩者均屬于腎素血管緊張素系統(tǒng)。

人ACE2是一種鋅金屬蛋白酶，由805個氨基酸組成，是具有單一胞外催化結(jié)構(gòu)域的Ⅰ型跨膜糖蛋白，包括一個N端催化域和一個C端膜錨定區(qū)，催化結(jié)構(gòu)域有一個活性位點鋅金屬肽酶結(jié)構(gòu)域[6]。研究已經(jīng)證實ACE2在人、嚙齒類及牛、羊、豬、雞等各種動物的眾多組織中廣泛存在，主要分布于腎臟、心血管及胃腸道系統(tǒng)的上皮或內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)，在正常肺組織的Ⅰ型及Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞中也有表達(dá)[7]。

在經(jīng)典RAS系統(tǒng)中，循環(huán)血管緊張素原(angiotensinogen，AGT，肝臟產(chǎn)生)在腎素(renin，腎臟釋放)作用下轉(zhuǎn)化為無活性血管緊張素Ⅰ(angiotensin，Ang Ⅰ)，然后在ACE 作用下，水解生成具有活性的Ang Ⅱ。Ang Ⅱ與G蛋白偶聯(lián)受體AT1R和AT2R結(jié)合發(fā)揮作用，即ACE/Ang Ⅱ/AT1R經(jīng)典軸。在經(jīng)典軸中Ang Ⅱ是發(fā)揮效應(yīng)的核心分子，生理劑量的Ang Ⅱ大多數(shù)效應(yīng)通過AT1R介導(dǎo)，發(fā)揮血管收縮，維持血壓等作用。但過量的Ang Ⅱ則具有促進炎癥、促凋亡、促纖維化等損傷作用。ACE2/Ang1-7/Mas軸是RAS的負(fù)調(diào)節(jié)軸，其中的關(guān)鍵酶ACE2可催化Ang Ⅱ為Ang1-7，Ang1-7通過Mas受體對抗Ang Ⅱ的作用，發(fā)揮舒血管、抗炎、抗纖維化、抗血栓等作用。生理情況下，ACE2/Ang1-7/Mas軸與ACE/Ang Ⅱ/AT1R經(jīng)典軸相互制衡，共同調(diào)節(jié)水鹽平衡和血壓穩(wěn)定，并參與肝、腎、心臟、血管等組織器官的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)[8]。

2 ACE2在肺損傷中的作用

2.1 ACE2與肺部炎癥反應(yīng)

雖然肺部疾病多種多樣且大多數(shù)肺部疾病的發(fā)病機制未完全明了，但仍可在各種肺損傷中看到炎癥反應(yīng)，如常見的慢性阻塞性肺疾病(Chronic obstructive pulmoriary disease,COPD)就是一種氣道和肺部慢性持續(xù)炎癥性疾病。在最新發(fā)布的新冠肺炎死亡患者病理報告中也顯示患者的雙肺出現(xiàn)炎性浸潤[9]，與此前武漢市發(fā)布的首批41例SARS-CoV-2確診患者臨床特征[10]結(jié)果一致，提示炎癥在肺損傷過程中的重要作用，也就是說，減輕肺組織的炎癥反應(yīng)，一定程度上可改善肺損傷。ACE2作為RAS的一個強力負(fù)調(diào)節(jié)因子，是ACE/Ang Ⅱ的內(nèi)源性拮抗劑，具有抑制炎癥反應(yīng)的作用，對肺部炎癥也有一定的保護作用。

研究發(fā)現(xiàn)，在病毒、博來霉素及脂多糖等誘導(dǎo)的急性肺損傷動物模型中，ACE2的表達(dá)均呈現(xiàn)下降趨勢[11-12]，且早在2005年Imai Y等[13]就發(fā)現(xiàn)ACE2基因敲除小鼠比野生型小鼠表現(xiàn)出更嚴(yán)重的急性肺損傷病理特征，而AT1R阻滯劑或ACE基因缺失可以挽救這種嚴(yán)重表型，重組ACE2蛋白也可以緩解這種肺損傷，證實ACE2在急性肺損傷中具有保護作用，且ACE2的保護性作用是通過抵抗ACE/Ang Ⅱ/AT1R軸，下調(diào)Ang Ⅱ來實現(xiàn)的。隨后的研究進一步證實ACE2的這種保護作用與它的抗炎效應(yīng)相關(guān)。Fang Y等[14]發(fā)現(xiàn)使用ACE2激活劑三氮脒(DIZE)可以通過抑制NF-κB通路，激活NRF2/HO-1/NQO1通路，抑制炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激，從而減輕高氧性肺損傷的損傷程度，ACE2抑制劑MLN-4760則會加重這些損傷。還有研究顯示，Ang1-7對呼吸機、酸吸入或油酸誘導(dǎo)的小鼠肺損傷具有保護作用，可緩解肺水腫，降低髓過氧化物酶活性，降低肺血管阻力，且應(yīng)用Ang1-7類似物AVE0991可得到相同效果，同時這些效應(yīng)可被Mas受體阻滯劑A779阻斷[15]。這提示ACE2是通過促進Ang1-7生成，后者與Mas受體結(jié)合發(fā)揮抗炎作用。Li Y等[16]用慢病毒載體對肺部注射ACE2活性蛋白，并應(yīng)用抑制劑A779或MLN-4760，進一步證明了ACE2可通過Ang1-7/Mas途徑抑制LPS誘導(dǎo)的急性肺損傷。另外，Sodhi C P等[17]發(fā)現(xiàn)Des-Arg緩激肽是ACE2在氣道上皮中的新底物，ACE2可將Des-Arg緩激肽降解為無活性肽。在LPS誘導(dǎo)的肺損傷模型中，ACE2蛋白水平降低，使Des-Arg緩激肽失活受損，抑制DABK/BKB1R軸介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，加速中性粒細(xì)胞浸潤，加重肺部損傷，提示缺乏ACE2對肺損傷的影響不僅有RAS系統(tǒng)的作用，還與激肽-緩激肽系統(tǒng)相關(guān)，揭示了ACE2在急性肺炎發(fā)病機制中的新作用。

2.2 ACE2與肺上皮/內(nèi)皮細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡是由基因控制的細(xì)胞自主的有序死亡，它并不是機體病理損傷的一種現(xiàn)象，而是機體維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，適應(yīng)環(huán)境的一種自我調(diào)節(jié)機制，但過度的細(xì)胞凋亡會導(dǎo)致器官組織結(jié)構(gòu)損傷，功能異常。在多種非腫瘤性/腫瘤性肺損傷中均可觀察到肺上皮細(xì)胞(alveolar epithelial cells，AECs)的凋亡[18-19]。肺細(xì)胞異常凋亡在特發(fā)性肺纖維化、肺水腫、肺氣腫等疾病中具有重要作用。

目前，經(jīng)典ACE/Ang Ⅱ/AT1R軸在AECs中的促凋亡作用已經(jīng)得到了證實。Uhal BD團隊一系列的研究表明：AECs凋亡激活了Ang Ⅱ的自分泌，并進一步證明Ang Ⅱ的自分泌是AECs凋亡所必須的，且這種Ang Ⅱ介導(dǎo)的凋亡可以被血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制劑(angiotensin converting enzyme inhibitors,ACEI)所阻斷。ACE2/Ang1-7/Mas軸作為RAS中的逆調(diào)節(jié)軸，可以調(diào)節(jié)Ang Ⅱ的分泌和AECs的凋亡，通過平衡促凋亡的Ang Ⅱ和產(chǎn)生抗凋亡的Ang1-7來調(diào)節(jié)AECs的活性[20]。除了對AECs的調(diào)節(jié)，ACE2還作用于肺內(nèi)皮細(xì)胞(pulmonary endothelial cells，PECs)，ACE2可通過抑制急性肺損傷小鼠肺組織miR-4262的表達(dá)，上調(diào)Bcl-2蛋白水平而抑制肺內(nèi)皮細(xì)胞凋亡[21]；ACE2還被確認(rèn)為miR-1246的靶基因，沉默miR-1246可以減輕LPS誘導(dǎo)的肺損傷中ACE2的下降，從而減輕肺內(nèi)皮細(xì)胞凋亡和急性肺損傷[22]。總之，眾多研究表明上調(diào)ACE2/Ang1-7/Mas的表達(dá)能減少肺細(xì)胞凋亡，從而減輕肺損傷。

2.3 ACE2與肺纖維化

肺纖維化是由各種病因引起的慢性肺間質(zhì)性疾病，也是常見肺損傷中的一個重要的病理過程，在急性呼吸窘迫綜合征(Acute respiratory distress syndrome，ARDS)早期炎癥階段即有纖維化發(fā)生。

越來越多的研究表明，肺臟局部RAS系統(tǒng)在肺纖維化的發(fā)生發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。Molina-Molina M等[23]研究發(fā)現(xiàn)血管緊張素原基因多態(tài)性與特發(fā)性肺纖維化的發(fā)展相關(guān)；Ang Ⅱ能刺激肺成纖維細(xì)胞的生長和增殖，刺激成纖維細(xì)胞合成前膠原，促進肺膠原沉積，加重肺纖維化[24]。負(fù)調(diào)節(jié)軸ACE2/Ang1-7/Mas軸則被證明可緩解肺纖維化[25]。Yang Q J等[26]發(fā)現(xiàn)ACE2的過表達(dá)可以通過促進肺內(nèi)自噬，改善膠原合成而減輕博萊霉素誘導(dǎo)的小鼠肺纖維化；Ang1-7可以增加ACE2和Mas的表達(dá)，促進肺膠原沉積，減輕Ang Ⅱ誘導(dǎo)的矽肺纖維化和肌成纖維細(xì)胞分化[27]。轉(zhuǎn)化生長因子-β1(fransforming growth factor-β1，TGF-β1)的活化是最直接的促進肺纖維化因素，而外源性Ang1-7能通過阻斷TGF-β1-Smad信號通路直接抑制TGF-β1誘導(dǎo)的肺泡上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)分化，從而發(fā)揮保護肺間質(zhì)纖維化的作用[28]。近年的研究發(fā)現(xiàn)抗纖肽乙酰絲氨酰-天冬氨酰-賴氨酰脯氨酸(Ac-SDKP)可提高大鼠及培養(yǎng)成纖維細(xì)胞的ACE2/Ang1-7/Mas的水平，降低Ⅰ型膠原和α-平滑肌肌動蛋白的水平，減輕矽肺大鼠肺纖維化[27]，進一步證實了以ACE2/Ang1-7/Mas為靶點治療肺部疾病的潛力。

總之，在多種肺損傷性疾病如特發(fā)性肺纖維化(Idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)、急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)、慢性阻塞性肺疾病(COPD)和甲型H1N1流感等的發(fā)展過程中，均可觀察到肺部的炎癥反應(yīng)、肺上皮細(xì)胞凋亡及肺纖維化等肺損傷變化。以上大量研究證實ACE2/Ang1-7/Mas軸可通過抑制炎癥反應(yīng)、抗分化、抗凋亡等多種途徑抑制肺損傷，分布于肺上皮細(xì)胞中的ACE2更是其中的關(guān)鍵。一方面，ACE2促進Ang Ⅱ水解為Ang1-7，降低其在肺上皮細(xì)胞中的含量，減輕其促炎和血管收縮效應(yīng)，另一方面，產(chǎn)生的 Ang1-7在體內(nèi)外發(fā)揮著抗炎、抗凋亡、抗纖維化的肺部保護作用[28-29]。

3 ACE2與冠狀病毒

3.1 ACE2是冠狀病毒的功能性受體

ACE2獨立于RAS的另一個作用就是作為SARS-CoV和SARS-CoV-2的重要功能性受體[1,30]。冠狀病毒(Coronavirus，CoV)是一種有囊膜的正鏈RNA病毒，屬于套式病毒目(Nidovirale)、冠狀病毒科(Coronaviridae)、冠狀病毒屬(Coronavirus)。冠狀病毒宿主廣泛，可感染人、家畜、家禽、寵物等的上呼吸道和胃腸道，表現(xiàn)出相應(yīng)的發(fā)熱、嘔吐、腹瀉等呼吸道或胃腸道癥狀。

目前發(fā)現(xiàn)的可感染人的冠狀病毒共有7種，其中有4種包括人冠狀病毒-229E(Human coronavirus 229E，HCoV-229E)、HCoV-HKU1、人冠狀病毒-NL63(Human coronavirus NL63，HCoV-NL63)，還有人冠狀病毒-OC43(human coronavirus-OC43，HCoV-OC43)。在2003年之后發(fā)現(xiàn)的3種冠狀病毒，包括2003年出現(xiàn)的SARS-CoV，2012年出現(xiàn)的中東呼吸綜合征冠狀病毒(Middle East respiratory syndrome-CoV，MERS-CoV)，2019年12月出現(xiàn)的嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒2(SARS-CoV-2)，均表現(xiàn)出極強的傳染性和較高的病死率，給社會公共衛(wèi)生安全帶來了嚴(yán)重的威脅[31]。在畜牧業(yè)，危害較大的如豬傳染性胃腸炎病毒(Transmissible gastroenteritis virus，TGEV)、豬流行性腹瀉病毒(Porcine epidemic diarrhea virus，PEDV)、禽傳染性支氣管炎病毒(Infectious bronchitis virus，IBV)等多種冠狀病毒，也給畜牧業(yè)造成重大損失[32-33]。因此，由冠狀病毒引起的疾病給人類和畜牧業(yè)都造成了巨大危害。

早在2003年，Li W等[1]就鑒定出ACE2是SARS-CoV的功能性受體，并發(fā)現(xiàn)ACE2介導(dǎo)的SARS-CoV感染的作用是與其肽酶催化作用相分離的。SARS-CoV通過S-蛋白與人細(xì)胞表面ACE2受體結(jié)合而入侵并感染機體。SARS-CoV S蛋白與 ACE2 的相互作用體現(xiàn)在介導(dǎo)入侵和輔助融合兩個過程。石正麗團隊[2]也已從分子水平證實ACE2是SARS-CoV-2的功能受體，在BioRxiv平臺上在線發(fā)表了研究結(jié)果，提供了體外試驗數(shù)據(jù)，SARS-CoV-2能夠利用除小鼠ACE2以外的所有ACE2蛋白作為進入受體而感染細(xì)胞，相對的，新型冠狀病毒就不會感染不表達(dá)ACE2的細(xì)胞，即ACE2蛋白的表達(dá)與新型冠狀病毒的進入密切相關(guān)。

3.2 ACE2的抗肺損傷及與冠狀病毒入侵的雙重作用

一方面ACE2可通過降解Ang Ⅰ和Ang Ⅱ，促進生成Ang1-7發(fā)揮其對肺臟的保護作用。ACE2作為RAS的一個強力負(fù)調(diào)節(jié)因子，可通過降解Ang Ⅰ和Ang Ⅱ，提高機體內(nèi)Ang1-7的表達(dá)及活性，能減輕ARDS肺組織的炎癥反應(yīng)，減少肺細(xì)胞凋亡，抑制肺纖維化，從而改善肺損傷，在各種肺損傷疾病發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要的肺部保護作用。另一方面，ACE2作為SARS-CoV和新型冠狀病毒SARS-CoV-2的功能性受體，還直接參與了SARS引起的嚴(yán)重急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)的發(fā)病過程。Kuba K等[30]發(fā)現(xiàn)SARS-CoV感染和重組SARS-CoV S蛋白都引起了肺和培養(yǎng)細(xì)胞中ACE2表達(dá)的顯著下調(diào)，且經(jīng)S蛋白處理的野生型小鼠在酸吸入所致急性肺損傷中表現(xiàn)出更為嚴(yán)重的病理學(xué)改變，而這種情況可以通過使用AT1R抑制劑氯沙坦，阻斷腎素-血管緊張素途徑來減輕。這些病毒介導(dǎo)的效應(yīng)提示冠狀病毒與ACE2相互作用引起的肺部RAS失衡可能是SARS-CoV感染致嚴(yán)重肺功能衰竭的原因之一。

后續(xù)的多項研究也進一步證明RAS在SARS-CoV肺損傷發(fā)病機制中的重要作用。SARS-CoV感染誘導(dǎo)細(xì)胞表面ACE2的快速下調(diào)以及具有催化活性的ACE2胞外結(jié)構(gòu)域的釋放，導(dǎo)致肺內(nèi)ACE2下調(diào)，但ACE未受影響，破壞ACE/ACE2和Ang Ⅱ/Ang1-7之間的生理平衡，引起Ang Ⅱ升高，而高水平的Ang II會導(dǎo)致血管通透性增加和肺水腫，加劇肺損傷，引起呼吸窘迫、頑固性低氧血癥乃至呼吸衰竭等嚴(yán)重急性肺損傷癥狀[34]。

3.3 ACE2在SARS-CoV-2感染導(dǎo)致嚴(yán)重呼吸系統(tǒng)疾病中的作用預(yù)測與展望

2019年SARS-CoV-2感染后期導(dǎo)致嚴(yán)重呼吸系統(tǒng)疾病，如ARDS，這與SARS-CoV引起的疾病類似，且兩者使用相同的受體進入細(xì)胞，提示這兩種病毒的致病機制很可能非常相似，也就是說，SARS-CoV-2感染引起的ARDS，肺臟局部很有可能激活了RAS，并存在平衡失調(diào)，一方面，ACE2參與了病毒入侵，使ACE2被消耗，另一方面，低水平ACE2使Ang Ⅱ過高致組織損傷[35]。從RAS角度可以這樣假設(shè)：一方面針對SARS-CoV-2必須經(jīng)S蛋白與表面ACE2相互作用侵入宿主細(xì)胞的特性，可以篩選可用的抑制劑抑制病毒S蛋白-ACE2相互作用或利用RNA干擾技術(shù)干擾ACE2的表達(dá)，從而阻斷ACE2與病毒結(jié)合，以達(dá)到抗病毒的作用；另一方面，針對ACE/ACE2失衡，Ang Ⅱ過高導(dǎo)致?lián)p傷的問題，可應(yīng)用ACEI及ARB類藥物例如卡托普利、氯沙坦等抑制Ang Ⅱ作用或用外源性給予Ang1-7抵消其損傷作用[36]。另外，根據(jù)已有對ACE2的研究表明，其在人和動物體內(nèi)均存在，且廣泛分布于機體的各個組織，如心臟、腎臟、肝臟等。由于ACE2作為冠狀病毒受體在肺以外的其他組織中是如何作用的，目前都還不是很清楚，而且，這種ACE2分布與SARS感染病變存在不一致，如在腎臟及心臟組織中ACE2的表達(dá)水平較高，但在這些器官并未見明顯病變。除此之外，冠狀病毒有不同分型，在動物上的冠狀病毒，如豬流行性腹瀉病毒(PEDV)、禽傳染性支氣管炎病毒(IBV)的侵入機制是否也有ACE2的參與，其與人類冠狀病毒之間是否有相互交叉等都是迫切需要解決的問題。

ACE2在肺部疾病中的作用及其機制的研究任重而道遠(yuǎn)，但ACE2作為預(yù)防和治療肺部疾病的治療靶標(biāo)的潛力是顯而易見的，重組ACE2蛋白或ACEI和ARB類藥物對肺疾病的療效也有待臨床進一步驗證。