血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2 參與新型冠狀病毒肺炎多器官系統(tǒng)損傷保護(hù)的分子機(jī)制研究

張溧昀，朱翰朝，俞世強(qiáng)，劉金成

新型冠狀病毒肺炎（corona virus disease－19，COVID－19）于2019 年12 月底首次被發(fā)現(xiàn)并迅速蔓延到至少100 多個(gè)國家地區(qū)，流行病學(xué)與病原學(xué)調(diào)查顯示，該病毒是一種新型β－冠狀病毒，具有人與人之間傳播的特征，國際病毒分類委員會冠狀病毒研究小組將該病毒命名為SARS－Cov2。 Nature 雜志最近報(bào)道了血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2（angiotensin conver?ting enzyme 2， ACE2）是SARS－Cov2 侵入體內(nèi)細(xì)胞的必要條件［1］。 因此，針對SARS－Cov2 受體ACE2的研究對于了解病毒入侵機(jī)制以及探索有效的臨床治療方法和藥物至關(guān)重要。 本文重點(diǎn)圍繞ACE2，從其結(jié)構(gòu)及生理學(xué)功能、參與β－冠狀病毒感染和全身多器官系統(tǒng)損傷等方面，系統(tǒng)綜述ACE2 介導(dǎo)的全身各器官系統(tǒng)損傷與疾病發(fā)生機(jī)制，期望對COVID－19 臨床防治及相關(guān)研究提供可能的參考。

1 ACE2 的結(jié)構(gòu)及生理學(xué)功能

ACE2 首次在人左心室心肌細(xì)胞cDNA 文庫中被發(fā)現(xiàn)，人ACE2 基因位于X 染色體短臂22 號位點(diǎn)（Xp22）上，包含18 個(gè)外顯子。 ACE2 蛋白由805 個(gè)氨基酸殘基組成，分子量約為120 kD。 ACE2 是一種Ⅰ型跨膜糖蛋白，具有單羧肽酶的活性，常以同源二聚體的形式存在，其含一個(gè)N 端和一個(gè)C 端的催化活性位點(diǎn)［2］。 雖然其與ACE 的催化結(jié)構(gòu)域擁有42%的同源性，但兩者分布有明顯的差異，ACE 分布較為廣泛，而ACE2 則主要分布于心臟、腎臟、肺臟、睪丸、腸道及脂肪組織中［2－3］。

目前已知ACE2 主要通過以下三種途徑發(fā)揮生理功能（圖1）：①分解經(jīng)典腎素－血管緊張素－醛固酮系 統(tǒng)（renin － angiotensin － aldosterone system，RAAS）的核心分子血管緊張素（angiotensin，Ang）Ⅱ中的第8 位苯丙氨酸，形成Ang－（1－7），并作用于Mas 受體（MasR），建立與經(jīng)典RAAS 軸（ACE－AngⅡ－AT1）相拮抗的ACE2／Ang－（1－7）／MasR 通路［2－4］；②作用于AngⅠ，裂解其C 端的亮氨酸，形成Ang－（1－9），進(jìn)而再水解生成Ang－（1－7）作用于Mas 受體且ACE2 對AngⅠ的作用遠(yuǎn)低于對AngⅡ的作用［4］；③催化神經(jīng)降壓素等細(xì)胞因子，其中，ACE2 不能直接裂解緩激肽，但可通過作用于緩激肽B1 型受體來發(fā)揮其生理功能［4－5］。

RAAS 是人體最重要的生理調(diào)節(jié)系統(tǒng)之一，經(jīng)典的RAAS 通路是由球旁細(xì)胞分泌的腎素激活血管緊張素原生成Ang Ⅰ，ACE 隨即將Ang Ⅰ轉(zhuǎn)換為AngⅡ，進(jìn)而作用于血管緊張素1 型受體（angioten?sion type 1 receptor，AT1）引起腎上腺皮質(zhì)分泌醛固酮，導(dǎo)致血壓升高和水鈉潴留。 除此之外，AT1 的激活還可以介導(dǎo)細(xì)胞凋亡，促進(jìn)氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，誘發(fā)組織纖維化。 而ACE2 可通過分解經(jīng)典通路的核心分子AngⅡ并激活Mas 受體發(fā)揮舒張血管、抗炎、抗凋亡以及抗氧化應(yīng)激等作用。 該通路被稱為ACE2／Ang－（1－7）／MasR 軸（圖1），在體內(nèi)發(fā)揮與經(jīng)典RAAS 通路相拮抗的生理調(diào)控作用［4］。

圖1 ACE2 參與體內(nèi)的主要生理作用

2 ACE2 參與β－冠狀病毒的感染

冠狀病毒是套式病毒目冠狀病毒科冠狀病毒亞科的成員，該亞科分為四個(gè)屬，分別為α、β、γ、δ 冠狀病毒。 其中α 和β 屬以哺乳動物為感染目標(biāo)，而γ和δ 屬則以感染禽類為主［6］。 SARS－Cov、SARSCov2 以及中東呼吸綜合征冠狀病毒是目前已發(fā)現(xiàn)的可以導(dǎo)致人發(fā)生嚴(yán)重呼吸系統(tǒng)癥狀的三種冠狀病毒，而這三種病毒都屬于β 冠狀病毒屬［6－7］。 因此，對于β 冠狀病毒及其侵入機(jī)制的研究顯得尤為重要。

β 冠狀病毒以ACE2 作為其受體首次在SARS中被發(fā)現(xiàn)。 SARS－Cov2 與SARS－Cov 核酸序列的同源性達(dá)79.5%，在原子水平上解析SARS－Cov2 與ACE2 結(jié)合的結(jié)構(gòu)域提示二者與ACE2 的結(jié)合方式基本相同，但SARS－Cov2 的S 蛋白對于ACE2 的親和力更強(qiáng)［8－9］，這與其在人群中具有更高傳染性有關(guān)。 提示ACE2 在SARS－Cov2 感染人體過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)COVID－19 會引起機(jī)體潛在的多器官功能的損傷（圖2），其器官損傷大致與ACE2的分布范圍相似，包括急性肺損傷、急性心肌損傷、消化系統(tǒng)紊亂、急性腎損傷以及睪丸損傷。 ①肺部損傷：COVID－19 患者最常見的初始癥狀為體溫升高和咳嗽，并在8 天左右的時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)展為呼吸困難，胸部CT 為典型的毛玻璃影。 最早報(bào)導(dǎo)的41名COVID－19 患者均以肺部炎癥為主要病理表現(xiàn)，其中29%的患者并發(fā)有急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）［10］。 此外，52 例重癥新冠肺炎患者中有35 名并發(fā)ARDS［11］。 ②心臟及血管損傷：首批報(bào)道的41 例感染者中，高敏性肌鈣蛋白I（high sensitivity troponin I，Hs－TnI）異常比例為12%，肌酸激酶異常比例為33%［10］。 對死亡病例的回顧性分析顯示，死亡病例中高血壓的比例高達(dá)60.9%，且94.7%的死亡患者有過腦鈉肽前體指標(biāo)異常［11－12］。 ③腎臟損傷：對138 例患者的早期臨床研究發(fā)現(xiàn)，有3.6%（5／138）住院患者出現(xiàn)了急性腎損傷（acute kidney injury，AKI），而在ICU 治療的患者中AKI 比例達(dá)8.3%［10－11］。 ④消化道及睪丸損傷：COVID－19 患者的前期癥狀中存在腹瀉，且死亡病例分析顯示有29%的病例出現(xiàn)消化器官的功能障礙［10－11］。 此外，多項(xiàng)新近觀點(diǎn)均將睪丸列為SARS－Cov2 的潛在攻擊器官［13－14］。 綜上所述，了解ACE2 在全身各器官系統(tǒng)中的功能作用以及其介導(dǎo)器官系統(tǒng)損害的機(jī)制，對于認(rèn)識COVID－19 的入侵機(jī)制以及開發(fā)潛在臨床防治方法與藥物有重要意義。

3 ACE2 參與心臟及血管損傷保護(hù)的分子機(jī)制

ACE2 在心臟中主要表達(dá)于心肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和冠狀動脈內(nèi)皮細(xì)胞等多種細(xì)胞中［2，15］。 自ACE2 首次在心肌組織cDNA 文庫中被發(fā)現(xiàn)以來，ACE2 在高血壓、心力衰竭以及糖尿病心肌病中被公認(rèn)對機(jī)體存在有益的調(diào)控作用。 與此相反，ACE2的基因缺陷或抑制則會加重這些疾病引起的心臟損傷，且ACE2 的激動劑重氮氨苯脒乙酰甘氨酸鹽（diminazene aceturate，DIZE）和重組人血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2（recombinant human angiotensin converting enzyme，RhACE2）均被證實(shí)對于常見的心血管疾病有較好的療效［16－17］。 另外，腺病毒或者其他技術(shù)介導(dǎo)的ACE2 基因過表達(dá)也對心臟血管損傷具有保護(hù)作用［18］。

圖2 病毒可能損傷全身各系統(tǒng)的潛在途徑

3.1 ACE2 參與高血壓調(diào)節(jié)的分子機(jī)制 作為RAAS 的重要內(nèi)源性拮抗劑，ACE2 可通過多種途徑對血壓實(shí)施影響：①ACE2 作為Ang Ⅱ的消除酶，通過分解AngⅡ來調(diào)節(jié)血壓。 ②ACE2 通過Ang－（1－7）減輕高血壓所致的心室重構(gòu)。 ③ACE2 作為神經(jīng)元內(nèi)成纖維細(xì)胞生長因子21 和解聚素－金屬蛋白酶17 的下游分子，參與調(diào)節(jié)血壓和血管保護(hù)。 此外，針對ACE2／Ang－（1－7）／MasR 軸為高血壓治療靶點(diǎn)的藥物也受人關(guān)注，其中ACE2 的激動劑DIZE 可以減輕高血壓引起的心室重構(gòu)［16］。 不僅如此，對孕期的高血壓雌鼠使用DIZE 或Ang－（1－7）還可以降低其雄性子代的收縮壓并減輕其心血管功能障礙［19］。

3.2 ACE2 參與心力衰竭發(fā)生發(fā)展分子機(jī)制ACE2／ACE 平衡失調(diào)是心臟收縮及舒張功能異常的重要機(jī)制。 研究發(fā)現(xiàn)，病理性應(yīng)激激活冠狀動脈內(nèi)皮細(xì)胞中Brahma－related gene－1 和forkhead box M1基因，并募集于ACE／ACE2 的轉(zhuǎn)錄位點(diǎn)上引起ACE／ACE2 表達(dá)失衡，進(jìn)而引起Ang Ⅱ累積和心臟功能障礙［20］。 此外，臨床前瞻性隊(duì)列研究顯示，RhACE2 有效地降低了心衰患者的血漿Ang Ⅱ水平，并阻止和逆轉(zhuǎn)心力衰竭的發(fā)生發(fā)展［21］。

3.3 ACE2 參與糖尿病心肌病發(fā)生發(fā)展分子機(jī)制研究表明，通過腺病毒過表達(dá)ACE2 則促進(jìn)了成纖維細(xì)胞與心肌細(xì)胞之間的平衡，增強(qiáng)基質(zhì)金屬蛋白酶2 的活性，進(jìn)而減輕了高血糖誘發(fā)的心臟膠原纖維的沉積［18，22］。 他汀類藥物和AT1 阻滯劑也被發(fā)現(xiàn)具有類似的抗糖尿病心肌病的功能［22－23］，另外，Ang－（1－7）可以通過與Mas 受體或AT2 受體相互作用上調(diào)肌漿網(wǎng)Ca2＋－ATP 酶的表達(dá)，改善高血糖誘導(dǎo)的左室收縮功能障礙和右室游離壁纖維化，進(jìn)而提升了心肌的收縮能力［24－25］。 這些數(shù)據(jù)提示ACE2／Ang－（1－7）／MasR 軸對高血糖誘發(fā)的心肌改變具有保護(hù)作用，針對ACE2 為靶點(diǎn)的藥物可能是未來抗糖尿病心肌病藥物的新選擇。

4 ACE2 參與肺損傷的保護(hù)分子機(jī)制

ACE2 在呼吸系統(tǒng)中主要表達(dá)于呼吸道內(nèi)皮細(xì)胞中并可作為β－冠狀病毒攻擊的主要位點(diǎn)，在急性肺損傷（acute lung injury，ALI）和肺動脈高壓（pul?monary hypertension，PH）中，ACE2 可通過ACE2／Ang－（1－7）／MasR 軸顯著改善機(jī)體的肺功能惡化。

RAAS 的平衡失調(diào)一直被公認(rèn)為是ALI 的重要機(jī)制之一，ACE／Ang Ⅱ／AT1 軸的過度激活和ACE2／Ang－（1－7）／MasR 軸的抑制均可致肺血管通透性增加、炎癥反應(yīng)以及氧化應(yīng)激等病理改變，最終引起肺功能的損害。 臨床隨機(jī)對照實(shí)驗(yàn)表明，使用RhACE2（GSK2586881）的ARDS 患者表現(xiàn)為耐受性好及炎癥指標(biāo)下調(diào)［26］，提示ACE2 在ALI 的發(fā)生發(fā)展中扮演重要的角色。

作為呼吸系統(tǒng)內(nèi)重要的血壓調(diào)節(jié)因子，ACE2被認(rèn)為是PH 的重要保護(hù)因子之一。 生理狀態(tài)下，腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate acti?vated protein kinase， AMPK）可調(diào)節(jié)ACE2 第680 位絲氨酸的磷酸化，增強(qiáng)了ACE2 的穩(wěn)定性，而AMPK－p－ACE2 軸的損害在PH 患者和小鼠的肺組織中表現(xiàn)明顯，且其功能恢復(fù)可明顯遲滯PH 的形成［27］。 此外，ACE2 還與肺血管壁增厚和間質(zhì)纖維化密切相關(guān)。 采用ACE2 合成激動劑XNT 可以減輕PH 大鼠中的肺血管壁增厚和間質(zhì)纖維化，并促進(jìn)了肺組織中抗炎因子的表達(dá)升高［28］。

5 ACE2 參與腎臟損傷保護(hù)的分子機(jī)制

ACE2 在腎臟上主要表達(dá)于腎小管上皮細(xì)胞頂端，可對多種病理機(jī)制所致的腎損傷發(fā)揮保護(hù)作用。在遺傳性腎炎（ALPORT 綜合征）中，外源性給予RhACE2 可以通過對轉(zhuǎn)化生長因子β（transforming growth factor，TGF－β）和腫瘤壞死因子－α 信號的阻抑來減輕ALPORT 綜合征模型小鼠腎臟的炎癥和纖維化，并且可以改善細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的聚集和巨噬細(xì)胞的浸潤［29－30］。 此外，TGF－β／smad3 介導(dǎo)的纖維化通路以及核因子κB 等炎性信號通路在ACE2缺陷條件下則明顯上調(diào)［31］。 這些數(shù)據(jù)提示ACE2在體內(nèi)發(fā)揮重要的腎臟保護(hù)作用。

6 ACE2 參與消化道及生殖系統(tǒng)疾病保護(hù)的分子機(jī)制

在消化系統(tǒng)中，ACE2 高表達(dá)于腸黏膜上皮細(xì)胞中并通過與轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白B（0）AT1 結(jié)合，增強(qiáng)了腸黏膜上皮細(xì)胞對氨基酸的攝取，借此調(diào)控微生物－腸道－腦軸［32］。 在腸易激綜合征（irritable bowel syn?drome，IBS）中，血管緊張素受體抑制劑（angiotensin receptor， ARB）類藥物的治療可通過上調(diào)ACE2 來減緩IBS 模型小鼠腸道的炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激以及微生態(tài)紊亂，這與ACE2 抑制了IBS 對煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4（nicotinamide adenine di?nucleotide phosphate oxidase 4，NOX4）、Toll 樣受體4（toll－like receptor 4，TLR4）和白介素1β（interleukin－1β，IL－1β）的上調(diào)以及對經(jīng)典RAAS 軸的激活有關(guān)［33］。 除此之外，ACE2／BAT－1 缺失可引起的色氨酸代謝紊亂可能是腸道微生態(tài)損害的機(jī)制之一［33］。在炎癥性腸病患者體內(nèi)會存在明顯的RAAS 失衡，體外實(shí)驗(yàn)證明，ACE2／Ang－（1－7）／MasR 軸可以通過抑制人結(jié)腸成纖維細(xì)胞的增殖及其膠原的分泌來緩解疾病的發(fā)展［34］。 這些數(shù)據(jù)提示ACE2／Ang－（1－7）／MasR 軸是參與腸道損傷保護(hù)重要通路。

在睪丸組織中，轉(zhuǎn)錄水平的ACE2 和Mas 受體在生精功能障礙患者的睪丸組織中明顯下調(diào)［35］，提示RAAS 可能通過某種機(jī)制影響生殖系統(tǒng)的功能，但還未有報(bào)道發(fā)現(xiàn)其具體的分子機(jī)制，可能是針對ACE2 的下一步研究方向之一。

圖3 ACE2－Ang－（1－7）－MasR 可能參與的相關(guān)信號通路

7 小結(jié)與展望

ACE2 作為COVID－19 的受體最近受到廣泛關(guān)注，相關(guān)文獻(xiàn)的報(bào)道提示ACE2 的分布范圍也與病毒感染導(dǎo)致的器官受累損傷明顯相關(guān)，因此ACE2被視為是治療β－冠狀病毒感染的潛在靶標(biāo)。 鑒于ACE2 在全身各系統(tǒng)中均被認(rèn)為對機(jī)體發(fā)揮有益的作用，通過綜述對其器官發(fā)揮保護(hù)作用的可能分子機(jī)制，對于后續(xù)研究如何通過抑制其與病毒的結(jié)合位點(diǎn)，同時(shí)不損害體內(nèi)各器官發(fā)揮正常的生理功能，可能是今后關(guān)注的熱點(diǎn)。 有針對性的研發(fā)以ACE2／Ang－（1－7）／MasR 軸為靶點(diǎn)的新型藥物，可能不僅僅是COVID－19 臨床防治和研究的潛在方向，也對全身多器官系統(tǒng)、多種疾病防治和研究同樣擁有巨大的潛力。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突