血管緊張素轉換酶2 參與新型冠狀病毒肺炎多器官系統損傷保護的分子機制研究

張溧昀，朱翰朝，俞世強，劉金成

新型冠狀病毒肺炎（corona virus disease－19，COVID－19）于2019 年12 月底首次被發現并迅速蔓延到至少100 多個國家地區，流行病學與病原學調查顯示，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 雜志最近報道了血管緊張素轉換酶2（angiotensin conver?ting enzyme 2， ACE2）是SARS－Cov2 侵入體內細胞的必要條件［1］。 因此，針對SARS－Cov2 受體ACE2的研究對于了解病毒入侵機制以及探索有效的臨床治療方法和藥物至關重要。 本文重點圍繞ACE2，從其結構及生理學功能、參與β－冠狀病毒感染和全身多器官系統損傷等方面，系統綜述ACE2 介導的全身各器官系統損傷與疾病發生機制，期望對COVID－19 臨床防治及相關研究提供可能的參考。

1 ACE2 的結構及生理學功能

ACE2 首次在人左心室心肌細胞cDNA 文庫中被發現，人ACE2 基因位于X 染色體短臂22 號位點（Xp22）上，包含18 個外顯子。 ACE2 蛋白由805 個氨基酸殘基組成，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N 端和一個C 端的催化活性位點［2］。 雖然其與ACE 的催化結構域擁有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揮生理功能（圖1）：①分解經典腎素－血管緊張素－醛固酮系 統（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），進而再水解生成Ang－（1－7）作用于Mas 受體且ACE2 對AngⅠ的作用遠低于對AngⅡ的作用［4］；③催化神經降壓素等細胞因子，其中，ACE2 不能直接裂解緩激肽，但可通過作用于緩激肽B1 型受體來發揮其生理功能［4－5］。

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

圖1 ACE2 參與體內的主要生理作用

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，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現的可以導致人發生嚴重呼吸系統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中被發現。 SARS－Cov2 與SARS－Cov 核酸序列的同源性達79.5%，在原子水平上解析SARS－Cov2 與ACE2 結合的結構域提示二者與ACE2 的結合方式基本相同，但SARS－Cov2 的S 蛋白對于ACE2 的親和力更強［8－9］，這與其在人群中具有更高傳染性有關。 提示ACE2 在SARS－Cov2 感染人體過程中發揮關鍵作用。

多項研究發現COVID－19 會引起機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 天左右的時間內迅速發展為呼吸困難，胸部CT 為典型的毛玻璃影。 最早報導的41名COVID－19 患者均以肺部炎癥為主要病理表現，其中29%的患者并發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ARDS［11］。 ②心臟及血管損傷：首批報道的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60.9%，且94.7%的死亡患者有過腦鈉肽前體指標異常［11－12］。 ③腎臟損傷：對138 例患者的早期臨床研究發現，有3.6%（5／138）住院患者出現了急性腎損傷（acute kidney injury，AKI），而在ICU 治療的患者中AKI 比例達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%的病例出現消化器官的功能障礙［10－11］。 此外，多項新近觀點均將睪丸列為SARS－Cov2 的潛在攻擊器官［13－14］。 綜上所述，了解ACE2 在全身各器官系統中的功能作用以及其介導器官系統損害的機制，對于認識COVID－19 的入侵機制以及開發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的分子機制

ACE2 在心臟中主要表達于心肌細胞、成纖維細胞和冠狀動脈內皮細胞等多種細胞中［2，15］。 自ACE2 首次在心肌組織cDNA 文庫中被發現以來，ACE2 在高血壓、心力衰竭以及糖尿病心肌病中被公認對機體存在有益的調控作用。 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換酶2（recombinant human angiotensin converting enzyme，RhACE2）均被證實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介導的ACE2 基因過表達也對心臟血管損傷具有保護作用［18］。

圖2 病毒可能損傷全身各系統的潛在途徑

3.1 ACE2 參與高血壓調節的分子機制 作為RAAS 的重要內源性拮抗劑，ACE2 可通過多種途徑對血壓實施影響：①ACE2 作為Ang Ⅱ的消除酶，通過分解AngⅡ來調節血壓。 ②ACE2 通過Ang－（1－7）減輕高血壓所致的心室重構。 ③ACE2 作為神經元內成纖維細胞生長因子21 和解聚素－金屬蛋白酶17 的下游分子，參與調節血壓和血管保護。 此外，針對ACE2／Ang－（1－7）／MasR 軸為高血壓治療靶點的藥物也受人關注，其中ACE2 的激動劑DIZE 可以減輕高血壓引起的心室重構［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 參與心力衰竭發生發展分子機制ACE2／ACE 平衡失調是心臟收縮及舒張功能異常的重要機制。 研究發現，病理性應激激活冠狀動脈內皮細胞中Brahma－related gene－1 和forkhead box M1基因，并募集于ACE／ACE2 的轉錄位點上引起ACE／ACE2 表達失衡，進而引起Ang Ⅱ累積和心臟功能障礙［20］。 此外，臨床前瞻性隊列研究顯示，RhACE2 有效地降低了心衰患者的血漿Ang Ⅱ水平，并阻止和逆轉心力衰竭的發生發展［21］。

3.3 ACE2 參與糖尿病心肌病發生發展分子機制研究表明，通過腺病毒過表達ACE2 則促進了成纖維細胞與心肌細胞之間的平衡，增強基質金屬蛋白酶2 的活性，進而減輕了高血糖誘發的心臟膠原纖維的沉積［18，22］。 他汀類藥物和AT1 阻滯劑也被發現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 受體相互作用上調肌漿網Ca2＋－ATP 酶的表達，改善高血糖誘導的左室收縮功能障礙和右室游離壁纖維化，進而提升了心肌的收縮能力［24－25］。 這些數據提示ACE2／Ang－（1－7）／MasR 軸對高血糖誘發的心肌改變具有保護作用，針對ACE2 為靶點的藥物可能是未來抗糖尿病心肌病藥物的新選擇。

4 ACE2 參與肺損傷的保護分子機制

ACE2 在呼吸系統中主要表達于呼吸道內皮細胞中并可作為β－冠狀病毒攻擊的主要位點，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 軸顯著改善機體的肺功能惡化。

RAAS 的平衡失調一直被公認為是ALI 的重要機制之一，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、炎癥反應以及氧化應激等病理改變，最終引起肺功能的損害。 臨床隨機對照實驗表明，使用RhACE2（GSK2586881）的ARDS 患者表現為耐受性好及炎癥指標下調［26］，提示ACE2 在ALI 的發生發展中扮演重要的角色。

作為呼吸系統內重要的血壓調節因子，ACE2被認為是PH 的重要保護因子之一。 生理狀態下，腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate acti?vated protein kinase， AMPK）可調節ACE2 第680 位絲氨酸的磷酸化，增強了ACE2 的穩定性，而AMPK－p－ACE2 軸的損害在PH 患者和小鼠的肺組織中表現明顯，且其功能恢復可明顯遲滯PH 的形成［27］。 此外，ACE2 還與肺血管壁增厚和間質纖維化密切相關。 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纖維化，并促進了肺組織中抗炎因子的表達升高［28］。

5 ACE2 參與腎臟損傷保護的分子機制

ACE2 在腎臟上主要表達于腎小管上皮細胞頂端，可對多種病理機制所致的腎損傷發揮保護作用。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，并且可以改善細胞外基質蛋白的聚集和巨噬細胞的浸潤［29－30］。 此外，TGF－β／smad3 介導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［31］。 這些數據提示ACE2在體內發揮重要的腎臟保護作用。

6 ACE2 參與消化道及生殖系統疾病保護的分子機制

在消化系統中，ACE2 高表達于腸黏膜上皮細胞中并通過與轉運蛋白B（0）AT1 結合，增強了腸黏膜上皮細胞對氨基酸的攝取，借此調控微生物－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ACE2 來減緩IBS 模型小鼠腸道的炎癥反應、氧化應激以及微生態紊亂，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）的上調以及對經典RAAS 軸的激活有關［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損害的機制之一［33］。在炎癥性腸病患者體內會存在明顯的RAAS 失衡，體外實驗證明，ACE2／Ang－（1－7）／MasR 軸可以通過抑制人結腸成纖維細胞的增殖及其膠原的分泌來緩解疾病的發展［34］。 這些數據提示ACE2／Ang－（1－7）／MasR 軸是參與腸道損傷保護重要通路。

在睪丸組織中，轉錄水平的ACE2 和Mas 受體在生精功能障礙患者的睪丸組織中明顯下調［35］，提示RAAS 可能通過某種機制影響生殖系統的功能，但還未有報道發現其具體的分子機制，可能是針對ACE2 的下一步研究方向之一。

圖3 ACE2－Ang－（1－7）－MasR 可能參與的相關信號通路

7 小結與展望

ACE2 作為COVID－19 的受體最近受到廣泛關注，相關文獻的報道提示ACE2 的分布范圍也與病毒感染導致的器官受累損傷明顯相關，因此ACE2被視為是治療β－冠狀病毒感染的潛在靶標。 鑒于ACE2 在全身各系統中均被認為對機體發揮有益的作用，通過綜述對其器官發揮保護作用的可能分子機制，對于后續研究如何通過抑制其與病毒的結合位點，同時不損害體內各器官發揮正常的生理功能，可能是今后關注的熱點。 有針對性的研發以ACE2／Ang－（1－7）／MasR 軸為靶點的新型藥物，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、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