SARS-CoV-2受體（ACE2）相關感染致病機制的研究進展

許可欣,彭南求（上海健康醫學院,上海 201318）

冠狀病毒是一類常見的RNA病毒。它普遍存在于自然界中，哺乳動物、鳥類均可成為其宿主[1-2]。至今發現有7種病毒可感染人類，其中2003年發現的嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒（Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus，SARSCoV）和2012年暴發的中東呼吸綜合征冠狀病毒(Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus，MERS-CoV)均引發了兩次重大疫情[3]，而2019年末暴發的新冠病毒（Coronavirus disease 2019，COVID-19）疫情迄今仍未得到有效控制。截至2021年3月8日，新冠肺炎確診病例116,135,492人、死亡2,581,976人[4]，對人類健康構成了巨大的威脅，使全球經濟蒙受了不可估量的損失[5]。本文綜述了ACE2作為新冠病毒結合受體相關的分子致病機制并簡要介紹了ACE2與細胞因子風暴的關系，并對當前針對ACE2的預防、治療藥物或策略進行了概述。

1 ACE2蛋白相關的分子致病機制

基于SARS-CoV-2的基因組序列及其血清學特征，國際病毒委員會將這種新型冠狀病毒納入β-冠狀病毒屬[6]。相較于具有較高保守性的非結構蛋白而言，冠狀病毒的結構蛋白在病毒進化過程中展現出了極強的易變性，因此也往往是疫苗研究的重點區域。SARS-CoV-2的結構蛋白包括核衣殼蛋白、小包膜蛋白和刺突蛋白（Spike蛋白）[7]。其中以三聚體形式在COVID-19的包膜外呈花瓣狀突出的跨膜糖蛋白為S蛋白[8-9]。S蛋白與靶細胞受體ACE2結合，從而使病毒遺傳物質進入宿主細胞[10]。

1.1 ACE2與SARS-Cov-2結合的結構基礎 大量的科學研究顯示，ACE2是包括SARS-CoV-2，SARS-Cov在內的多種冠狀病毒的主要結合受體。一篇發表于2018年的文獻揭示了SARS-Cov的三聚體S蛋白的受體結合域（RBD）僅位于S1這一個亞基中，且S1亞基具有一個突出的“向上”構象[11]。在病毒囊膜與細胞質膜融合前，SARS-CoV的S1亞基可分為四個不同的結構域：NTD、CTD1、CTD2和CTD3，其中CTD1即為RBD，采用“向上”構象作為SARS-CoV與細胞受體血管緊張素轉化酶2（ACE2）結合的前提條件。同時在MERS-CoV的S蛋白中也可觀察到CTD1“向上”突出的類似狀況。

而最新研究顯示在SARS-CoV-2的三維結構中，其S蛋白同樣也出現了一個“向上”的構象和兩個“向下”的構象。“向上”的構象決定其容易與受體接近的特性，包含RBD區域，穩定性相比之下較差，而“向下”構象表示不易于與受體接近的構象[12]。

宿主細胞的受體ACE2屬于I型跨膜蛋白，參與調節人體血壓、體液平衡和免疫反應等重要的生命活動[13]。ACE2的肽酶結構域（PD）位于細胞外，可直接與SARS-CoV-2的RBD區域結合[14]。Yan[15]等于2020年使用冷凍電鏡技術對ACE2的全長結構進行了解析，發現了以二聚體形式存在的ACE2不論是開放還是關閉狀態都存在一個能夠共同識別SARS-CoV-2的表面。形成同源二聚體后的ACE2的每個單體可分別與一個S蛋白的三聚體結合。

1.2 ACE2對SARS-Cov-2的RBD具有高親和力 與2001年的SARS相比，COVID-19的傳播速度與感染性都有所提升。多項科學研究表明，這可能是由于SARS-CoV-2的S蛋白與ACE2的親和力顯著增強而導致的[12]。

平衡解離常數是親和力大小的直接反應。表面等離子共振技術顯示SARS-COV-1刺突蛋白與ACE2的平衡解離常數為325.8nmol/L，而SARS-COV-2刺突蛋白與ACE2的平衡解離常數僅有15nM[12]，說明SARS-CoV-2S蛋白與ACE2的親和力是SARS病毒的10-20倍。

根據Xiao[16]的報道，SARS-CoV-1的S蛋白的RBD位于272-537殘基之間。而ACE2對SARS-CoV-2展現出高親和力的原因可能是由于SARS-CoV-2的受體結合域的某幾個關鍵氨基酸殘基在組成上與SARS-COV-1的差異。例如Wan[17]證實SARS-CoV-2的RBD中的第394位殘基(谷氨酰胺)可以被人ACE2受體上關鍵的31賴氨酸識別驗證了這一說法。這種差異使得SARS-CoV-2的RBD在與ACE2結合后可形成相較SARS-CoV-1而言更加緊湊的構象[18-20]。除此之外，SARS-CoV-2中部分氨基酸殘基的改變也被證明是RBD-ACE2上的兩個病毒結合熱點進一步得到穩定的主導因素[21-22]。上文所述的結構特征增強了SARS-CoV-2的刺突蛋白與ACE2結合的親和力[23]。

然而值得一提的是，一項發表于Cell的研究卻得出SARSCoV-2和ACE2的親和力與SARS-CoV相當，甚至要更低的結論[24]。稍后的一項研究對冠狀病毒的低溫電鏡結構進行了分析，從而解釋了為何在實際實驗中兩者表現出親和力相似。在低溫電鏡結構下，SARS-CoV-2刺突蛋白的RBD大多展示出一種“臥倒”的狀態，而SARS-CoV S刺突蛋白中的RBD則多數處于豎立狀態。通過進一步研究發現，冠狀病毒S蛋白的RBD的空間結構并不是一成不變的，而是在豎立與臥倒兩種狀態之間發生動態變化[25]。當RBD處于臥倒狀態時，其不易接近受體蛋白，使得病毒與宿主細胞受體的結合力降低，也就是無效的受體結合；相反，當RBD處于豎立狀態時則與受體的結合更加容易，因此導致親和力更高[21]。

因此，盡管SARS-CoV2 S蛋白的RBD與SARS-CoV相比具有較高ACE2親和力，但由于SARS-CoV2 S蛋白的RBD大多呈臥倒狀態，其S蛋白則表現出與SARS-CoV相近的結合力。

1.3 多種細胞表面的ACE2蛋白都可與SARS-CoV-2結合 冠狀病毒表面的S蛋白或者HE蛋白與宿主細胞上對應的特異性受體結合，從而進入細胞，這是病毒感染的關鍵步驟[22]。與SARSCoV相同，SARS-CoV-2也是通過S1亞基以人類細胞表面的ACE2為受體從而進入宿主細胞中。盡管在SARS-CoV-2的S蛋白中與ACE2受體結合所依賴的氨基酸序列（RBD核心區域）高度保守[23]，但是這些氨基酸序列并不存在于其他不能與ACE2結合的冠狀病毒的S蛋白中，如和SARS-CoV-2的S1亞基序列相似性高達70%的蝙蝠SARS類冠狀病毒（SARSr-CoV）[24]。

除了人類細胞表面的ACE2受體，還有如中華菊頭蝠、豬和果子貍等其他物種中能夠表達ACE2的組織細胞都可作為SARSCoV-2入侵細胞的通道[25]。且SARS-CoV-2不能利用其他某些冠狀病毒結合的受體作為進入細胞的通道，如HCoV-OC43進入人體所使用的唾液酸受體[26]和HCoV-229E結合的人氨基肽酶受體（hAPN，CD13）[27]都不能協助SARS-CoV-2進入宿主細胞。

ACE2在人體多個器官的不同組織細胞中的廣泛分布解釋了SARS-CoV-2感染除肺組織以外的其他多個器官的原因[28]。同樣以ACE2為進入細胞媒介的SARS病毒在2003年暴發之時便出現了多組織損傷的病例，而此次COVID-19患者也被證實具有類似的臨床特征[29]。ACE2主要分布于人類Ⅱ型肺泡上皮細胞、支氣管上皮細胞和腸上皮細胞中，但有研究[30]表明ACE2在血管內皮細胞、心臟和腎臟等多種器官中也有表達，所以，肺和腸道應當是SARS-CoV-2的主要靶器官，但心臟、腎臟、膀胱以及睪丸等也可能成為病毒攻擊的對象[31]。病理學研究也表明由SARSCoV-2引起的病理損傷集中體現在肺臟，同時消化器官和腎臟也出現了不同程度的損傷[32]。一些臨床報道也驗證了這些推測，如有超過一半的SARS-CoV-2患者的首發癥狀為食欲缺乏、惡心嘔吐以及腹瀉等消化道癥狀[33]；部分新冠肺炎患者在臨床上并發肝損傷、腎損傷以及各類心腦血管疾病等；近期還發現少數經過治療后“復陽”的患者盡管呼吸道的病毒檢測呈陰性，但胃腸道仍然顯示陽性，且在腸道固有層中發現大量漿細胞、淋巴細胞浸潤[34]。

1.4 ACE2與SARS-CoV-2的結合部位可能導致SARS-CoV-2感染的多器官損傷 作為SARS-CoV-2進入人體細胞的主要途徑，ACE2受體在人體多種組織細胞的廣泛表達決定了SARS-CoV-2入侵人體后會出現多元臨床癥狀表現的特性。

由于SARS-CoV-2感染后引起的最主要癥狀是病毒性肺炎，因此在肺部組織引起的損傷最早受到人們的關注。通過對敲除ACE2基因小鼠的研究發現，經SARS-CoV-2感染后的小鼠肺細胞在病毒滴度和免疫組化中顯示的白細胞浸潤和肺部損傷均有顯著降低[35]。人體肺組織細胞的單細胞測序顯示，表達ACE2的肺部細胞僅占全體肺部細胞的0.64%，其中Ⅱ型肺泡細胞（AT2）占據83%的比例。其余表達ACE2的細胞為I性肺泡細胞、成纖維細胞、巨噬細胞和內皮細胞[36]。

嗅覺喪失也是新冠肺炎的臨床癥狀之一。目前已知引起普通感冒的冠狀病毒、鼻竇或其他上呼吸道感染都會導致嗅覺喪失。但在大多數病例中，嗅覺往往隨著癥狀的消失而恢復。這種情況的嗅覺喪失僅僅是鼻子阻塞的結果，阻止了氣味分子到達鼻腔內的嗅覺受體[37]。然而，對于新冠肺炎患者而言，他們的鼻腔呼吸通道順暢，因此其嗅覺的喪失并不能歸因于鼻腔堵塞[38]。起初，研究人員認為這可能是由于SARS-CoV-2對嗅覺神經元進行了破壞。但最近的一項國際合作表明，在嗅覺神經元中并未發現ACE2蛋白，那么SARS-CoV-2入侵嗅覺神經元也就無從談起。但在一種叫做“支持細胞”的細胞上發現了病毒[39]。支持細胞的作用是支持嗅覺神經元。也就是說，SARSCoV-2并不是通過感染嗅覺神經元的直接方式，而是通過影響支持神經元的細胞功能而間接地使嗅覺受到影響。研究人員認為就是由于支持細胞被病毒入侵后所引起的免疫反應導致該區域腫脹，而使得嗅覺消失[40]。

有臨床相關報道顯示，COVID-19患者還會出現與心血管系統受損相關的癥狀。一種可能的機制是由于SARS-CoV-2與ACE2結合后，ACE2在RAAS系統中對AngⅡ的水解作用被削弱，最終導致水解產物血管緊張素1-7減少。而血管緊張素1-7能夠舒張血管、調節血壓及抗動脈粥樣硬化，從而對心血管起到保護作用[41]。除此之外，合并新冠肺炎的心血管疾病患者在臨床上的癥狀往往更加嚴重，有研究[42]表明可能與這類患者的體內ACE2高水平表達有關。因此，對于高血壓合并COVID-19患者，出于降壓考慮，用藥時應當更加謹慎，因為RAAS抑制劑類藥物（ACEⅠ）或血管緊張素受體阻斷劑（ARB）的使用而導致的ACE2水平升高有增加重癥的風險[43]。

目前還未有基因組學證據能夠證明人群中存在能夠天然抵抗冠狀病毒S蛋白結合的ACE突變體的個體[44]。然而ACE2在不同人群中的分布的確存在一定差異。有研究顯示，從性別上看，ACE2不僅在前列腺和睪丸中普遍表達[45]，且在男性肺組織中表達ACE2的細胞種類至少比女性多1-3種，這也部分解釋了COVID-19患者中男性的發病率、重癥率以及病死率均高出女性的原因[46]；從人種上看，在歐洲人群中有6個常見變異的等位基因變異頻率為52%-65%，明顯低于東亞人群的變異頻率（95%）。這種遺傳背景的變異性及多樣性可能部分影響了ACE2的功能，致使ACE2的表達在不同人群中表現出一些微小的差異[14]。

1.5 ACE2蛋白和S蛋白以及蛋白酶在感染中的協同作用 冠狀病毒S蛋白中S1亞基識別并結合細胞受體后，需要依賴存在于靶細胞的蛋白酶將S蛋白切割為S1和S2兩個亞基。S2是膜融合亞基，在切割后S2亞基才能誘導病毒膜與細胞膜發生融合，完成病毒的侵入過程[26]。

蛋白酶在靶細胞的位置不同，導致病毒進入的途徑也會不同[47]。主要分為兩種：其一是利用位于細胞表面的TMPRSS2或弗林蛋白酶來激活S蛋白的“早期內源途徑”；其二是利用位于細胞內的組織蛋白酶L，在病毒通過胞吞途徑進入靶細胞后再進行S蛋白的切割[48]。在宿主細胞表面表達具有切割S蛋白活性的蛋白酶的情況下，病毒包膜和細胞膜可融合，導致病毒直接進入細胞，因此復制效率較胞吞侵入途徑高100倍[49]。

研究發現，SARS-CoV，HCOV-OC43等多種冠狀病毒均可利用TMPRSS2對S蛋白進行活化和切割[50]。SARS-CoV-2同樣利用了TMPRSS2進入細胞。HOFFMANN等發現，通過調節pH值下調TMPRSS2后，SARS-CoV-2對細胞的侵入被抑制[23]。TMPRSS2抑制劑甲磺酸卡莫司他的使用也顯著阻斷了SARS-CoV-2進入細胞的過程。這提示了作為SARS-CoV-2進入宿主細胞的重要輔助因子，對TMPRSS2抑制劑使用的研究十分有必要，卡莫司他可能是治療COVID-19的有效藥物之一[51]。

S蛋白的受體和切割S蛋白的蛋白酶在冠狀病毒的入侵過程中缺一不可。單細胞RNA測序研究證實，SARS-CoV-2的組織侵入性很可能是由ACE2和TMPRSS2兩者的共同表達所決定的[52]。例如，在肺上皮細胞中，富含ACE2的細胞群也是TMPRSS2表達最強的細胞群之一[53]。此外，其他在人呼吸道細胞表面大量表達的氣道蛋白酶被證實也可作用于SARS-CoV的S蛋白，并提高病毒在細胞表面直接入侵的效率。因此，氣道蛋白酶的特異性分布及ACE2蛋白的高表達累加，可能是呼吸道相對于其他器官更易感染SARS-CoV-2的一個原因[51]。然而，盡管數據顯示ACE2在心臟中的表達比肺組織要高，但相比肺或呼吸道，幾乎沒有病毒顆粒在心肌細胞中被觀察到，且心肌組織中也并未顯示有實質性損傷，這可能是由于TMPRSS2在心肌細胞中表達較少的緣故。這種蛋白酶的缺少通過限制SARS-CoV-2的入侵，在一定程度上降低了心臟的易感性[54]。

除此之外，相關研究表明弗林蛋白酶也是新冠肺炎潛在的治療干預靶點。與SARS-CoV相比，SARS-CoV-2的S蛋白中有一個富含精氨酸、易被弗林蛋白酶切割的多堿性裂解位點，該位點對于人類感染SARS-CoV-2的過程是必不可缺的。并且迄今為止在對所有包含這一裂解位點序列的SARS-CoV-2分離株進行測序的結果都是保守的[55]。HIV、埃博拉以及流感病毒的序列中也含有弗林蛋白酶切割位點，這可能也是SARS-CoV-2與其他冠狀病毒相比展現出更高傳染性的原因之一[56]。

2 ACE2蛋白在SARS-CoV-2致病機制中可能起到的作用

相關研究報道，由SARS-CoV-2直接導致的細胞損傷只是致病機制之一，真正導致患者出現致命炎癥等重癥癥狀乃至死亡的關鍵因素是細胞因子風暴[57-58]。臨床研究發現，在新冠感染重型及危重型患者中可觀察到細胞因子風暴(CS)發生[8]。CS可進一步引起肺毛細血管滲漏、肺組織大面積水腫，并進一步發展為急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）甚至多器官衰竭[59]。據報道，MERS、SARS-CoV-2患者疾病的嚴重程度與其血清中CS的強弱程度呈正相關[8,60]。細胞因子風暴是指由于病毒、細菌等微生物感染引起的過激炎癥反應，進而誘發免疫穩態失衡導致組織受損的現象[61]。

目前尚不完全清楚SARS-CoV-2是如何通過細胞因子風暴驅動COVID-19的肺損傷、重癥肺炎等病理變化，但被研究得最多的機制是RAS（腎素-血管緊張素）系統[62]。除了作為病毒結合的受體，ACE2在RAS系統中也扮演著至關重要的角色。RAS系統主要通過兩條軸線調節人體血壓、水、電解質的平衡。其一，ACE-AngⅡ-AT1R軸線：血管緊張素原在腎素的作用下分解為血管緊張素（AngⅠ），AngⅠ在ACE的作用下生成AngⅡ，其通過AngⅡ1型受體（AT1R）發揮收縮血管、促進炎癥的作用。其二，ACE2-Ang-（1-7）-Mas軸線：ACE2催化AngⅡ生成Ang-（1-7），后者主要通過Mas受體發揮擴張血管、抑制炎癥的作用[63]。兩條軸線共同維持著RAS系統的平衡[41]。

人體感染冠狀病毒后導致肺損傷的一種可能的機制或許與ACE2與病毒結合后的下調有關。ACE2的減少導致AngⅡ的高水平表達，使得肺毛細血管通透性增加并導致肺水腫[64]。Imai[65]的發現也證實了這點：在酸吸入或由膿毒癥引起的急性肺損傷的小鼠模型中，敲除ACE2基因可使AngⅡ水平升高更明顯，肺損傷更嚴重。在SARS病毒Spike-Fc蛋白引起的小鼠急性肺損傷模型中，ACE2表達下調后也得到了同樣的結果[66]。Liu[67]對2019-nCoV感染肺炎患者和健康對照者的AngⅡ水平的檢測發現前者的血漿AngⅡ水平顯著高于后者，且AngⅡ水平與病毒滴度和肺損傷程度成線性相關。另一方面，過多的AngⅡ會通過ADAM22切割腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor α，TNF-α)和IL-6，產生可溶性IL-6[68]。IL-6作為促炎性細胞因子之一可放大炎癥反應，進一步加劇了細胞因子風暴，從而導致嚴重的肺損傷出現。

除此之外，ACE2與緩激肽代謝產物的相關作用也是加劇細胞因子風暴的原因之一。緩激肽具有擴張血管、增加血管通透性以及促進炎癥的作用。研究顯示ACE2可以通過剪切緩激肽活性代謝產物DABK羧基末端的一個氨基酸的方式來抑制該代謝產物與緩激肽B1受體（BKB1R）的結合。ACE2的減少導致緩激肽與受體的結合受阻，間接導致了緩激肽含量增高。在內毒素吸入導致的小鼠肺損傷模型中，ACE2活性降低致使DABK-BKB1R軸被激活，導致炎性因子釋放，肺部炎癥和損傷被進一步加劇[63,69]。

生物信息分析學還發現，在肺癌組織中ACE2表達的增高部分是由miR-125b-5p-ACE2-IL6軸調控的，且miR-125b-5p-ACE2-IL6促進ACE2表達，抑制IL-6的表達。因此如果肺癌患者合并SARS-CoV-2感染，可能會由于ACE2的下調而導致IL-6表達上調，從而引發更嚴重的細胞因子風暴[70]。

3 與ACE2相關的治療、預防藥物研發現狀

3.1 治療藥物 目前針對ACE2在SARS-CoV-2感染中的作用，所研發的藥物或治療方案主要有三個方面。

首先考慮使用阻斷S蛋白與ACE2受體結合的藥物如氯喹。氯喹作為一種在臨床上應用已久的藥物，不僅可抗瘧疾，還具備廣譜的抗病毒作用[71]。研究發現氯喹的作用機制之一是通過干擾宿主細胞ACE2末端的糖基化而間接影響病毒與靶細胞的結合[72]。此外，重組性人源ACE2蛋白（rhACE2蛋白）被證明不僅可有效阻斷SARS-CoV-2進入細胞的通路[73]，還在治療肺動脈高壓癥的Ⅱ期臨床實驗中展示了良好的療效[74-75]。

此外，由于ACE2對器官的保護作用，增加機體循環中ACE2濃度也是新冠肺炎可能的治療方案[51]。ACE抑制劑與AngⅡ受體阻滯劑（ARB）均可上調ACE2表達。研究顯示培哚普利（ACE抑制劑）可通過減少Ang水平而抑制ADAM22（可剪切心肌細胞膜上的ACE2[76]）的激活，從而增加心肌ACE2的表達。但ACEⅠ增加ACE2活性的作用有限[58]。有動物實驗已證實氯沙坦（ARB）可改善由SARS-CoV引起的肺損傷，因此ARB可能是可迅速應用于臨床治療急性心肺損傷的藥物之一[77-79]。

由于ACE2對SARS-CoV-2重癥患者體內細胞因子風暴的影響，目前細胞因子單抗的治療方式也已被提上議程。托珠單抗（白細胞介素（IL-6）受體單抗）、依那西普（腫瘤壞死因子-α（TNF-α）抑制劑）等已在我國注冊臨床試驗，但其療效還有待進一步臨床證實[80]。

3.2 預防方案 針對ACE2與SARS-CoV-2中S蛋白的高親和力，一些專家給出了如下的預防策略：①直接采用ACE2抗體。然而目前尚缺乏ACE2序列。②采用可溶性RBD。由于S蛋白通過RBD識別ACE2，因此理論上來說給予可溶性RBD可抑制病毒與ACE2的結合。③制造ACE2-Fc人工抗體。融合ACE2結合域蛋白與其抗體的可結晶片段（Fc），注入后可與循環中的SARS-CoV-2相結合[81]。ACE2-Fc人工抗體已在小鼠模型中被證明可控制血壓并可有效阻止器官的進一步受損，是當前研究的熱點預防方案[82]。④COVID-19患者體內獲取的高親和力單克隆抗體有可能在緊急預防、治療方面發揮重要作用。Duan[83]等證實與康復者血漿相比，恢復期血漿具有較好的耐受性且其單克隆抗體具有更高的特異性，也更易于生產或大規模制備。但篩選的單抗還有待進一步臨床試驗的有效性評估[68]。

由于S蛋白較為保守，且其RBD對與靶細胞受體結合起著決定性作用，因此目前SARS-CoV-2疫苗研究的主要靶標分子仍舊是S蛋白[61,84]。但正確地掌握S蛋白及ACE2的晶體結構對SARSCoV-2疫苗設計的結構基礎有重大意義。

4 結語

ACE2在新冠病毒致病的機制中發揮重要作用。本文主要闡述了ACE2與病毒結合的結構基礎及其分布位置對感染后機體的影響，分析了ACE2與患者出現肺炎癥狀的聯系。研究ACE2的受體結構及其生理作用有助于研發阻斷病毒與受體結合的藥物以及對已感染患者心肺功能的改善。但目前對ACE2在感染機制、預后評估方面的作用仍有待各界學者進行進一步探討。