ACE2功能全解析

新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）出現(xiàn)之后，一場(chǎng)抗擊新冠肺炎的“戰(zhàn)疫”也在中國(guó)迅速全面地展開(kāi)。在我們與病毒作斗爭(zhēng)的過(guò)程中，科研工作者們從流行病學(xué)、病理現(xiàn)象、病毒溯源、防治措施等各個(gè)方面對(duì)病毒本身以及宿主受體進(jìn)行了研究，作為與SARS-CoV-2結(jié)合的人類(lèi)受體—血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2（ACE2），它的功能探究就顯得尤為重要。那么除了作為幫助SARS-CoV-2病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞的“幫兇”之外，ACE2還扮演著什么樣的角色呢?待我慢慢道來(lái)。

 

ACE2與腎素-血管緊張素系統(tǒng)

 

血管緊張素轉(zhuǎn)化酶（angiotensin-converting enzyme, ACE）是一種編碼805個(gè)氨基酸的金屬蛋白酶，位于X染色體（Xp22.2）中，是具有單一胞外催化結(jié)構(gòu)域的I型跨膜糖蛋白。在腎素-血管緊張素系統(tǒng)（renin-angiotensin system, RAS）中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)功能，可將無(wú)活性的血管緊張素I（AngI）轉(zhuǎn)化為調(diào)控血管收縮的血管緊張素II（AngII），AngII是RAS系統(tǒng)的核心效應(yīng)分子，通過(guò)血管緊張素受體（AT1和AT2）介導(dǎo)很多生物學(xué)反應(yīng)。而血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2（ACE2），是ACE的同源物，可將AngII裂解成Ang1-7多肽，具有保護(hù)心臟、舒張血管、抗生長(zhǎng)和抗增殖的作用，還可以增強(qiáng)緩激肽的活性。

 

ACE2在腎素-血管緊張素系統(tǒng)中的作用示意圖

(引自Keiji Kuba et al, 2010)

 

2000年，研究人員將ACE2從心衰病人和人淋巴癌cDNA庫(kù)中克隆出來(lái)，此后，對(duì)ACE2的功能研究遍布了各個(gè)領(lǐng)域。

 

ACE2與新型冠狀病毒

 

ACE2是SARS病毒的功能受體。研究表明，當(dāng)SARS冠狀病毒通過(guò)表達(dá)ACE2的細(xì)胞腔面進(jìn)行感染時(shí)，其感染效力提高10倍。SARS病毒RBD利用其外部結(jié)構(gòu)域與受體的N末端結(jié)合，形成了一個(gè)在RBD / ACE2相互作用中占主導(dǎo)地位的親水性接觸網(wǎng)絡(luò)。在與ACE2結(jié)合后，SARS-CoV包膜與宿主細(xì)胞膜之間的融合由S2亞基完成。這里需要提到兩種蛋白酶，一種是ADAM17金屬蛋白酶，另一種是絲氨酸跨膜蛋白酶TMPRSS2，目前已有報(bào)道說(shuō)明這兩種酶在冠狀病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞與ACE2結(jié)合時(shí)發(fā)揮作用，那么具體是怎樣的呢？

 

KeijiKuba 等在2010年的研究中發(fā)現(xiàn)ACE2與SARS病毒結(jié)合后能以Clathrin依賴(lài)的方式進(jìn)入宿主細(xì)胞，幾乎在同時(shí)，ACE2又會(huì)被ADAM17金屬蛋白酶切割而使得病毒與ACE2的結(jié)合受到了阻礙。同樣，Markus Hoffmann等人前段時(shí)間在Cell Press上提出了這樣的觀點(diǎn)，SARS-CoV-2進(jìn)入宿主細(xì)胞時(shí)需要有TMPRSS2跨膜蛋白酶的參與，輔助ACE2與SARS-CoV-2的結(jié)合。我們可以發(fā)現(xiàn)，受體ACE2是主要的作用因子，但在冠狀病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞這個(gè)過(guò)程中，并不只是ACE2單一因子發(fā)揮功能，可以切割A(yù)CE2的蛋白酶ADAM17和參與ACE2與SARS-CoV-2膜融合過(guò)程的TMPRSS2很有可能也參與了新型冠狀病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞過(guò)程。在靶點(diǎn)藥物的開(kāi)發(fā)方面，若是能夠?qū)��?duì)機(jī)體的損害降到最低并對(duì)預(yù)后產(chǎn)生良好的效果，我們需要在基因的各個(gè)層面進(jìn)行探究。從另一個(gè)方面來(lái)講，SARS-CoV-2肆虐人類(lèi)，主要損傷的器官是肺部，這與ACE2在肺部的分布密不可分，因此，對(duì)于肺部疾病如肺纖維化，肺部炎癥甚至肺癌，都可以將ACE2作為關(guān)注的基因進(jìn)行研究。

 

關(guān)于ADAM17與TMPRSS2靶點(diǎn)的具體內(nèi)容，可以看我們明天的推文：新冠靶點(diǎn)新視角之二：跨膜蛋白酶ADAM17和TMPRSS2。

 

ACE2與腎臟疾病

 

最初的基因表達(dá)研究表明，ACE2僅在心臟、腎臟和睪丸中表達(dá)，但隨后的研究表明，它也存在于肺、肝、腦、胰腺和結(jié)腸中。ACE2蛋白可以水解Ang II以形成Ang 1-7。在腎臟中，Ang 1-7作用于與G蛋白偶聯(lián)的受體Mas，起到舒張血管、抗纖維化、抗增生和抗炎的血管保護(hù)作用。

 

腎臟損傷很大程度上是通過(guò)Ang II介導(dǎo)的，有研究表明ACE2基因敲除會(huì)導(dǎo)致糖尿病小鼠的血壓升高、腎小球損傷和腎纖維化，外源人重組ACE2可以通過(guò)減少白蛋白排泄的增加，減緩糖尿病腎�。―KD）的進(jìn)展。ACE2在腎臟中高表達(dá)，主要在腎小管刷狀近緣，腎血管的內(nèi)皮和平滑肌細(xì)胞以及足細(xì)胞。據(jù)報(bào)道，在受損的腎小管中，Ang II升高可能是在人類(lèi)腎臟疾病中進(jìn)一步腎臟損害的可能介質(zhì)。因此，腎內(nèi)ACE和ACE2之間的平衡破壞以及隨之而來(lái)的Ang II高水平可能導(dǎo)致腎損害。高血壓性腎病是高血壓的常見(jiàn)并發(fā)癥，其主要機(jī)制之一是與Ang II相關(guān)的炎癥，氧化應(yīng)激和腎組織纖維化。值得注意的是，2019年4月，吉林大學(xué)藥學(xué)院發(fā)現(xiàn)，人參皂苷Rg3通過(guò)上調(diào)腎組織中ACE2來(lái)減輕大鼠和小鼠的AngII介導(dǎo)的腎損傷，而Rg3除了抗腫瘤活性外，還可以通過(guò)包括抗炎、抗氧化應(yīng)激和抗纖維化等多種機(jī)制來(lái)保護(hù)心血管。

 

ACE2與心血管疾病

 

ACE2在心肌細(xì)胞、心肌成纖維細(xì)胞和冠狀動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞中廣泛表達(dá)。RAS系統(tǒng)調(diào)節(jié)體液、血壓平衡并維持血管張力，而ACE2是RAS系統(tǒng)中重要的調(diào)節(jié)蛋白，RAS過(guò)度激活（血管收縮增加）或者耗盡（血管舒張減少）會(huì)導(dǎo)致血管功能障礙，血管功能障礙是動(dòng)脈粥樣硬化和心血管疾�。–VD）的主要原因。修復(fù)血管功能障礙和其他病理變化的一種方法是通過(guò)平衡Ang II的作用來(lái)增加ACE2的活性。Craceower等人解釋了ACE2在心臟功能中的重要性，他們發(fā)現(xiàn)ACE2基因敲除小鼠有嚴(yán)重的心臟功能障礙，ACE2可能具有重塑和調(diào)節(jié)心臟功能的潛力。研究者發(fā)現(xiàn)，ACE2的局部過(guò)表達(dá)顯著抑制了早期動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展，而ACE2的抗動(dòng)脈粥樣硬化作用與血管平滑肌細(xì)胞的增殖、遷移、抑制以及改善內(nèi)皮功能相關(guān)。進(jìn)一步研究證實(shí)，患有左心室收縮功能障礙的患者血漿中ACE2活性增加，左心室收縮功能障礙是冠心病、猝死、心力衰竭和中風(fēng)的重要危險(xiǎn)因素。同時(shí)，Uri等人驗(yàn)證了血清中ACE2的活性與心力衰竭惡化之間的相關(guān)性。特別注意了由高血壓向心力衰竭的發(fā)展過(guò)程中，血清中ACE2活性降低是心臟收縮功能異常的選擇性生物標(biāo)志。Vaibhav B. Patel等的研究證實(shí)了ACE/Ang1-7軸在激活RAS系統(tǒng)上至關(guān)重要的反調(diào)節(jié)作用，ACE2的缺失會(huì)增強(qiáng)對(duì)心力衰竭的敏感性，但增加ACE2的水平可以預(yù)防和逆轉(zhuǎn)心力衰竭的表型。ACE2和Ang1-7已成為抵抗心力衰竭的主要保護(hù)途徑。這些證據(jù)都證明，ACE2在心血管的研究中扮演著非常重要的角色。

 

ACE2與糖尿病

 

RAS系統(tǒng)和利尿肽（natriuretic peptide, NPS）系統(tǒng)是糖尿病性心肌�。―CM）發(fā)生和發(fā)展的罪魁禍?zhǔn)�，中性溶酶抑制劑可以通過(guò)增加NPS的水平來(lái)提高RAS阻滯劑（這里包括血管緊張素阻滯劑ARB和ACE抑制劑）來(lái)發(fā)揮保護(hù)心血管的作用。而ACE/Ang II/AT1受體途徑的激活與炎癥、氧化應(yīng)激、纖維化和胰島素抵抗等過(guò)程相關(guān)。

在糖尿病小鼠模型中的研究顯示，視網(wǎng)膜和腎臟中ACE/Ang II/AT1受體通路上調(diào)而ACE2/Ang（1-7/Mas受體通路下調(diào)。這一點(diǎn)在患有糖尿病腎病的2型糖尿病患者的腎臟也得到了證實(shí)。這些數(shù)據(jù)表明，ACE/Ang II/AT1受體和ACE2/Ang（1-7）/Mas受體通路之間的不平衡是糖尿病并發(fā)癥發(fā)生和發(fā)展的常見(jiàn)基礎(chǔ)。ACE/Ang II/AT1受體與ACE2/Ang（1-7/Mas受體通路之間的失衡對(duì)于誘發(fā)神經(jīng)性疼痛至關(guān)重要。在2型糖尿病小鼠中觀察到的神經(jīng)性疼痛涉及ACE2 / Ang（1-7）/Mas受體途徑的下調(diào)，這種下調(diào)是由表達(dá)ACE2的脊髓背角神經(jīng)元的喪失引起的。由于激活A(yù)CE2/Ang（1-7）/Mas受體途徑可以緩解痛覺(jué)過(guò)敏，因此，外源補(bǔ)充Ang（1-7）可能是緩解2型糖尿病神經(jīng)性疼痛的有效治療策略。研究表明，ACE2的表達(dá)和激活是維持內(nèi)皮功能平衡所必需的，DIZE是ACE2的活化劑，給糖尿病小鼠口服DIZE可促使ACE2過(guò)表達(dá)，改善血管功能，服用DIZE后，研究者發(fā)現(xiàn)糖尿病小鼠血漿Ang1-7水平升高，增強(qiáng)了NO的產(chǎn)生，并從動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞釋放到主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞，從而改變血管的功能。

 

ACE2與中樞神經(jīng)系統(tǒng)

 

ACE2主要在胃腸道、心臟、腎臟、肺和睪丸中表達(dá)，在大腦中也發(fā)現(xiàn)了較低水平的ACE2表達(dá)。在神經(jīng)生化中，轉(zhuǎn)基因和基因敲除動(dòng)物模型被用來(lái)研究神經(jīng)激素系統(tǒng)，解釋這個(gè)系統(tǒng)中單個(gè)成分的變化對(duì)整個(gè)生理過(guò)程的影響，比如RAS系統(tǒng)。5-羥色胺在大腦中起著神經(jīng)遞質(zhì)的作用，由于色氨酸是5-羥色胺合成的前體，色氨酸攝取受損會(huì)導(dǎo)致5-羥色胺合成減少，血液和大腦中的5-羥色胺水平降低。血清素對(duì)于運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的海馬神經(jīng)生成是必不可少的，研究者發(fā)現(xiàn)，ACE2缺失小鼠模型中消除了運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的海馬齒狀回細(xì)胞增殖，但是，當(dāng)通過(guò)口服糖基-1-色氨酸取代大腦中的5-羥色胺時(shí)，無(wú)法挽救運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的神經(jīng)生成。研究發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)基因小鼠模型中，對(duì)全腦或者下丘腦中ACE2過(guò)表達(dá)或者敲除/敲低的研究，有助于揭示ACE2在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的主要功能，可以觀察到ACE2在血液、心臟、壓力反應(yīng)、焦慮、認(rèn)知、腦損傷和神經(jīng)發(fā)生中有著明顯的調(diào)控作用，因此ACE2的激活成了多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療靶標(biāo)。

 

中年高血壓和腦血管功能障礙與以后罹患老年癡呆癥（包括阿爾茨海默癥，AD）的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。ACE2的增強(qiáng)可預(yù)防和逆轉(zhuǎn)AD臨床前模型中與淀粉樣蛋白有關(guān)的海馬病理學(xué)改變和認(rèn)知障礙。研究表明，在CNS損傷的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型中，ACEs誘導(dǎo)的rRAS通路活性降低，ACE2的誘導(dǎo)或Ang-(1-7) MasR信號(hào)的激活對(duì)缺血性中風(fēng)和神經(jīng)性高血壓具有神經(jīng)保護(hù)作用。在Tg2576小鼠AD模型中，激活A(yù)CE2可以防止認(rèn)知能力下降并減弱淀粉樣蛋白病理學(xué)現(xiàn)象。研究表明，DIZE在Tg2576老年鼠中，可以逆轉(zhuǎn)記憶認(rèn)知相關(guān)障礙，減少Aβ病理，ACE2介導(dǎo)的記憶認(rèn)知功能的改善與減少炎癥（IL-1β）相關(guān)，而不是與標(biāo)記星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞或血管功能有關(guān)。

 

ACE2的基因表達(dá)，來(lái)源：gene card

 

從組織表達(dá)情況以及以上各項(xiàng)研究的結(jié)果來(lái)看，ACE2在機(jī)體的分布是非常廣泛的，作為RAS系統(tǒng)的重要調(diào)控分子，ACE2參與口腔鱗癌的發(fā)展，在口腔粘膜上皮中表達(dá)；參與了慢性膽道纖維化的進(jìn)程，以及甲狀腺癌的過(guò)程；在胃腸道中的表達(dá)，影響了病毒在胃腸道的擴(kuò)散；由于ACE2定位于X染色體上，在睪丸中高表達(dá)，如果缺失ACE2對(duì)男性生殖系統(tǒng)功能影響非常大，因此對(duì)于SARS-CoV-2感染的男性康復(fù)者，需要進(jìn)行生殖功能的檢測(cè)。這一系列研究說(shuō)明，ACE2的功能非常強(qiáng)大。

 

在各種疾病模型中，我們對(duì)ACE2的功能了解得越來(lái)越深刻。我們知道，模式動(dòng)物的應(yīng)用加速推動(dòng)了現(xiàn)代生物醫(yī)藥科學(xué)的發(fā)展。驗(yàn)證基因本身的功能，我們需要用到基因敲除敲入模型，對(duì)新藥功能進(jìn)行驗(yàn)證，我們可以用到人源化動(dòng)物模型，在疫苗評(píng)估方面，模式動(dòng)物的應(yīng)用也是臨床前需要進(jìn)一步驗(yàn)證的模型，在轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型中，我們可以最大限度的模擬疾病在人體的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，更清晰的認(rèn)識(shí)疾病所帶來(lái)的各種病理現(xiàn)象以及原因，不管是基礎(chǔ)研究還是藥物研發(fā)以及疫苗評(píng)估各個(gè)方面模式動(dòng)物都發(fā)揮著重要的作用。

 

 

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