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北大医院李建平教授团队|血管紧张素转换酶2在新型冠状病毒急性肺损伤中的作用机制探讨

2020-02-17  yuxh91128

本文作者:

刘梦苑,郑博,张岩,李建平(北京大学第一医院  心内科,北京  100034)

截至2020年2月16日,2019-新型冠状病毒(2019 novel coronavirus,2019-nCoV)已经导致全球25个国家共51857人确诊感染和1669人死亡(https://www.who.int/emergencies/diseases/novel-coronavirus-2019/situation-reports),且发病人数仍呈持续攀升态势。应该说,2019-nCoV感染是目前中国乃至世界最为重大的公共卫生威胁。

2019-nCoV是一种有包膜的、带正电荷的单链RNA病毒,属β冠状病毒属,Sarbecovirus亚属。目前认为,该病毒来源于蝙蝠,经某种中间宿主传染给人,并经过人-人传播,导致疫情进一步扩大[1]。人感染2019-nCoV后,大部分患者会出现发热、咳嗽、呕吐和腹泻等症状,25.5%的患者出现重症肺炎,69.9%的患者出现轻症肺炎,病情严重者可出现急性呼吸衰竭、休克、甚至死亡[2]

在2019-nCoV感染及发病的整个过程中,人体内一种重要的金属蛋白酶——血管紧张素转换酶2(angiotensin converting enzyme 2,ACE2)发挥了重要作用[1]。ACE2不但介导了病毒的感染,又因其在肾素-血管紧张素-醛固酮系统(renin-angiotensin-aldosterone system,RAAS)的重要调控作用,直接参与了病毒感染后急性肺损伤过程。而且,针对ACE2的干预措施可能会改善患者预后。因此,本文针对ACE2的结构与功能、表达调控、介导病毒感染及其在病毒感染后急性肺损伤中的作用进行全面阐述。

一、ACE2概述

作为血管紧张素转换酶(angiotensin converting enzyme ,ACE)的一种同源物,ACE2于2000年被发现[3,4]。ACE2是由805个氨基酸构成的I型跨膜蛋白,有2个结构域,分别为氨基末端催化结构域和羧基末端结构域。催化结构域含有1个活性位点——锌金属蛋白结构域,该结构域与ACE具有41.8%的序列一致性[3-5]。编码ACE2的基因位于X染色体-Xp22.2[6]。ACE2可在人体心脏、肾脏、肺脏、肝脏、睾丸和肠等多种组织中表达[4]

(一)ACE2的功能

ACE2的功能可以概括为两种形式:蛋白酶功能和非蛋白酶依赖功能。

1、蛋白酶功能

ACE2属于金属蛋白酶,其活性结构域暴露于细胞表面,有利于催化循环中的多肽。ACE2可以裂解血管紧张素Ⅰ(angiotensin Ⅰ,AngⅠ)生成无活性的血管紧张素1-9(angiotensin 1-9,Ang 1-9)肽[3,4],而后者可以进一步被ACE或其他肽酶转化为有血管扩张作用的血管紧张素1-7(angiotensin 1-7,Ang 1-7)肽[3]。另外,ACE2可以以更高的效率,将血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,Ang Ⅱ)代谢成Ang 1-7肽[7]。Ang 1-7肽与一种G蛋白偶联受体—Mas结合,产生与ACE/AgⅡ/AT 1R通路激活相反的血管扩张、抗增殖等作用[7-10](图1),目前Ang 1-7肽已被证实有多种心血管保护作用,包括抗炎、抗栓、抗纤维化、抗心肌肥厚、抗心律失常、促进尿钠排泄、抑制斑块和血栓形成、改善代谢综合征相关血管功能障碍[11]。ACE2/Ang 1-7/Mas通路在高血压、心力衰竭、缺血性和非缺血性心肌病等多种动物模型中均显示出有益作用[12]。此外,体外试验显示,ACE2还可以裂解Apelin-13,使其羧基端脱掉1个氨基酸[13],而这种修饰作用可以影响Apelin-13致血压降低的作用。

图1  ACE2在肾素-血管紧张素-醛固酮系统中的作用

注:AT1R:血管紧张素Ⅱ1型受体;AT2R:血管紧张素Ⅱ2型受体;MAS:Mas受体;ACE:血管紧张素转换酶;ACE2:血管紧张素转换酶2

2、非蛋白酶依赖功能

除了蛋白裂解功能,ACE2还具有其它重要的生物学功能。2003年,ACE2被确认为严重急性呼吸综合征冠状病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus,SARS-CoV)的受体[14],介导了该病毒的感染和传播,且不依赖于ACE2的蛋白酶活性。结构学分析显示,SARS-CoV的棘突蛋白与ACE2催化域亚单位Ⅰ的头端接触,不涉及亚单位Ⅱ,也不会封闭活性区域。SARS-CoV一旦与ACE2连接,ACE2的细胞外部分就会被裂解,而跨膜部分会向细胞内转移,介导病毒颗粒与宿主细胞的进一步融合[7](图2)。

图2  SARS病毒通过ACE2感染细胞的过程

注:ADAM17:解聚素-金属蛋白酶17;ACE2:血管紧张素转换酶2;SARS:严重急性呼吸综合征

ACE2除了作为SARS-CoV受体、介导病毒感染外,还参与了肠道内氨基酸的吸收。在肠道内,ACE2可与BOAT1氨基酸转运子结合[15],介导中性氨基酸的吸收。同样,这种氨基酸转运功能与ACE2的蛋白水解酶活性无关。

(二)ACE2的表达调控

1、ACE2的转录调控

(1)病生理状态对ACE2的转录调控

在高血压和糖尿病小鼠肾脏内,ACE2的蛋白表达下调[16,17]。Zisman等[18]发现,在人特发性扩张型心肌病的终末期心脏中,ACE2的表达明显增加。Kuba等[19]发现,在急性肺损伤小鼠动物模型中,ACE2表达明显减少。Koitka等[20]发现,ACE2在肾脏病和肾脏次全切除大鼠体内的表达明显减少。

(2)药物对ACE2的转录调控

越来越多的证据提示,RAAS抑制剂,包括血管紧张素转换酶抑制剂(angiotensin converting enzyme inhibitor,ACEI)或血管紧张素Ⅱ1型受体(angiotensinⅡ Type 1 receptor,AT1R)拮抗剂可以上调ACE2 mRNA水平。Ishiyama等[21]利用大鼠心肌梗死模型,评估心肌梗死对于心肌ACE2 mRNA的影响,结果发现,心肌梗死并未造成心肌内ACE2 mRNA发生明显变化,但是,当给予这些心肌梗死大鼠血管紧张素受体拮抗剂氯沙坦和奥美沙坦28 d后,大鼠心肌细胞内ACE2 mRNA水平分别升高了97%和42%。提示心肌梗死后血管紧张素受体拮抗剂的心脏保护作用部分来自于ACE2。后续有研究发现,分别给大鼠持续12 d 赖诺普利、氯沙坦和两药联用,可以显著升高心肌内ACE2 mRNA水平,而氯沙坦单独使用或与赖诺普利联用,还可以显著增加大鼠心肌内ACE2酶的活性[22]。Keidar等[23]发现,对盐皮质激素(醛固酮)的抑制可能会通过AgⅡ/NF-κB信号通路,抑制氧化应激,从而增加心力衰竭患者巨噬细胞内ACE2 mRNA水平;而γ干扰素和白介素-4则可以通过下调体外培养的上皮细胞的ACE2表达,而降低对SARS-CoV的易感性[24]

2、ACE2的非转录调控-脱落与内化

2003年,ACE2被确认为SARS-CoV的受体。研究提示,病毒的棘突蛋白与ACE2接触后,ACE2的完整分子结构或跨膜区域与病毒一起,在网格蛋白的协助下,通过胞吞作用进入细胞(内化)。在胰蛋白酶或弗林蛋白酶的作用下,病毒上的棘突蛋白进一步被激活,发生膜融合,病毒RNA释放入细胞质,完成病毒对细胞的感染[14]。另外,ACE2可以在跨膜蛋白裂解酶ADAM17的作用下,发生细胞外近膜区的裂解(脱落),释放其催化活性域,进入细胞外环境中[25]。尽管ACE2胞外脱落的生理功能尚未完全阐明,但研究提示,其与病毒进入细胞和病毒复制有关。体外试验显示,ADAM17抑制剂可以抑制病毒复制[26]。综上所述,ACE2的内化和脱落减少了细胞表面ACE2的表达。

二、ACE2介导2019-nCoV感染

通过新一代测序技术,2019-nCoV的全基因组序列已被成功确定[1]。通过与既往冠状病毒的基因组序列比较发现,2019-nCov与两种蝙蝠来源而导致SARS的病毒非常接近(88%的相似度),分别为bat-SL-CoVZC45和bat-SL-CoVZXC21,而与SARS-CoV有79%的相似度,与MERS-CoV有50%的相似度。进化分析提示,2019-nCoV属于ß冠状病毒属的Sarbecovirus亚属。比较2019-nCoV与SARS-CoV棘突蛋白的编码序列发现,整个棘突蛋白序列的相似度为76%~78%,而受体结合域(receptor binding domain,RBD)的相似度为73%~76%,而受体结合子(receptor binding motif,RBM)的相似度为50%~53%[27]。两种病毒棘突蛋白基因序列的高度相似性提示它们具有共同的受体——ACE2。对于2019-nCoV RBD结构的进一步分析还提示,2019-nCoV不但可以通过ACE2感染人类,还可以造成人-人传播。

三、ACE2介导2019-nCoV导致的急性肺损伤

(一)RAAS在急性肺损伤病理生理机制中的作用

急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)是急性肺损伤中最严重的一种表现形式,严重肺部感染、误吸、败血症、创伤等多种原因引起弥漫性肺泡毛细血管损伤,病理表现为微血管通透性增高,肺泡腔内充满中性粒细胞、巨噬细胞和富含蛋白质的液体,伴透明膜形成[28,29]。自2003年SARS-CoV感染引起ARDS后,RAAS在ARDS/急性肺损伤中的作用受到了广泛关注。在吸入酸性气体模拟的急性肺损伤动物模型中,小鼠肺脏和血浆中Ang Ⅱ水平明显升高,ACE基因失活后使AngⅡ水平下降。刘映霞等[30]最新发表的研究也显示感染2019-nCoV患者体内AngⅡ水平明显升高。ACE基因完全敲除(Ace-/-)小鼠的急性肺损伤程度最轻,而ACE基因部分敲除小鼠(Ace+/-)次之,提示ACE基因表达量与肺损伤程度有关。与野生型小鼠相比,AT1a受体基因敲除的小鼠肺损伤更轻[31]。重组SARS棘突蛋白感染后的小鼠体内AngⅡ表达增加,使用AT1受体拮抗剂可以减缓其急性呼吸窘迫的表现[19]。队列研究发现,ACE基因I/D多态性与ARDS易感性及预后相关,ARDS患者中D/D基因型的比例较一般人群更高,此外D/D基因型的ARDS患者死亡率较I/I基因型高[32]。上述结果提示,ACE/AngⅡ/AT1R可能介导了急性肺损伤的发病过程。

(二)ACE2通过ACE/AngⅡ/AT1R与ACE2/Ang 1-7/Mas失平衡加重肺损伤

既往研究发现,SARS-CoV感染,或仅仅是重组SARS棘突蛋白的感染,均可导致明显的肺内及培养细胞的ACE2表达降低,而ACE表达并不减少[19]。ACE2的表达减少会加重各种原因,包括冠状病毒感染导致的急性肺损伤。

在吸入酸性气体和诱导败血症模拟急性肺损伤的动物模型中,ACE2基因敲除小鼠较野生型小鼠的临床和病理表现更重,死亡率增加[31]。为了进一步验证ACE2在急性肺损伤中的作用,Imai等[31]将重组人ACE2(recombinant human ACE2,rhuACE2)注入小鼠体内,结果显示,rhuACE2可以明显减轻酸性气体对小鼠肺的损伤,这一现象在ACE2敲除小鼠和野生型小鼠中均存在。而使用无催化活性的ACE2重组蛋白(mut-rhuACE2)并不能减轻酸性气体所致急性肺损伤。上述结果提示,具有催化活性的ACE2可以在急性肺损伤中发挥保护作用。

在酸性气体诱导的急性肺损伤模型中,ACE2基因敲除小鼠较野生型小鼠肺脏和血浆AngⅡ水平升高更加明显,注射rhu-ACE2在减轻肺损伤的同时,也降低了肺脏AngⅡ的表达,使用AT1受体拮抗剂或ACE基因失活可以减轻ACE2敲除小鼠的急性肺损伤[31]。上述结果提示,ACE2可能通过负向调节ACE/AngⅠ/AT1R而减轻急性肺损伤。

研究还发现,SARS-CoV除可以感染Ⅰ型和Ⅱ型肺泡壁细胞或血管内皮细胞外,也可通过ACE2感染肺上皮祖细胞,从而可能会影响急性肺损伤后肺组织的修复[33]

四、ACE2在2019-nCoV肺炎中潜在的治疗价值

对于2019-nCoV感染,目前尚无特异性治疗方法。基于ACE/ACE2紊乱在2019-nCoV导致急性肺损伤中的重要作用,针对ACE2的干预手段可能成为改善严重患者预后的治疗方法。重组人ACE2蛋白或高表达ACE2的治疗性载体,已经在动物实验中显示出对急性肺损伤的保护作用。其次,使用ACEI类药物或者AT1R拮抗剂,可能会通过对AngⅡ的抑制作用,可以减轻肺组织的损伤。同样,治疗性Ang 1-7肽也可能会通过Mas受体发挥其对肺组织的保护作用[34]

五、总结

尽管目前尚缺乏对2019-nCoV导致急性肺损伤的直接研究证据,但由于2019-nCoV与SARS-CoV的高度同源性,笔者推测两种病毒共享相似的发病机制。对发病机制的深入了解,有利于对疫情防控作出有针对性的干预。ACE2作为人体内RAAS非常重要的酶,不仅介导了病毒的感染,而且介导了病毒感染后引起的严重的急性肺损伤,后者与患者的高死亡率直接相关。一方面,ACE2的表达增加,可能增加病毒感染机会;另一方面,ACE2的表达增加,又可以发挥对急性肺损伤的保护作用。但到目前为止,我们尚不清楚对ACE2表达的影响(如对RAAS的抑制),对于2019-nCoV易感性和患者预后的影响,尚需更多的基础和临床研究证实。

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作者简介

李建平教授

现任北京大学第一医院心血管内科主任、心血管病研究所所长,主任医师,教授,博士研究生导师,北京大学分子心血管病学教育部重点实验室副主任,北京大学心血管内科学系副主任。中华医学会心血管病学分会第十一届委员会委员、精准心血管病学学组副组长,中国医疗保健国际交流促进会心血管疾病预防与治疗分会副主任委员,中国医师协会介入医师分会常委,心脏介入专委会副主任委员,中国医师协会心血管内科医师分会委员兼副总干事,中华预防医学会心脏病预防与控制专业委员会第一届委员会副秘书长。担任人民卫生出版社《中国医学前沿杂志(电子版)》副主编。

主要从事冠心病介入临床工作。长期从事高血压、高同型半胱氨酸与脑卒中防控研究。在JAMACardiovascular ResearchATVB等心血管顶尖杂志发表多篇学术论文,以第二完成人的身份荣获本领域研究奖励4项,包括2011年中华医学科技奖二等奖“降压联合降低血浆同型半胱氨酸水平预防国人卒中”、2012年华夏医学科技奖一等奖“H型高血压脑卒中防治的转化医学研究”、2016年高等学校科学研究优秀成果奖科学技术进步奖一等奖“中国脑卒中高发成因和精准预防的研究与转化”、2016年国家科技进步二等奖“中国脑卒中精准预防策略的转化应用”。主持科技部重大专项子课题以及国家自然基金、首发基金等多项研究项目。


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