血管紧张素转换酶2 参与新型冠状病毒肺炎多器官系统损伤保护的分子机制研究

张溧昀，朱翰朝，俞世强，刘金成

新型冠状病毒肺炎（corona virus disease－19，COVID－19）于2019 年12 月底首次被发现并迅速蔓延到至少100 多个国家地区，流行病学与病原学调查显示，该病毒是一种新型β－冠状病毒，具有人与人之间传播的特征，国际病毒分类委员会冠状病毒研究小组将该病毒命名为SARS－Cov2。 Nature 杂志最近报道了血管紧张素转换酶2（angiotensin conver⁃ting enzyme 2， ACE2）是SARS－Cov2 侵入体内细胞的必要条件［1］。 因此，针对SARS－Cov2 受体ACE2的研究对于了解病毒入侵机制以及探索有效的临床治疗方法和药物至关重要。 本文重点围绕ACE2，从其结构及生理学功能、参与β－冠状病毒感染和全身多器官系统损伤等方面，系统综述ACE2 介导的全身各器官系统损伤与疾病发生机制，期望对COVID－19 临床防治及相关研究提供可能的参考。

1 ACE2 的结构及生理学功能

ACE2 首次在人左心室心肌细胞cDNA 文库中被发现，人ACE2 基因位于X 染色体短臂22 号位点（Xp22）上，包含18 个外显子。 ACE2 蛋白由805 个氨基酸残基组成，分子量约为120 kD。 ACE2 是一种Ⅰ型跨膜糖蛋白，具有单羧肽酶的活性，常以同源二聚体的形式存在，其含一个N 端和一个C 端的催化活性位点［2］。 虽然其与ACE 的催化结构域拥有42%的同源性，但两者分布有明显的差异，ACE 分布较为广泛，而ACE2 则主要分布于心脏、肾脏、肺脏、睾丸、肠道及脂肪组织中［2－3］。

目前已知ACE2 主要通过以下三种途径发挥生理功能（图1）：①分解经典肾素－血管紧张素－醛固酮系 统（renin － angiotensin － aldosterone system，RAAS）的核心分子血管紧张素（angiotensin，Ang）Ⅱ中的第8 位苯丙氨酸，形成Ang－（1－7），并作用于Mas 受体（MasR），建立与经典RAAS 轴（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），进而再水解生成Ang－（1－7）作用于Mas 受体且ACE2 对AngⅠ的作用远低于对AngⅡ的作用［4］；③催化神经降压素等细胞因子，其中，ACE2 不能直接裂解缓激肽，但可通过作用于缓激肽B1 型受体来发挥其生理功能［4－5］。

RAAS 是人体最重要的生理调节系统之一，经典的RAAS 通路是由球旁细胞分泌的肾素激活血管紧张素原生成Ang Ⅰ，ACE 随即将Ang Ⅰ转换为AngⅡ，进而作用于血管紧张素1 型受体（angioten⁃sion type 1 receptor，AT1）引起肾上腺皮质分泌醛固酮，导致血压升高和水钠潴留。 除此之外，AT1 的激活还可以介导细胞凋亡，促进氧化应激和炎症反应，诱发组织纤维化。 而ACE2 可通过分解经典通路的核心分子AngⅡ并激活Mas 受体发挥舒张血管、抗炎、抗凋亡以及抗氧化应激等作用。 该通路被称为ACE2／Ang－（1－7）／MasR 轴（图1），在体内发挥与经典RAAS 通路相拮抗的生理调控作用［4］。

图1 ACE2 参与体内的主要生理作用

2 ACE2 参与β－冠状病毒的感染

冠状病毒是套式病毒目冠状病毒科冠状病毒亚科的成员，该亚科分为四个属，分别为α、β、γ、δ 冠状病毒。 其中α 和β 属以哺乳动物为感染目标，而γ和δ 属则以感染禽类为主［6］。 SARS－Cov、SARSCov2 以及中东呼吸综合征冠状病毒是目前已发现的可以导致人发生严重呼吸系统症状的三种冠状病毒，而这三种病毒都属于β 冠状病毒属［6－7］。 因此，对于β 冠状病毒及其侵入机制的研究显得尤为重要。

β 冠状病毒以ACE2 作为其受体首次在SARS中被发现。 SARS－Cov2 与SARS－Cov 核酸序列的同源性达79.5%，在原子水平上解析SARS－Cov2 与ACE2 结合的结构域提示二者与ACE2 的结合方式基本相同，但SARS－Cov2 的S 蛋白对于ACE2 的亲和力更强［8－9］，这与其在人群中具有更高传染性有关。 提示ACE2 在SARS－Cov2 感染人体过程中发挥关键作用。

多项研究发现COVID－19 会引起机体潜在的多器官功能的损伤（图2），其器官损伤大致与ACE2的分布范围相似，包括急性肺损伤、急性心肌损伤、消化系统紊乱、急性肾损伤以及睾丸损伤。 ①肺部损伤：COVID－19 患者最常见的初始症状为体温升高和咳嗽，并在8 天左右的时间内迅速发展为呼吸困难，胸部CT 为典型的毛玻璃影。 最早报导的41名COVID－19 患者均以肺部炎症为主要病理表现，其中29%的患者并发有急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）［10］。 此外，52 例重症新冠肺炎患者中有35 名并发ARDS［11］。 ②心脏及血管损伤：首批报道的41 例感染者中，高敏性肌钙蛋白I（high sensitivity troponin I，Hs－TnI）异常比例为12%，肌酸激酶异常比例为33%［10］。 对死亡病例的回顾性分析显示，死亡病例中高血压的比例高达60.9%，且94.7%的死亡患者有过脑钠肽前体指标异常［11－12］。 ③肾脏损伤：对138 例患者的早期临床研究发现，有3.6%（5／138）住院患者出现了急性肾损伤（acute kidney injury，AKI），而在ICU 治疗的患者中AKI 比例达8.3%［10－11］。 ④消化道及睾丸损伤：COVID－19 患者的前期症状中存在腹泻，且死亡病例分析显示有29%的病例出现消化器官的功能障碍［10－11］。 此外，多项新近观点均将睾丸列为SARS－Cov2 的潜在攻击器官［13－14］。 综上所述，了解ACE2 在全身各器官系统中的功能作用以及其介导器官系统损害的机制，对于认识COVID－19 的入侵机制以及开发潜在临床防治方法与药物有重要意义。

3 ACE2 参与心脏及血管损伤保护的分子机制

ACE2 在心脏中主要表达于心肌细胞、成纤维细胞和冠状动脉内皮细胞等多种细胞中［2，15］。 自ACE2 首次在心肌组织cDNA 文库中被发现以来，ACE2 在高血压、心力衰竭以及糖尿病心肌病中被公认对机体存在有益的调控作用。 与此相反，ACE2的基因缺陷或抑制则会加重这些疾病引起的心脏损伤，且ACE2 的激动剂重氮氨苯脒乙酰甘氨酸盐（diminazene aceturate，DIZE）和重组人血管紧张素转换酶2（recombinant human angiotensin converting enzyme，RhACE2）均被证实对于常见的心血管疾病有较好的疗效［16－17］。 另外，腺病毒或者其他技术介导的ACE2 基因过表达也对心脏血管损伤具有保护作用［18］。

图2 病毒可能损伤全身各系统的潜在途径

3.1 ACE2 参与高血压调节的分子机制 作为RAAS 的重要内源性拮抗剂，ACE2 可通过多种途径对血压实施影响：①ACE2 作为Ang Ⅱ的消除酶，通过分解AngⅡ来调节血压。 ②ACE2 通过Ang－（1－7）减轻高血压所致的心室重构。 ③ACE2 作为神经元内成纤维细胞生长因子21 和解聚素－金属蛋白酶17 的下游分子，参与调节血压和血管保护。 此外，针对ACE2／Ang－（1－7）／MasR 轴为高血压治疗靶点的药物也受人关注，其中ACE2 的激动剂DIZE 可以减轻高血压引起的心室重构［16］。 不仅如此，对孕期的高血压雌鼠使用DIZE 或Ang－（1－7）还可以降低其雄性子代的收缩压并减轻其心血管功能障碍［19］。

3.2 ACE2 参与心力衰竭发生发展分子机制ACE2／ACE 平衡失调是心脏收缩及舒张功能异常的重要机制。 研究发现，病理性应激激活冠状动脉内皮细胞中Brahma－related gene－1 和forkhead box M1基因，并募集于ACE／ACE2 的转录位点上引起ACE／ACE2 表达失衡，进而引起Ang Ⅱ累积和心脏功能障碍［20］。 此外，临床前瞻性队列研究显示，RhACE2 有效地降低了心衰患者的血浆Ang Ⅱ水平，并阻止和逆转心力衰竭的发生发展［21］。

3.3 ACE2 参与糖尿病心肌病发生发展分子机制研究表明，通过腺病毒过表达ACE2 则促进了成纤维细胞与心肌细胞之间的平衡，增强基质金属蛋白酶2 的活性，进而减轻了高血糖诱发的心脏胶原纤维的沉积［18，22］。 他汀类药物和AT1 阻滞剂也被发现具有类似的抗糖尿病心肌病的功能［22－23］，另外，Ang－（1－7）可以通过与Mas 受体或AT2 受体相互作用上调肌浆网Ca2＋－ATP 酶的表达，改善高血糖诱导的左室收缩功能障碍和右室游离壁纤维化，进而提升了心肌的收缩能力［24－25］。 这些数据提示ACE2／Ang－（1－7）／MasR 轴对高血糖诱发的心肌改变具有保护作用，针对ACE2 为靶点的药物可能是未来抗糖尿病心肌病药物的新选择。

4 ACE2 参与肺损伤的保护分子机制

ACE2 在呼吸系统中主要表达于呼吸道内皮细胞中并可作为β－冠状病毒攻击的主要位点，在急性肺损伤（acute lung injury，ALI）和肺动脉高压（pul⁃monary hypertension，PH）中，ACE2 可通过ACE2／Ang－（1－7）／MasR 轴显著改善机体的肺功能恶化。

RAAS 的平衡失调一直被公认为是ALI 的重要机制之一，ACE／Ang Ⅱ／AT1 轴的过度激活和ACE2／Ang－（1－7）／MasR 轴的抑制均可致肺血管通透性增加、炎症反应以及氧化应激等病理改变，最终引起肺功能的损害。 临床随机对照实验表明，使用RhACE2（GSK2586881）的ARDS 患者表现为耐受性好及炎症指标下调［26］，提示ACE2 在ALI 的发生发展中扮演重要的角色。

作为呼吸系统内重要的血压调节因子，ACE2被认为是PH 的重要保护因子之一。 生理状态下，腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate acti⁃vated protein kinase， AMPK）可调节ACE2 第680 位丝氨酸的磷酸化，增强了ACE2 的稳定性，而AMPK－p－ACE2 轴的损害在PH 患者和小鼠的肺组织中表现明显，且其功能恢复可明显迟滞PH 的形成［27］。 此外，ACE2 还与肺血管壁增厚和间质纤维化密切相关。 采用ACE2 合成激动剂XNT 可以减轻PH 大鼠中的肺血管壁增厚和间质纤维化，并促进了肺组织中抗炎因子的表达升高［28］。

5 ACE2 参与肾脏损伤保护的分子机制

ACE2 在肾脏上主要表达于肾小管上皮细胞顶端，可对多种病理机制所致的肾损伤发挥保护作用。在遗传性肾炎（ALPORT 综合征）中，外源性给予RhACE2 可以通过对转化生长因子β（transforming growth factor，TGF－β）和肿瘤坏死因子－α 信号的阻抑来减轻ALPORT 综合征模型小鼠肾脏的炎症和纤维化，并且可以改善细胞外基质蛋白的聚集和巨噬细胞的浸润［29－30］。 此外，TGF－β／smad3 介导的纤维化通路以及核因子κB 等炎性信号通路在ACE2缺陷条件下则明显上调［31］。 这些数据提示ACE2在体内发挥重要的肾脏保护作用。

6 ACE2 参与消化道及生殖系统疾病保护的分子机制

在消化系统中，ACE2 高表达于肠黏膜上皮细胞中并通过与转运蛋白B（0）AT1 结合，增强了肠黏膜上皮细胞对氨基酸的摄取，借此调控微生物－肠道－脑轴［32］。 在肠易激综合征（irritable bowel syn⁃drome，IBS）中，血管紧张素受体抑制剂（angiotensin receptor， ARB）类药物的治疗可通过上调ACE2 来减缓IBS 模型小鼠肠道的炎症反应、氧化应激以及微生态紊乱，这与ACE2 抑制了IBS 对烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4（nicotinamide adenine di⁃nucleotide phosphate oxidase 4，NOX4）、Toll 样受体4（toll－like receptor 4，TLR4）和白介素1β（interleukin－1β，IL－1β）的上调以及对经典RAAS 轴的激活有关［33］。 除此之外，ACE2／BAT－1 缺失可引起的色氨酸代谢紊乱可能是肠道微生态损害的机制之一［33］。在炎症性肠病患者体内会存在明显的RAAS 失衡，体外实验证明，ACE2／Ang－（1－7）／MasR 轴可以通过抑制人结肠成纤维细胞的增殖及其胶原的分泌来缓解疾病的发展［34］。 这些数据提示ACE2／Ang－（1－7）／MasR 轴是参与肠道损伤保护重要通路。

在睾丸组织中，转录水平的ACE2 和Mas 受体在生精功能障碍患者的睾丸组织中明显下调［35］，提示RAAS 可能通过某种机制影响生殖系统的功能，但还未有报道发现其具体的分子机制，可能是针对ACE2 的下一步研究方向之一。

图3 ACE2－Ang－（1－7）－MasR 可能参与的相关信号通路

7 小结与展望

ACE2 作为COVID－19 的受体最近受到广泛关注，相关文献的报道提示ACE2 的分布范围也与病毒感染导致的器官受累损伤明显相关，因此ACE2被视为是治疗β－冠状病毒感染的潜在靶标。 鉴于ACE2 在全身各系统中均被认为对机体发挥有益的作用，通过综述对其器官发挥保护作用的可能分子机制，对于后续研究如何通过抑制其与病毒的结合位点，同时不损害体内各器官发挥正常的生理功能，可能是今后关注的热点。 有针对性的研发以ACE2／Ang－（1－7）／MasR 轴为靶点的新型药物，可能不仅仅是COVID－19 临床防治和研究的潜在方向，也对全身多器官系统、多种疾病防治和研究同样拥有巨大的潜力。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突