SARS-CoV-2受体（ACE2）相关感染致病机制的研究进展

许可欣,彭南求（上海健康医学院,上海 201318）

冠状病毒是一类常见的RNA病毒。它普遍存在于自然界中，哺乳动物、鸟类均可成为其宿主[1-2]。至今发现有7种病毒可感染人类，其中2003年发现的严重急性呼吸综合征冠状病毒（Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus，SARSCoV）和2012年暴发的中东呼吸综合征冠状病毒(Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus，MERS-CoV)均引发了两次重大疫情[3]，而2019年末暴发的新冠病毒（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，新冠肺炎确诊病例116,135,492人、死亡2,581,976人[4]，对人类健康构成了巨大的威胁，使全球经济蒙受了不可估量的损失[5]。本文综述了ACE2作为新冠病毒结合受体相关的分子致病机制并简要介绍了ACE2与细胞因子风暴的关系，并对当前针对ACE2的预防、治疗药物或策略进行了概述。

1 ACE2蛋白相关的分子致病机制

基于SARS-CoV-2的基因组序列及其血清学特征，国际病毒委员会将这种新型冠状病毒纳入β-冠状病毒属[6]。相较于具有较高保守性的非结构蛋白而言，冠状病毒的结构蛋白在病毒进化过程中展现出了极强的易变性，因此也往往是疫苗研究的重点区域。SARS-CoV-2的结构蛋白包括核衣壳蛋白、小包膜蛋白和刺突蛋白（Spike蛋白）[7]。其中以三聚体形式在COVID-19的包膜外呈花瓣状突出的跨膜糖蛋白为S蛋白[8-9]。S蛋白与靶细胞受体ACE2结合，从而使病毒遗传物质进入宿主细胞[10]。

1.1 ACE2与SARS-Cov-2结合的结构基础 大量的科学研究显示，ACE2是包括SARS-CoV-2，SARS-Cov在内的多种冠状病毒的主要结合受体。一篇发表于2018年的文献揭示了SARS-Cov的三聚体S蛋白的受体结合域（RBD）仅位于S1这一个亚基中，且S1亚基具有一个突出的“向上”构象[11]。在病毒囊膜与细胞质膜融合前，SARS-CoV的S1亚基可分为四个不同的结构域：NTD、CTD1、CTD2和CTD3，其中CTD1即为RBD，采用“向上”构象作为SARS-CoV与细胞受体血管紧张素转化酶2（ACE2）结合的前提条件。同时在MERS-CoV的S蛋白中也可观察到CTD1“向上”突出的类似状况。

而最新研究显示在SARS-CoV-2的三维结构中，其S蛋白同样也出现了一个“向上”的构象和两个“向下”的构象。“向上”的构象决定其容易与受体接近的特性，包含RBD区域，稳定性相比之下较差，而“向下”构象表示不易于与受体接近的构象[12]。

宿主细胞的受体ACE2属于I型跨膜蛋白，参与调节人体血压、体液平衡和免疫反应等重要的生命活动[13]。ACE2的肽酶结构域（PD）位于细胞外，可直接与SARS-CoV-2的RBD区域结合[14]。Yan[15]等于2020年使用冷冻电镜技术对ACE2的全长结构进行了解析，发现了以二聚体形式存在的ACE2不论是开放还是关闭状态都存在一个能够共同识别SARS-CoV-2的表面。形成同源二聚体后的ACE2的每个单体可分别与一个S蛋白的三聚体结合。

1.2 ACE2对SARS-Cov-2的RBD具有高亲和力 与2001年的SARS相比，COVID-19的传播速度与感染性都有所提升。多项科学研究表明，这可能是由于SARS-CoV-2的S蛋白与ACE2的亲和力显著增强而导致的[12]。

平衡解离常数是亲和力大小的直接反应。表面等离子共振技术显示SARS-COV-1刺突蛋白与ACE2的平衡解离常数为325.8nmol/L，而SARS-COV-2刺突蛋白与ACE2的平衡解离常数仅有15nM[12]，说明SARS-CoV-2S蛋白与ACE2的亲和力是SARS病毒的10-20倍。

根据Xiao[16]的报道，SARS-CoV-1的S蛋白的RBD位于272-537残基之间。而ACE2对SARS-CoV-2展现出高亲和力的原因可能是由于SARS-CoV-2的受体结合域的某几个关键氨基酸残基在组成上与SARS-COV-1的差异。例如Wan[17]证实SARS-CoV-2的RBD中的第394位残基(谷氨酰胺)可以被人ACE2受体上关键的31赖氨酸识别验证了这一说法。这种差异使得SARS-CoV-2的RBD在与ACE2结合后可形成相较SARS-CoV-1而言更加紧凑的构象[18-20]。除此之外，SARS-CoV-2中部分氨基酸残基的改变也被证明是RBD-ACE2上的两个病毒结合热点进一步得到稳定的主导因素[21-22]。上文所述的结构特征增强了SARS-CoV-2的刺突蛋白与ACE2结合的亲和力[23]。

然而值得一提的是，一项发表于Cell的研究却得出SARSCoV-2和ACE2的亲和力与SARS-CoV相当，甚至要更低的结论[24]。稍后的一项研究对冠状病毒的低温电镜结构进行了分析，从而解释了为何在实际实验中两者表现出亲和力相似。在低温电镜结构下，SARS-CoV-2刺突蛋白的RBD大多展示出一种“卧倒”的状态，而SARS-CoV S刺突蛋白中的RBD则多数处于竖立状态。通过进一步研究发现，冠状病毒S蛋白的RBD的空间结构并不是一成不变的，而是在竖立与卧倒两种状态之间发生动态变化[25]。当RBD处于卧倒状态时，其不易接近受体蛋白，使得病毒与宿主细胞受体的结合力降低，也就是无效的受体结合；相反，当RBD处于竖立状态时则与受体的结合更加容易，因此导致亲和力更高[21]。

因此，尽管SARS-CoV2 S蛋白的RBD与SARS-CoV相比具有较高ACE2亲和力，但由于SARS-CoV2 S蛋白的RBD大多呈卧倒状态，其S蛋白则表现出与SARS-CoV相近的结合力。

1.3 多种细胞表面的ACE2蛋白都可与SARS-CoV-2结合 冠状病毒表面的S蛋白或者HE蛋白与宿主细胞上对应的特异性受体结合，从而进入细胞，这是病毒感染的关键步骤[22]。与SARSCoV相同，SARS-CoV-2也是通过S1亚基以人类细胞表面的ACE2为受体从而进入宿主细胞中。尽管在SARS-CoV-2的S蛋白中与ACE2受体结合所依赖的氨基酸序列（RBD核心区域）高度保守[23]，但是这些氨基酸序列并不存在于其他不能与ACE2结合的冠状病毒的S蛋白中，如和SARS-CoV-2的S1亚基序列相似性高达70%的蝙蝠SARS类冠状病毒（SARSr-CoV）[24]。

除了人类细胞表面的ACE2受体，还有如中华菊头蝠、猪和果子狸等其他物种中能够表达ACE2的组织细胞都可作为SARSCoV-2入侵细胞的通道[25]。且SARS-CoV-2不能利用其他某些冠状病毒结合的受体作为进入细胞的通道，如HCoV-OC43进入人体所使用的唾液酸受体[26]和HCoV-229E结合的人氨基肽酶受体（hAPN，CD13）[27]都不能协助SARS-CoV-2进入宿主细胞。

ACE2在人体多个器官的不同组织细胞中的广泛分布解释了SARS-CoV-2感染除肺组织以外的其他多个器官的原因[28]。同样以ACE2为进入细胞媒介的SARS病毒在2003年暴发之时便出现了多组织损伤的病例，而此次COVID-19患者也被证实具有类似的临床特征[29]。ACE2主要分布于人类Ⅱ型肺泡上皮细胞、支气管上皮细胞和肠上皮细胞中，但有研究[30]表明ACE2在血管内皮细胞、心脏和肾脏等多种器官中也有表达，所以，肺和肠道应当是SARS-CoV-2的主要靶器官，但心脏、肾脏、膀胱以及睾丸等也可能成为病毒攻击的对象[31]。病理学研究也表明由SARSCoV-2引起的病理损伤集中体现在肺脏，同时消化器官和肾脏也出现了不同程度的损伤[32]。一些临床报道也验证了这些推测，如有超过一半的SARS-CoV-2患者的首发症状为食欲缺乏、恶心呕吐以及腹泻等消化道症状[33]；部分新冠肺炎患者在临床上并发肝损伤、肾损伤以及各类心脑血管疾病等；近期还发现少数经过治疗后“复阳”的患者尽管呼吸道的病毒检测呈阴性，但胃肠道仍然显示阳性，且在肠道固有层中发现大量浆细胞、淋巴细胞浸润[34]。

1.4 ACE2与SARS-CoV-2的结合部位可能导致SARS-CoV-2感染的多器官损伤 作为SARS-CoV-2进入人体细胞的主要途径，ACE2受体在人体多种组织细胞的广泛表达决定了SARS-CoV-2入侵人体后会出现多元临床症状表现的特性。

由于SARS-CoV-2感染后引起的最主要症状是病毒性肺炎，因此在肺部组织引起的损伤最早受到人们的关注。通过对敲除ACE2基因小鼠的研究发现，经SARS-CoV-2感染后的小鼠肺细胞在病毒滴度和免疫组化中显示的白细胞浸润和肺部损伤均有显著降低[35]。人体肺组织细胞的单细胞测序显示，表达ACE2的肺部细胞仅占全体肺部细胞的0.64%，其中Ⅱ型肺泡细胞（AT2）占据83%的比例。其余表达ACE2的细胞为I性肺泡细胞、成纤维细胞、巨噬细胞和内皮细胞[36]。

嗅觉丧失也是新冠肺炎的临床症状之一。目前已知引起普通感冒的冠状病毒、鼻窦或其他上呼吸道感染都会导致嗅觉丧失。但在大多数病例中，嗅觉往往随着症状的消失而恢复。这种情况的嗅觉丧失仅仅是鼻子阻塞的结果，阻止了气味分子到达鼻腔内的嗅觉受体[37]。然而，对于新冠肺炎患者而言，他们的鼻腔呼吸通道顺畅，因此其嗅觉的丧失并不能归因于鼻腔堵塞[38]。起初，研究人员认为这可能是由于SARS-CoV-2对嗅觉神经元进行了破坏。但最近的一项国际合作表明，在嗅觉神经元中并未发现ACE2蛋白，那么SARS-CoV-2入侵嗅觉神经元也就无从谈起。但在一种叫做“支持细胞”的细胞上发现了病毒[39]。支持细胞的作用是支持嗅觉神经元。也就是说，SARSCoV-2并不是通过感染嗅觉神经元的直接方式，而是通过影响支持神经元的细胞功能而间接地使嗅觉受到影响。研究人员认为就是由于支持细胞被病毒入侵后所引起的免疫反应导致该区域肿胀，而使得嗅觉消失[40]。

有临床相关报道显示，COVID-19患者还会出现与心血管系统受损相关的症状。一种可能的机制是由于SARS-CoV-2与ACE2结合后，ACE2在RAAS系统中对AngⅡ的水解作用被削弱，最终导致水解产物血管紧张素1-7减少。而血管紧张素1-7能够舒张血管、调节血压及抗动脉粥样硬化，从而对心血管起到保护作用[41]。除此之外，合并新冠肺炎的心血管疾病患者在临床上的症状往往更加严重，有研究[42]表明可能与这类患者的体内ACE2高水平表达有关。因此，对于高血压合并COVID-19患者，出于降压考虑，用药时应当更加谨慎，因为RAAS抑制剂类药物（ACEⅠ）或血管紧张素受体阻断剂（ARB）的使用而导致的ACE2水平升高有增加重症的风险[43]。

目前还未有基因组学证据能够证明人群中存在能够天然抵抗冠状病毒S蛋白结合的ACE突变体的个体[44]。然而ACE2在不同人群中的分布的确存在一定差异。有研究显示，从性别上看，ACE2不仅在前列腺和睾丸中普遍表达[45]，且在男性肺组织中表达ACE2的细胞种类至少比女性多1-3种，这也部分解释了COVID-19患者中男性的发病率、重症率以及病死率均高出女性的原因[46]；从人种上看，在欧洲人群中有6个常见变异的等位基因变异频率为52%-65%，明显低于东亚人群的变异频率（95%）。这种遗传背景的变异性及多样性可能部分影响了ACE2的功能，致使ACE2的表达在不同人群中表现出一些微小的差异[14]。

1.5 ACE2蛋白和S蛋白以及蛋白酶在感染中的协同作用 冠状病毒S蛋白中S1亚基识别并结合细胞受体后，需要依赖存在于靶细胞的蛋白酶将S蛋白切割为S1和S2两个亚基。S2是膜融合亚基，在切割后S2亚基才能诱导病毒膜与细胞膜发生融合，完成病毒的侵入过程[26]。

蛋白酶在靶细胞的位置不同，导致病毒进入的途径也会不同[47]。主要分为两种：其一是利用位于细胞表面的TMPRSS2或弗林蛋白酶来激活S蛋白的“早期内源途径”；其二是利用位于细胞内的组织蛋白酶L，在病毒通过胞吞途径进入靶细胞后再进行S蛋白的切割[48]。在宿主细胞表面表达具有切割S蛋白活性的蛋白酶的情况下，病毒包膜和细胞膜可融合，导致病毒直接进入细胞，因此复制效率较胞吞侵入途径高100倍[49]。

研究发现，SARS-CoV，HCOV-OC43等多种冠状病毒均可利用TMPRSS2对S蛋白进行活化和切割[50]。SARS-CoV-2同样利用了TMPRSS2进入细胞。HOFFMANN等发现，通过调节pH值下调TMPRSS2后，SARS-CoV-2对细胞的侵入被抑制[23]。TMPRSS2抑制剂甲磺酸卡莫司他的使用也显著阻断了SARS-CoV-2进入细胞的过程。这提示了作为SARS-CoV-2进入宿主细胞的重要辅助因子，对TMPRSS2抑制剂使用的研究十分有必要，卡莫司他可能是治疗COVID-19的有效药物之一[51]。

S蛋白的受体和切割S蛋白的蛋白酶在冠状病毒的入侵过程中缺一不可。单细胞RNA测序研究证实，SARS-CoV-2的组织侵入性很可能是由ACE2和TMPRSS2两者的共同表达所决定的[52]。例如，在肺上皮细胞中，富含ACE2的细胞群也是TMPRSS2表达最强的细胞群之一[53]。此外，其他在人呼吸道细胞表面大量表达的气道蛋白酶被证实也可作用于SARS-CoV的S蛋白，并提高病毒在细胞表面直接入侵的效率。因此，气道蛋白酶的特异性分布及ACE2蛋白的高表达累加，可能是呼吸道相对于其他器官更易感染SARS-CoV-2的一个原因[51]。然而，尽管数据显示ACE2在心脏中的表达比肺组织要高，但相比肺或呼吸道，几乎没有病毒颗粒在心肌细胞中被观察到，且心肌组织中也并未显示有实质性损伤，这可能是由于TMPRSS2在心肌细胞中表达较少的缘故。这种蛋白酶的缺少通过限制SARS-CoV-2的入侵，在一定程度上降低了心脏的易感性[54]。

除此之外，相关研究表明弗林蛋白酶也是新冠肺炎潜在的治疗干预靶点。与SARS-CoV相比，SARS-CoV-2的S蛋白中有一个富含精氨酸、易被弗林蛋白酶切割的多碱性裂解位点，该位点对于人类感染SARS-CoV-2的过程是必不可缺的。并且迄今为止在对所有包含这一裂解位点序列的SARS-CoV-2分离株进行测序的结果都是保守的[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点，这可能也是SARS-CoV-2与其他冠状病毒相比展现出更高传染性的原因之一[56]。

2 ACE2蛋白在SARS-CoV-2致病机制中可能起到的作用

相关研究报道，由SARS-CoV-2直接导致的细胞损伤只是致病机制之一，真正导致患者出现致命炎症等重症症状乃至死亡的关键因素是细胞因子风暴[57-58]。临床研究发现，在新冠感染重型及危重型患者中可观察到细胞因子风暴(CS)发生[8]。CS可进一步引起肺毛细血管渗漏、肺组织大面积水肿，并进一步发展为急性呼吸窘迫综合征（ARDS）甚至多器官衰竭[59]。据报道，MERS、SARS-CoV-2患者疾病的严重程度与其血清中CS的强弱程度呈正相关[8,60]。细胞因子风暴是指由于病毒、细菌等微生物感染引起的过激炎症反应，进而诱发免疫稳态失衡导致组织受损的现象[61]。

目前尚不完全清楚SARS-CoV-2是如何通过细胞因子风暴驱动COVID-19的肺损伤、重症肺炎等病理变化，但被研究得最多的机制是RAS（肾素-血管紧张素）系统[62]。除了作为病毒结合的受体，ACE2在RAS系统中也扮演着至关重要的角色。RAS系统主要通过两条轴线调节人体血压、水、电解质的平衡。其一，ACE-AngⅡ-AT1R轴线：血管紧张素原在肾素的作用下分解为血管紧张素（AngⅠ），AngⅠ在ACE的作用下生成AngⅡ，其通过AngⅡ1型受体（AT1R）发挥收缩血管、促进炎症的作用。其二，ACE2-Ang-（1-7）-Mas轴线：ACE2催化AngⅡ生成Ang-（1-7），后者主要通过Mas受体发挥扩张血管、抑制炎症的作用[63]。两条轴线共同维持着RAS系统的平衡[41]。

人体感染冠状病毒后导致肺损伤的一种可能的机制或许与ACE2与病毒结合后的下调有关。ACE2的减少导致AngⅡ的高水平表达，使得肺毛细血管通透性增加并导致肺水肿[64]。Imai[65]的发现也证实了这点：在酸吸入或由脓毒症引起的急性肺损伤的小鼠模型中，敲除ACE2基因可使AngⅡ水平升高更明显，肺损伤更严重。在SARS病毒Spike-Fc蛋白引起的小鼠急性肺损伤模型中，ACE2表达下调后也得到了同样的结果[66]。Liu[67]对2019-nCoV感染肺炎患者和健康对照者的AngⅡ水平的检测发现前者的血浆AngⅡ水平显著高于后者，且AngⅡ水平与病毒滴度和肺损伤程度成线性相关。另一方面，过多的AngⅡ会通过ADAM22切割肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor α，TNF-α)和IL-6，产生可溶性IL-6[68]。IL-6作为促炎性细胞因子之一可放大炎症反应，进一步加剧了细胞因子风暴，从而导致严重的肺损伤出现。

除此之外，ACE2与缓激肽代谢产物的相关作用也是加剧细胞因子风暴的原因之一。缓激肽具有扩张血管、增加血管通透性以及促进炎症的作用。研究显示ACE2可以通过剪切缓激肽活性代谢产物DABK羧基末端的一个氨基酸的方式来抑制该代谢产物与缓激肽B1受体（BKB1R）的结合。ACE2的减少导致缓激肽与受体的结合受阻，间接导致了缓激肽含量增高。在内毒素吸入导致的小鼠肺损伤模型中，ACE2活性降低致使DABK-BKB1R轴被激活，导致炎性因子释放，肺部炎症和损伤被进一步加剧[63,69]。

生物信息分析学还发现，在肺癌组织中ACE2表达的增高部分是由miR-125b-5p-ACE2-IL6轴调控的，且miR-125b-5p-ACE2-IL6促进ACE2表达，抑制IL-6的表达。因此如果肺癌患者合并SARS-CoV-2感染，可能会由于ACE2的下调而导致IL-6表达上调，从而引发更严重的细胞因子风暴[70]。

3 与ACE2相关的治疗、预防药物研发现状

3.1 治疗药物 目前针对ACE2在SARS-CoV-2感染中的作用，所研发的药物或治疗方案主要有三个方面。

首先考虑使用阻断S蛋白与ACE2受体结合的药物如氯喹。氯喹作为一种在临床上应用已久的药物，不仅可抗疟疾，还具备广谱的抗病毒作用[71]。研究发现氯喹的作用机制之一是通过干扰宿主细胞ACE2末端的糖基化而间接影响病毒与靶细胞的结合[72]。此外，重组性人源ACE2蛋白（rhACE2蛋白）被证明不仅可有效阻断SARS-CoV-2进入细胞的通路[73]，还在治疗肺动脉高压症的Ⅱ期临床实验中展示了良好的疗效[74-75]。

此外，由于ACE2对器官的保护作用，增加机体循环中ACE2浓度也是新冠肺炎可能的治疗方案[51]。ACE抑制剂与AngⅡ受体阻滞剂（ARB）均可上调ACE2表达。研究显示培哚普利（ACE抑制剂）可通过减少Ang水平而抑制ADAM22（可剪切心肌细胞膜上的ACE2[76]）的激活，从而增加心肌ACE2的表达。但ACEⅠ增加ACE2活性的作用有限[58]。有动物实验已证实氯沙坦（ARB）可改善由SARS-CoV引起的肺损伤，因此ARB可能是可迅速应用于临床治疗急性心肺损伤的药物之一[77-79]。

由于ACE2对SARS-CoV-2重症患者体内细胞因子风暴的影响，目前细胞因子单抗的治疗方式也已被提上议程。托珠单抗（白细胞介素（IL-6）受体单抗）、依那西普（肿瘤坏死因子-α（TNF-α）抑制剂）等已在我国注册临床试验，但其疗效还有待进一步临床证实[80]。

3.2 预防方案 针对ACE2与SARS-CoV-2中S蛋白的高亲和力，一些专家给出了如下的预防策略：①直接采用ACE2抗体。然而目前尚缺乏ACE2序列。②采用可溶性RBD。由于S蛋白通过RBD识别ACE2，因此理论上来说给予可溶性RBD可抑制病毒与ACE2的结合。③制造ACE2-Fc人工抗体。融合ACE2结合域蛋白与其抗体的可结晶片段（Fc），注入后可与循环中的SARS-CoV-2相结合[81]。ACE2-Fc人工抗体已在小鼠模型中被证明可控制血压并可有效阻止器官的进一步受损，是当前研究的热点预防方案[82]。④COVID-19患者体内获取的高亲和力单克隆抗体有可能在紧急预防、治疗方面发挥重要作用。Duan[83]等证实与康复者血浆相比，恢复期血浆具有较好的耐受性且其单克隆抗体具有更高的特异性，也更易于生产或大规模制备。但筛选的单抗还有待进一步临床试验的有效性评估[68]。

由于S蛋白较为保守，且其RBD对与靶细胞受体结合起着决定性作用，因此目前SARS-CoV-2疫苗研究的主要靶标分子仍旧是S蛋白[61,84]。但正确地掌握S蛋白及ACE2的晶体结构对SARSCoV-2疫苗设计的结构基础有重大意义。

4 结语

ACE2在新冠病毒致病的机制中发挥重要作用。本文主要阐述了ACE2与病毒结合的结构基础及其分布位置对感染后机体的影响，分析了ACE2与患者出现肺炎症状的联系。研究ACE2的受体结构及其生理作用有助于研发阻断病毒与受体结合的药物以及对已感染患者心肺功能的改善。但目前对ACE2在感染机制、预后评估方面的作用仍有待各界学者进行进一步探讨。