血管紧张素转化酶2在冠状病毒感染及肺损伤中的作用研究进展

付亚丽，曹西月，张源淑

(南京农业大学动物医学院/农业部动物生理生化重点开放实验室，江苏南京 210095)

血管紧张素转化酶2(angiotensin converting enzyme 2,ACE2)属1型跨膜糖蛋白，包含805个氨基酸，ACE2主要以膜结合蛋白的形式存在，在尿液及血浆中存在可溶性ACE2受体[1]。该基因编码的蛋白属于二肽基羧基二肽酶的血管紧张素转换酶家族，与人血管紧张素转换酶(ACE)具有较高同源性。其主要作用是通过催化血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ，Ang Ⅱ)为Ang1-7，后者通过Mas受体对抗Ang Ⅱ的作用，发挥舒血管、抗炎、抗纤维化等作用。

ACE2基因的器官和细胞特异性表达表明，它可能在调节心血管和肾脏功能以及肺损伤中发挥作用。另外，其编码的蛋白是人冠状病毒-NL63(Human coronavirus NL63，HCoV-NL63)和重症急性呼吸综合征冠状病毒(Severe cute respiratory syndrome coronavirus，SARS-CoV)和SARS-CoV-2的突触糖蛋白的功能性受体功能受体[1-2]。近年来，一系列基础和临床研究发现,ACE2参与炎症性肺疾病的所有阶段，包括诱导肺部炎症、炎症性肺疾病的进展以及受损肺的纤维化等，证明了ACE2在呼吸道炎症和肺损伤中起到了关键作用[3-4]。本文就ACE2在肺损伤过程中的作用与可能机制，以及其在介导病毒侵入方面的研究进行简要概述。

1 血管紧张素转化酶2概述

ACE2于2000年首次被发现，是ACE的同源物。与ACE催化活性区域具有61%的同源性[5]，但其生物学活性与ACE有较大差异，两者均属于肾素血管紧张素系统。

人ACE2是一种锌金属蛋白酶，由805个氨基酸组成，是具有单一胞外催化结构域的Ⅰ型跨膜糖蛋白，包括一个N端催化域和一个C端膜锚定区，催化结构域有一个活性位点锌金属肽酶结构域[6]。研究已经证实ACE2在人、啮齿类及牛、羊、猪、鸡等各种动物的众多组织中广泛存在，主要分布于肾脏、心血管及胃肠道系统的上皮或内皮细胞内，在正常肺组织的Ⅰ型及Ⅱ型肺泡上皮细胞中也有表达[7]。

在经典RAS系统中，循环血管紧张素原(angiotensinogen，AGT，肝脏产生)在肾素(renin，肾脏释放)作用下转化为无活性血管紧张素Ⅰ(angiotensin，Ang Ⅰ)，然后在ACE 作用下，水解生成具有活性的Ang Ⅱ。Ang Ⅱ与G蛋白偶联受体AT1R和AT2R结合发挥作用，即ACE/Ang Ⅱ/AT1R经典轴。在经典轴中Ang Ⅱ是发挥效应的核心分子，生理剂量的Ang Ⅱ大多数效应通过AT1R介导，发挥血管收缩，维持血压等作用。但过量的Ang Ⅱ则具有促进炎症、促凋亡、促纤维化等损伤作用。ACE2/Ang1-7/Mas轴是RAS的负调节轴，其中的关键酶ACE2可催化Ang Ⅱ为Ang1-7，Ang1-7通过Mas受体对抗Ang Ⅱ的作用，发挥舒血管、抗炎、抗纤维化、抗血栓等作用。生理情况下，ACE2/Ang1-7/Mas轴与ACE/Ang Ⅱ/AT1R经典轴相互制衡，共同调节水盐平衡和血压稳定，并参与肝、肾、心脏、血管等组织器官的稳态调节[8]。

2 ACE2在肺损伤中的作用

2.1 ACE2与肺部炎症反应

虽然肺部疾病多种多样且大多数肺部疾病的发病机制未完全明了，但仍可在各种肺损伤中看到炎症反应，如常见的慢性阻塞性肺疾病(Chronic obstructive pulmoriary disease,COPD)就是一种气道和肺部慢性持续炎症性疾病。在最新发布的新冠肺炎死亡患者病理报告中也显示患者的双肺出现炎性浸润[9]，与此前武汉市发布的首批41例SARS-CoV-2确诊患者临床特征[10]结果一致，提示炎症在肺损伤过程中的重要作用，也就是说，减轻肺组织的炎症反应，一定程度上可改善肺损伤。ACE2作为RAS的一个强力负调节因子，是ACE/Ang Ⅱ的内源性拮抗剂，具有抑制炎症反应的作用，对肺部炎症也有一定的保护作用。

研究发现，在病毒、博来霉素及脂多糖等诱导的急性肺损伤动物模型中，ACE2的表达均呈现下降趋势[11-12]，且早在2005年Imai Y等[13]就发现ACE2基因敲除小鼠比野生型小鼠表现出更严重的急性肺损伤病理特征，而AT1R阻滞剂或ACE基因缺失可以挽救这种严重表型，重组ACE2蛋白也可以缓解这种肺损伤，证实ACE2在急性肺损伤中具有保护作用，且ACE2的保护性作用是通过抵抗ACE/Ang Ⅱ/AT1R轴，下调Ang Ⅱ来实现的。随后的研究进一步证实ACE2的这种保护作用与它的抗炎效应相关。Fang Y等[14]发现使用ACE2激活剂三氮脒(DIZE)可以通过抑制NF-κB通路，激活NRF2/HO-1/NQO1通路，抑制炎症反应和氧化应激，从而减轻高氧性肺损伤的损伤程度，ACE2抑制剂MLN-4760则会加重这些损伤。还有研究显示，Ang1-7对呼吸机、酸吸入或油酸诱导的小鼠肺损伤具有保护作用，可缓解肺水肿，降低髓过氧化物酶活性，降低肺血管阻力，且应用Ang1-7类似物AVE0991可得到相同效果，同时这些效应可被Mas受体阻滞剂A779阻断[15]。这提示ACE2是通过促进Ang1-7生成，后者与Mas受体结合发挥抗炎作用。Li Y等[16]用慢病毒载体对肺部注射ACE2活性蛋白，并应用抑制剂A779或MLN-4760，进一步证明了ACE2可通过Ang1-7/Mas途径抑制LPS诱导的急性肺损伤。另外，Sodhi C P等[17]发现Des-Arg缓激肽是ACE2在气道上皮中的新底物，ACE2可将Des-Arg缓激肽降解为无活性肽。在LPS诱导的肺损伤模型中，ACE2蛋白水平降低，使Des-Arg缓激肽失活受损，抑制DABK/BKB1R轴介导的信号转导，加速中性粒细胞浸润，加重肺部损伤，提示缺乏ACE2对肺损伤的影响不仅有RAS系统的作用，还与激肽-缓激肽系统相关，揭示了ACE2在急性肺炎发病机制中的新作用。

2.2 ACE2与肺上皮/内皮细胞凋亡

细胞凋亡是由基因控制的细胞自主的有序死亡，它并不是机体病理损伤的一种现象，而是机体维持内环境稳定，适应环境的一种自我调节机制，但过度的细胞凋亡会导致器官组织结构损伤，功能异常。在多种非肿瘤性/肿瘤性肺损伤中均可观察到肺上皮细胞(alveolar epithelial cells，AECs)的凋亡[18-19]。肺细胞异常凋亡在特发性肺纤维化、肺水肿、肺气肿等疾病中具有重要作用。

目前，经典ACE/Ang Ⅱ/AT1R轴在AECs中的促凋亡作用已经得到了证实。Uhal BD团队一系列的研究表明：AECs凋亡激活了Ang Ⅱ的自分泌，并进一步证明Ang Ⅱ的自分泌是AECs凋亡所必须的，且这种Ang Ⅱ介导的凋亡可以被血管紧张素转化酶抑制剂(angiotensin converting enzyme inhibitors,ACEI)所阻断。ACE2/Ang1-7/Mas轴作为RAS中的逆调节轴，可以调节Ang Ⅱ的分泌和AECs的凋亡，通过平衡促凋亡的Ang Ⅱ和产生抗凋亡的Ang1-7来调节AECs的活性[20]。除了对AECs的调节，ACE2还作用于肺内皮细胞(pulmonary endothelial cells，PECs)，ACE2可通过抑制急性肺损伤小鼠肺组织miR-4262的表达，上调Bcl-2蛋白水平而抑制肺内皮细胞凋亡[21]；ACE2还被确认为miR-1246的靶基因，沉默miR-1246可以减轻LPS诱导的肺损伤中ACE2的下降，从而减轻肺内皮细胞凋亡和急性肺损伤[22]。总之，众多研究表明上调ACE2/Ang1-7/Mas的表达能减少肺细胞凋亡，从而减轻肺损伤。

2.3 ACE2与肺纤维化

肺纤维化是由各种病因引起的慢性肺间质性疾病，也是常见肺损伤中的一个重要的病理过程，在急性呼吸窘迫综合征(Acute respiratory distress syndrome，ARDS)早期炎症阶段即有纤维化发生。

越来越多的研究表明，肺脏局部RAS系统在肺纤维化的发生发展中起着关键作用。Molina-Molina M等[23]研究发现血管紧张素原基因多态性与特发性肺纤维化的发展相关；Ang Ⅱ能刺激肺成纤维细胞的生长和增殖，刺激成纤维细胞合成前胶原，促进肺胶原沉积，加重肺纤维化[24]。负调节轴ACE2/Ang1-7/Mas轴则被证明可缓解肺纤维化[25]。Yang Q J等[26]发现ACE2的过表达可以通过促进肺内自噬，改善胶原合成而减轻博莱霉素诱导的小鼠肺纤维化；Ang1-7可以增加ACE2和Mas的表达，促进肺胶原沉积，减轻Ang Ⅱ诱导的矽肺纤维化和肌成纤维细胞分化[27]。转化生长因子-β1(fransforming growth factor-β1，TGF-β1)的活化是最直接的促进肺纤维化因素，而外源性Ang1-7能通过阻断TGF-β1-Smad信号通路直接抑制TGF-β1诱导的肺泡上皮细胞转分化，从而发挥保护肺间质纤维化的作用[28]。近年的研究发现抗纤肽乙酰丝氨酰-天冬氨酰-赖氨酰脯氨酸(Ac-SDKP)可提高大鼠及培养成纤维细胞的ACE2/Ang1-7/Mas的水平，降低Ⅰ型胶原和α-平滑肌肌动蛋白的水平，减轻矽肺大鼠肺纤维化[27]，进一步证实了以ACE2/Ang1-7/Mas为靶点治疗肺部疾病的潜力。

总之，在多种肺损伤性疾病如特发性肺纤维化(Idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)、急性呼吸窘迫综合征(ARDS)、慢性阻塞性肺疾病(COPD)和甲型H1N1流感等的发展过程中，均可观察到肺部的炎症反应、肺上皮细胞凋亡及肺纤维化等肺损伤变化。以上大量研究证实ACE2/Ang1-7/Mas轴可通过抑制炎症反应、抗分化、抗凋亡等多种途径抑制肺损伤，分布于肺上皮细胞中的ACE2更是其中的关键。一方面，ACE2促进Ang Ⅱ水解为Ang1-7，降低其在肺上皮细胞中的含量，减轻其促炎和血管收缩效应，另一方面，产生的 Ang1-7在体内外发挥着抗炎、抗凋亡、抗纤维化的肺部保护作用[28-29]。

3 ACE2与冠状病毒

3.1 ACE2是冠状病毒的功能性受体

ACE2独立于RAS的另一个作用就是作为SARS-CoV和SARS-CoV-2的重要功能性受体[1,30]。冠状病毒(Coronavirus，CoV)是一种有囊膜的正链RNA病毒，属于套式病毒目(Nidovirale)、冠状病毒科(Coronaviridae)、冠状病毒属(Coronavirus)。冠状病毒宿主广泛，可感染人、家畜、家禽、宠物等的上呼吸道和胃肠道，表现出相应的发热、呕吐、腹泻等呼吸道或胃肠道症状。

目前发现的可感染人的冠状病毒共有7种，其中有4种包括人冠状病毒-229E(Human coronavirus 229E，HCoV-229E)、HCoV-HKU1、人冠状病毒-NL63(Human coronavirus NL63，HCoV-NL63)，还有人冠状病毒-OC43(human coronavirus-OC43，HCoV-OC43)。在2003年之后发现的3种冠状病毒，包括2003年出现的SARS-CoV，2012年出现的中东呼吸综合征冠状病毒(Middle East respiratory syndrome-CoV，MERS-CoV)，2019年12月出现的严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)，均表现出极强的传染性和较高的病死率，给社会公共卫生安全带来了严重的威胁[31]。在畜牧业，危害较大的如猪传染性胃肠炎病毒(Transmissible gastroenteritis virus，TGEV)、猪流行性腹泻病毒(Porcine epidemic diarrhea virus，PEDV)、禽传染性支气管炎病毒(Infectious bronchitis virus，IBV)等多种冠状病毒，也给畜牧业造成重大损失[32-33]。因此，由冠状病毒引起的疾病给人类和畜牧业都造成了巨大危害。

早在2003年，Li W等[1]就鉴定出ACE2是SARS-CoV的功能性受体，并发现ACE2介导的SARS-CoV感染的作用是与其肽酶催化作用相分离的。SARS-CoV通过S-蛋白与人细胞表面ACE2受体结合而入侵并感染机体。SARS-CoV S蛋白与 ACE2 的相互作用体现在介导入侵和辅助融合两个过程。石正丽团队[2]也已从分子水平证实ACE2是SARS-CoV-2的功能受体，在BioRxiv平台上在线发表了研究结果，提供了体外试验数据，SARS-CoV-2能够利用除小鼠ACE2以外的所有ACE2蛋白作为进入受体而感染细胞，相对的，新型冠状病毒就不会感染不表达ACE2的细胞，即ACE2蛋白的表达与新型冠状病毒的进入密切相关。

3.2 ACE2的抗肺损伤及与冠状病毒入侵的双重作用

一方面ACE2可通过降解Ang Ⅰ和Ang Ⅱ，促进生成Ang1-7发挥其对肺脏的保护作用。ACE2作为RAS的一个强力负调节因子，可通过降解Ang Ⅰ和Ang Ⅱ，提高机体内Ang1-7的表达及活性，能减轻ARDS肺组织的炎症反应，减少肺细胞凋亡，抑制肺纤维化，从而改善肺损伤，在各种肺损伤疾病发生发展中发挥重要的肺部保护作用。另一方面，ACE2作为SARS-CoV和新型冠状病毒SARS-CoV-2的功能性受体，还直接参与了SARS引起的严重急性呼吸窘迫综合征(ARDS)的发病过程。Kuba K等[30]发现SARS-CoV感染和重组SARS-CoV S蛋白都引起了肺和培养细胞中ACE2表达的显著下调，且经S蛋白处理的野生型小鼠在酸吸入所致急性肺损伤中表现出更为严重的病理学改变，而这种情况可以通过使用AT1R抑制剂氯沙坦，阻断肾素-血管紧张素途径来减轻。这些病毒介导的效应提示冠状病毒与ACE2相互作用引起的肺部RAS失衡可能是SARS-CoV感染致严重肺功能衰竭的原因之一。

后续的多项研究也进一步证明RAS在SARS-CoV肺损伤发病机制中的重要作用。SARS-CoV感染诱导细胞表面ACE2的快速下调以及具有催化活性的ACE2胞外结构域的释放，导致肺内ACE2下调，但ACE未受影响，破坏ACE/ACE2和Ang Ⅱ/Ang1-7之间的生理平衡，引起Ang Ⅱ升高，而高水平的Ang II会导致血管通透性增加和肺水肿，加剧肺损伤，引起呼吸窘迫、顽固性低氧血症乃至呼吸衰竭等严重急性肺损伤症状[34]。

3.3 ACE2在SARS-CoV-2感染导致严重呼吸系统疾病中的作用预测与展望

2019年SARS-CoV-2感染后期导致严重呼吸系统疾病，如ARDS，这与SARS-CoV引起的疾病类似，且两者使用相同的受体进入细胞，提示这两种病毒的致病机制很可能非常相似，也就是说，SARS-CoV-2感染引起的ARDS，肺脏局部很有可能激活了RAS，并存在平衡失调，一方面，ACE2参与了病毒入侵，使ACE2被消耗，另一方面，低水平ACE2使Ang Ⅱ过高致组织损伤[35]。从RAS角度可以这样假设：一方面针对SARS-CoV-2必须经S蛋白与表面ACE2相互作用侵入宿主细胞的特性，可以筛选可用的抑制剂抑制病毒S蛋白-ACE2相互作用或利用RNA干扰技术干扰ACE2的表达，从而阻断ACE2与病毒结合，以达到抗病毒的作用；另一方面，针对ACE/ACE2失衡，Ang Ⅱ过高导致损伤的问题，可应用ACEI及ARB类药物例如卡托普利、氯沙坦等抑制Ang Ⅱ作用或用外源性给予Ang1-7抵消其损伤作用[36]。另外，根据已有对ACE2的研究表明，其在人和动物体内均存在，且广泛分布于机体的各个组织，如心脏、肾脏、肝脏等。由于ACE2作为冠状病毒受体在肺以外的其他组织中是如何作用的，目前都还不是很清楚，而且，这种ACE2分布与SARS感染病变存在不一致，如在肾脏及心脏组织中ACE2的表达水平较高，但在这些器官并未见明显病变。除此之外，冠状病毒有不同分型，在动物上的冠状病毒，如猪流行性腹泻病毒(PEDV)、禽传染性支气管炎病毒(IBV)的侵入机制是否也有ACE2的参与，其与人类冠状病毒之间是否有相互交叉等都是迫切需要解决的问题。

ACE2在肺部疾病中的作用及其机制的研究任重而道远，但ACE2作为预防和治疗肺部疾病的治疗靶标的潜力是显而易见的，重组ACE2蛋白或ACEI和ARB类药物对肺疾病的疗效也有待临床进一步验证。