新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）出現之后，一場抗擊新冠肺炎的“戰疫”也在中國迅速全面地展開。在我們與病毒作斗爭的過程中，科研工作者們從流行病學、病理現象、病毒溯源、防治措施等各個方面對病毒本身以及宿主受體進行了研究，作為與SARS-CoV-2結合的人類受體—血管緊張素轉化酶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病毒進入宿主細胞的“幫兇”之外，ACE2還扮演著什么樣的角色呢?待我慢慢道來。
ACE2與腎素-血管緊張素系統
血管緊張素轉化酶（angiotensin-converting enzyme, ACE）是一種編碼805個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構域的I型跨膜糖蛋白。在腎素-血管緊張素系統（renin-angiotensin system, RAS）中發揮著重要的調節功能，可將無活性的血管緊張素I（AngI）轉化為調控血管收縮的血管緊張素II（AngII），AngII是RAS系統的核心效應分子，通過血管緊張素受體（AT1和AT2）介導很多生物學反應。而血管緊張素轉化酶2（ACE2），是ACE的同源物，可將AngII裂解成Ang1-7多肽，具有保護心臟、舒張血管、抗生長和抗增殖的作用，還可以增強緩激肽的活性。
ACE2在腎素-血管緊張素系統中的作用示意圖
(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庫中克隆出來，此后，對ACE2的功能研究遍布了各個領域。
ACE2與新型冠狀病毒
ACE2是SARS病毒的功能受體。研究表明，當SARS冠狀病毒通過表達ACE2的細胞腔面進行感染時，其感染效力提高10倍。SARS病毒RBD利用其外部結構域與受體的N末端結合，形成了一個在RBD / ACE2相互作用中占主導地位的親水性接觸網絡。在與ACE2結合后，SARS-CoV包膜與宿主細胞膜之間的融合由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，目前已有報道說明這兩種酶在冠狀病毒進入宿主細胞與ACE2結合時發揮作用，那么具體是怎樣的呢？
KeijiKuba 等在2010年的研究中發現ACE2與SARS病毒結合后能以Clathrin依賴的方式進入宿主細胞，幾乎在同時，ACE2又會被ADAM17金屬蛋白酶切割而使得病毒與ACE2的結合受到了阻礙。同樣，Markus Hoffmann等人前段時間在Cell Press上提出了這樣的觀點，SARS-CoV-2進入宿主細胞時需要有TMPRSS2跨膜蛋白酶的參與，輔助ACE2與SARS-CoV-2的結合。我們可以發現，受體ACE2是主要的作用因子，但在冠狀病毒進入宿主細胞這個過程中，并不只是ACE2單一因子發揮功能，可以切割ACE2的蛋白酶ADAM17和參與ACE2與SARS-CoV-2膜融合過程的TMPRSS2很有可能也參與了新型冠狀病毒進入宿主細胞過程。在靶點藥物的開發方面，若是能夠將對機體的損害降到最低并對預后產生良好的效果，我們需要在基因的各個層面進行探究。從另一個方面來講，SARS-CoV-2肆虐人類，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作為關注的基因進行研究。
關于ADAM17與TMPRSS2靶點的具體內容，可以看我們明天的推文：新冠靶點新視角之二：跨膜蛋白酶ADAM17和TMPRSS2。
ACE2與腎臟疾病
最初的基因表達研究表明，ACE2僅在心臟、腎臟和睪丸中表達，但隨后的研究表明，它也存在于肺、肝、腦、胰腺和結腸中。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作用。
腎臟損傷很大程度上是通過Ang II介導的，有研究表明ACE2基因敲除會導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可以通過減少白蛋白排泄的增加，減緩糖尿病腎病（DKD）的進展。ACE2在腎臟中高表達，主要在腎小管刷狀近緣，腎血管的內皮和平滑肌細胞以及足細胞。據報道，在受損的腎小管中，Ang II升高可能是在人類腎臟疾病中進一步腎臟損害的可能介質。因此，腎內ACE和ACE2之間的平衡破壞以及隨之而來的Ang II高水平可能導致腎損害。高血壓性腎病是高血壓的常見并發癥，其主要機制之一是與Ang II相關的炎癥，氧化應激和腎組織纖維化。值得注意的是，2019年4月，吉林大學藥學院發現，人參皂苷Rg3通過上調腎組織中ACE2來減輕大鼠和小鼠的AngII介導的腎損傷，而Rg3除了抗腫瘤活性外，還可以通過包括抗炎、抗氧化應激和抗纖維化等多種機制來保護心血管。
ACE2與心血管疾病
ACE2在心肌細胞、心肌成纖維細胞和冠狀動脈內皮細胞中廣泛表達。RAS系統調節體液、血壓平衡并維持血管張力，而ACE2是RAS系統中重要的調節蛋白，RAS過度激活（血管收縮增加）或者耗盡（血管舒張減少）會導致血管功能障礙，血管功能障礙是動脈粥樣硬化和心血管疾病（CVD）的主要原因。修復血管功能障礙和其他病理變化的一種方法是通過平衡Ang II的作用來增加ACE2的活性。Craceower等人解釋了ACE2在心臟功能中的重要性，他們發現ACE2基因敲除小鼠有嚴重的心臟功能障礙，ACE2可能具有重塑和調節心臟功能的潛力。研究者發現，ACE2的局部過表達顯著抑制了早期動脈粥樣硬化的發展，而ACE2的抗動脈粥樣硬化作用與血管平滑肌細胞的增殖、遷移、抑制以及改善內皮功能相關。進一步研究證實，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、心力衰竭和中風的重要危險因素。同時，Uri等人驗證了血清中ACE2的活性與心力衰竭惡化之間的相關性。特別注意了由高血壓向心力衰竭的發展過程中，血清中ACE2活性降低是心臟收縮功能異常的選擇性生物標志。Vaibhav B. Patel等的研究證實了ACE/Ang1-7軸在激活RAS系統上至關重要的反調節作用，ACE2的缺失會增強對心力衰竭的敏感性，但增加ACE2的水平可以預防和逆轉心力衰竭的表型。ACE2和Ang1-7已成為抵抗心力衰竭的主要保護途徑。這些證據都證明，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系統和利尿肽（natriuretic peptide, NPS）系統是糖尿病性心肌病（DCM）發生和發展的罪魁禍首，中性溶酶抑制劑可以通過增加NPS的水平來提高RAS阻滯劑（這里包括血管緊張素阻滯劑ARB和ACE抑制劑）來發揮保護心血管的作用。而ACE/Ang II/AT1受體途徑的激活與炎癥、氧化應激、纖維化和胰島素抵抗等過程相關。
在糖尿病小鼠模型中的研究顯示，視網膜和腎臟中ACE/Ang II/AT1受體通路上調而ACE2/Ang（1-7/Mas受體通路下調。這一點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。這些數據表明，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癥發生和發展的常見基礎。ACE/Ang II/AT1受體與ACE2/Ang（1-7/Mas受體通路之間的失衡對于誘發神經性疼痛至關重要。在2型糖尿病小鼠中觀察到的神經性疼痛涉及ACE2 / Ang（1-7）/Mas受體途徑的下調，這種下調是由表達ACE2的脊髓背角神經元的喪失引起的。由于激活ACE2/Ang（1-7）/Mas受體途徑可以緩解痛覺過敏，因此，外源補充Ang（1-7）可能是緩解2型糖尿病神經性疼痛的有效治療策略。研究表明，ACE2的表達和激活是維持內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過表達，改善血管功能，服用DIZE后，研究者發現糖尿病小鼠血漿Ang1-7水平升高，增強了NO的產生，并從動脈內皮細胞釋放到主動脈平滑肌細胞，從而改變血管的功能。
ACE2與中樞神經系統
ACE2主要在胃腸道、心臟、腎臟、肺和睪丸中表達，在大腦中也發現了較低水平的ACE2表達。在神經生化中，轉基因和基因敲除動物模型被用來研究神經激素系統，解釋這個系統中單個成分的變化對整個生理過程的影響，比如RAS系統。5-羥色胺在大腦中起著神經遞質的作用，由于色氨酸是5-羥色胺合成的前體，色氨酸攝取受損會導致5-羥色胺合成減少，血液和大腦中的5-羥色胺水平降低。血清素對于運動誘發的海馬神經生成是必不可少的，研究者發現，ACE2缺失小鼠模型中消除了運動誘導的海馬齒狀回細胞增殖，但是，當通過口服糖基-1-色氨酸取代大腦中的5-羥色胺時，無法挽救運動誘導的神經生成。研究發現，在轉基因小鼠模型中，對全腦或者下丘腦中ACE2過表達或者敲除/敲低的研究，有助于揭示ACE2在中樞神經系統中的主要功能，可以觀察到ACE2在血液、心臟、壓力反應、焦慮、認知、腦損傷和神經發生中有著明顯的調控作用，因此ACE2的激活成了多種神經系統疾病的治療靶標。
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）的風險增加有關。ACE2的增強可預防和逆轉AD臨床前模型中與淀粉樣蛋白有關的海馬病理學改變和認知障礙。研究表明，在CNS損傷的實驗動物模型中，ACEs誘導的rRAS通路活性降低，ACE2的誘導或Ang-(1-7) MasR信號的激活對缺血性中風和神經性高血壓具有神經保護作用。在Tg2576小鼠AD模型中，激活ACE2可以防止認知能力下降并減弱淀粉樣蛋白病理學現象。研究表明，DIZE在Tg2576老年鼠中，可以逆轉記憶認知相關障礙，減少Aβ病理，ACE2介導的記憶認知功能的改善與減少炎癥（IL-1β）相關，而不是與標記星形膠質細胞、小膠質細胞或血管功能有關。
ACE2的基因表達，來源：gene card
從組織表達情況以及以上各項研究的結果來看，ACE2在機體的分布是非常廣泛的，作為RAS系統的重要調控分子，ACE2參與口腔鱗癌的發展，在口腔粘膜上皮中表達；參與了慢性膽道纖維化的進程，以及甲狀腺癌的過程；在胃腸道中的表達，影響了病毒在胃腸道的擴散；由于ACE2定位于X染色體上，在睪丸中高表達，如果缺失ACE2對男性生殖系統功能影響非常大，因此對于SARS-CoV-2感染的男性康復者，需要進行生殖功能的檢測。這一系列研究說明，ACE2的功能非常強大。
在各種疾病模型中，我們對ACE2的功能了解得越來越深刻。我們知道，模式動物的應用加速推動了現代生物醫藥科學的發展。驗證基因本身的功能，我們需要用到基因敲除敲入模型，對新藥功能進行驗證，我們可以用到人源化動物模型，在疫苗評估方面，模式動物的應用也是臨床前需要進一步驗證的模型，在轉基因動物模型中，我們可以最大限度的模擬疾病在人體的發生發展過程，更清晰的認識疾病所帶來的各種病理現象以及原因，不管是基礎研究還是藥物研發以及疫苗評估各個方面模式動物都發揮著重要的作用。
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