ACE2蛋白 | 新冠病毒进入人体的钥匙

ACE2蛋白及功能详解

ACE2是什么

血管紧张素转化酶2（ACE2），也称为ACEH，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。ACE2与ACE均属于肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)和激肽-缓激肽系统（KKS）家族。ACE2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。人类ACE2基因已经被克隆并被定位到X染色体上。像ACE一样，ACE2有两个结构域:氨基末端催化结构域和羧基末端结构域。催化结构域有一个活性位点——锌金属肽酶结构域，并且与ACE的氨基结构域显示出41.8%的序列一致性。ACE2的羧基末端结构域与Collectrin有48%的序列一致性，Collectrin是一种非催化蛋白，最近被证明在肾脏的氨基酸再吸收、胰腺β细胞增殖，以及可能胰岛素胞吐等方面具有关键作用【1、2】。

如图每种蛋白都是带有信号肽的I型整合蛋白，用灰色表示，而跨膜结构域则用黑色表示。锌结合基序（HEMGH）在ACE中重复两次，在ACE2中重复一次，并且位于黄色框表示的同源区域内。ACE2和Collectrin之间的同源区域以绿色表示。数字指的是每种人类蛋白质中的氨基酸数。

ACE2组织分布

研究指出ACE2在肺部组织和小肠组织表达最丰富，ACE2在几乎所有器官的内皮细胞和平滑肌细胞上的表达也很丰富，包括神经系统和骨骼。

ACE2功能

ACE2肽酶功能：

ACE和ACE2都属于金属蛋白酶的M2家族，其活性位点域暴露于细胞外表面，促进循环肽的代谢。ACE和ACE2都通过利用锌催化反应，锌与活性位点内保守的组氨酸配位，促进水分子对底物羰基键的亲核攻击，形成非共价结合的中间体。除了两个组氨酸(位于HEXXH基序内)，还有一个谷氨酸残基参与锌离子的配位，位于ACE和ACE2中HEXXH(zinc-binding domain,催化结构域)基序的23个氨基酸的末端。与抑制剂(MLN4760)结合的ACE2相比，天然ACE2的结构分析揭示了一个大的“铰链弯曲”运动，其中肽酶结构域的催化亚结构域I和II表现出从开放到封闭的转变。这种运动是由抑制剂的结合引起的，并为催化重新定位关键残基。

血管紧张素I（Ang I；DRVYIHPFHL）充当ACE（一种二肽基羧肽酶）的底物，并被转化为血管紧张素II（Ang II；DRVYIHPF），这是经典RAS的主要活性肽。ACE2催化并灭活血管紧张素II，并产生血管扩张肽血管紧张素1-7（Ang 1-7；DRVYIHPF），该肽与Mas受体结合和/或降解为非活性肽。红色箭头指示ACE裂解位点；蓝色箭头显示ACE2裂解位点。应当指出，ACE2是一种非特异性蛋白酶，可以裂解多种其他底物，例如Apelin。

尽管有相似之处，ACE和ACE2的功能不同；ACE从其底物(二肽基肽酶，DPP)中释放一个碳端二肽，而ACE2则切割一个氨基酸(单羧肽酶)。ACE2催化可在脯氨酸和疏水或碱性碳末端残基之间优先水解的底物的肽。当AngI由ACE转化成强效血管收缩剂AngII时，ACE2可裂解Ang I，产生推测为无活性的血管紧张素1-9肽，然后可以通过ACE或其他肽酶转化为血管扩张肽Ang1-7。另外，ACE2可直接代谢Ang II产生血管紧张素1–7，其效率高于将Ang I转化为血管紧张素1–9。ACE2晶体结构的分辨率显示，这些底物特异性差异是由于精氨酸-273与底物的碳末端形成盐桥（Salt-bridger），导致ACE2中结合囊较小，而在ACE中，该残基被较小的谷氨酰胺残基取代。虽然有已知的形成Ang 1-7的酶，例如奈普利林(neprilysin)、脯氨酰内肽酶24.26和thimet寡肽酶，但ACE2的鉴定进一步支持了Ang 1-7的生物学意义。这种肽已被证明与G蛋白偶联受体Mas相互作用，介导其血管保护作用。ACE2还作用于肽Apelin-13和Apelin-36的碳末端，并在体外以高催化效率从其中切割出氨基酸。Apelin合成首先为77个氨基酸前激素，后加工成36个氨基酸肽的apelin-36；进一步蛋白水解切割产生Apelin-13。Apelin-13系统给药促进大鼠和小鼠低血压。有趣的是，Apelin-13 (F13A)的碳末端残基的修饰失去了其降压作用，并进一步拮抗野生型Apelin-13的作用，推测ACE2在Apelin肽代谢中具有作用。

ACE水解Ang I需要氯离子参与。同样，ACE2活性也受氯离子的调节。然而，氯离子存在可增加ACE2对Ang I的水解，但抑制了AngII的裂解。有人提出氯化物结合会引起活性位点构象的细微变化，这种变化会促进或阻碍底物结合。氯离子增加至超过100毫摩尔，虽然仍处于人血中生理浓度，但已可增加ACE2对Ang I的切割，减少了ACE2对AngII的切割，这将具有增加血管收缩性的Ang II在肾脏中局部浓度的作用，此部位血管收缩性的Ang II和ACE2都有高水平的表达，且细胞外氯离子水平波动较大【2】。

      ACE2的肽酶非依赖性功能

ACE2与B0AT1氨基酸转运蛋白（SLC6A19）相互作用，这是肠道上皮细胞中该转运蛋白的极化表面表达所必需的。尚不清楚ACE2的切割是否有助于为B0AT1提供中性氨基酸。

通过对小鼠的基因定位研究，偶然发现Collectrin是中性氨基酸转运蛋白的重要调节因子。Collectrin敲除小鼠的尿液中出现过量的中性氨基酸(酪氨酸和苯丙氨酸)。生化研究表明，Collectrin与B0AT1中性氨基酸转运蛋白结合，并对这些转运蛋白在肾近端小管氨基酸再吸收所需的细胞表面的正确表达起关键作用。尽管结构相似，ACE2并不与肾脏中的氨基酸转运蛋白结合，而是与肠道中的氨基酸转运蛋白结合，在肠道中ACE2高度表达，氨基酸被吸收。而ACE2的这一功能与其肽酶活性无关，其肽酶活性不是与氨基酸转运蛋白配对所必需。

ACE2作为肽酶催化Ang II裂解，但最近的研究表明ACE2的跨膜区也具有生物学功能。2003年，非典疫情威胁到世界，ACE2被鉴定为致病病原体非典冠状病毒的功能受体。表达ACE2非催化活性突变体的细胞仍然允许非典病毒感染，这表明ACE2的肽酶作用对于非典病毒进入宿主细胞不是必需的。与生物学结果相一致，结构分析表明，非典冠状病毒Spike蛋白接触ACE2催化结构域的亚结构域I的顶端，但不影响亚结构域II，也不封闭肽酶活性位点。当非典型肺炎冠状病毒与ACE2连接时，ACE2的外结构域被裂解，而跨膜结构域被内在化，使病毒颗粒-宿主细胞进一步融合。因此，尽管详细的机制仍不清楚，但ACE2的跨膜区与非典冠状病毒-受体复合物在非典冠状病毒感染中从细胞膜到细胞质的转运有关。

显然，单从传染能力上来说，这次的新型冠状病毒（SARS-CoV-2）要比SARS病毒（R0：0.85-3）强的多。既然新型冠状病毒与SARS病毒都是依赖病毒表面的S蛋白与细胞表面的血管紧张素转换酶2（ACE2）结合，才得以进入细胞，那新型冠状病毒的传染性为什么比SARS病毒强呢？

美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Jason S. McLellan团队，在预印版平台bioRxiv上发表研究论文，给了我们一个可能的解释。McLellan团队的研究人员利用冷冻电镜技术解析了新型冠状病毒的S蛋白结构，还利用表面等离子共振技术（SPR）分析了S蛋白与ACE2的亲和力。他们发现，ACE2蛋白与新型冠状病毒的亲和力竟是SARS病毒的10到20倍，而不是之前的比SARS病毒弱。这也解释了为什么新冠病毒的传染性如此之强【3】。

在新冠肺炎疫情爆发之初，中国科学院上海巴斯德研究所和武汉病毒研究所的科学家先后分别发现：新型冠状病毒和SARS病毒一样，也是通过利用S蛋白结合人体细胞表面的ACE2蛋白进入细胞的，只不过二者的S蛋白同源性比较低，只有76.47%。

上海巴斯德研究所的科学家还通过计算机模型，评估了新型冠状病毒和SARS病毒的S蛋白与人类ACE2分子相互作用的能力。结果发现，虽然新型冠状病毒的S蛋白与ACE2之间的作用力低于SARS病毒，但是仍然非常强大。1月底，国家疾控中心团队在《新英格兰医学杂志》上发表研究论文，基于425名患者流行病学数据，他们得出新冠肺炎的R0值2.2，与前面的研究结果基本相吻合。不过，随着疫情的蔓延，新冠肺炎表现出的传染性明显强于SARS【4】。

ACE2是新冠病毒的功能性受体，是病毒感染细胞的“入口”，随着关于新冠病毒的研究不断深入，科学家们又发现许多新冠病毒的辅助受体，例如SR-B1、CD147、NRP1、硫酸乙酰肝素、TMPRSS2和DPP4等。这些受体的研究将会为攻克新冠病毒致病机理、疫苗和药物的研究做出贡献。

【1】ACEH/ACE2 is a novel mammalian metallocarboxypeptidase and a homologue of angiotensin-converting enzyme insensitive to ACE inhibitors.

【2】Trilogy of ACE2: A peptidase in the renin-angiotensin system, a SARS receptor, and a partner for amino acid transportors. 

【3】Cryo-EM Structure of the 2019-nCoV Spike in the Prefusion Conformation

【4】Early Transmission Dynamics in Wuhan, China, of Novel Coronavirus–Infected Pneumonia.

来源：东创实验科研服务 2023-01-10