新型冠状病毒关键受体ACE2在眼部的分布及其临床意义

邓文龙

• 综　述 •

新型冠状病毒关键受体ACE2在眼部的分布及其临床意义

张璐佳靳秀秀雷博(审校者)中华实验眼科杂志, 2020,38(05) : 463-467. DOI: 10.3760/cma.j.cn115989-20200316-00173

摘要
目前，新型冠状病毒(2019-nCoV)引起的新型冠状病毒肺炎(COVID-19)疫情呈大流行状态。2019-nCoV主要引起人类呼吸道感染并引起肺部组织结构和功能损害，已发现部分患者合并病毒性结膜炎，或以双眼病毒性结膜炎为首发症状，因此了解2019-nCoV的生物学行为及眼是否会被其感染非常重要。2019-nCoV主要通过与细胞表面的血管紧张素转化酶2(ACE2)结合侵入人类组织细胞，研究发现ACE2不仅表达于人肺脏、肾脏、心血管等器官，而且在人的结膜、角膜、房水及视网膜中也有表达。了解眼内ACE2的分布，有助于更加全面地认识COVID-19的感染机制和发病原因并且更好地了解眼科其他相关疾病的病理机制。ACE2是2019-nCoV侵染宿主的受体蛋白，同时也是肾素－血管紧张素系统(RAS)中的一个关键酶，眼部相对独立的RAS在维持眼的生理功能中发挥重要的调控作用，并且与许多眼科常见病有关。本文对ACE2在眼组织中的分布及其临床意义进行综述。

引用本文: 张璐佳, 靳秀秀, 雷博. 新型冠状病毒关键受体ACE2在眼部的分布及其临床意义 [J] . 中华实验眼科杂志,2020,38 (05): 463-467. DOI: 10.3760/cma.j.cn115989-20200316-00173
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正文

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目前，新型冠状病毒肺炎(corona virus disease-19，COVID-19)呈大流行状态。Wu等[1]采用二代测序技术在患者支气管肺泡灌洗液中鉴定出其病原菌为新型冠状病毒(2019 novel corona virus，2019-nCoV)。2019-nCoV主要通过呼吸道飞沫和密切接触进行传播，也存在经气溶胶传播的可能。COVID-19主要引起人类呼吸道感染和肺部炎症改变，主要表现为发热、干咳、乏力，重症患者可在发病后1周出现呼吸困难或低氧血症，严重者可迅速进展为急性呼吸窘迫综合征、脓毒症休克及多器官功能衰竭等，老年人和有基础疾病者预后较差，重型和危重型患者常有血液中炎症因子升高[2]。COVID-19引起的细胞因子风暴(炎性风暴)可能是患者病情加重甚至死亡的重要原因[3]。目前，COVID-19对人类其他器官的影响尚不明确。

研究证实，2019-nCoV的生物学行为与SARS-CoV相似，均通过靶向结合受体蛋白血管紧张素转化酶2(angiotensin-converting enzyme 2，ACE2)侵入人体细胞[4]。ACE2在肾脏、心血管、胃肠道系统及肺脏等全身多个器官均有表达，研究发现，人眼表组织中也存在ACE2受体[5,6,7]，因此不排除2019-nCoV通过眼部ACE2受体侵入机体的可能。携带有2019-nCoV的飞沫和气溶胶弥散在空气中，可能会沉降在暴露于外界的结膜和角膜等眼表组织[8]，进而可能与眼表细胞的ACE2受体结合而侵入机体。Xia等[9]已从COVID-19患者泪液及结膜分泌物中检测到了2019-nCoV。叶娅等[10]和李雪杰等[11]报道的COVID-19合并病毒性结膜炎患者中各有1例患者以双眼病毒性结膜炎为首发症状，提示2019-nCoV可能通过眼表感染人体，甚至以病毒性结膜炎作为主要临床症状。Deng等[12]证实恒河猴可以通过结膜途径感染2019-nCoV，且病毒可以从结膜转移到呼吸道和其他组织。除作为2019-nCoV的受体外，ACE2也是肾素－血管紧张素(angiotensin，Ang)系统(renin-angiotensin system，RAS)中的一个关键酶，有研究提示眼内有相对独立的RAS。了解眼内ACE2的分布对研究COVID-19的感染机制和发病原因，甚至提出针对性的治疗方法具有重要意义。

1　ACE2
冠状病毒由跨膜刺突蛋白(spike protein，S蛋白)介导进入宿主细胞，S蛋白是一种突出于病毒表面的三聚体糖蛋白，包括S1和S2功能亚基，其中S1亚基负责结合宿主细胞受体，S2亚基负责介导病毒与宿主细胞膜融合[13]，不同的冠状病毒通过S1亚基中不同的结构域来识别、结合相应受体。SARS-CoV和几种SARS相关的冠状病毒均通过S蛋白的B结构域与ACE2蛋白结合侵入人体细胞。SARS-CoV的S蛋白B结构域与2019-nCoV的有75%的同源性，且二者的受体结合模体之间有50%的同源性，研究证明2019-nCoV也是通过S蛋白B结构域与人ACE2受体结合的[14]。

ACE2基因编码ACE2，位于X染色体，长约3.4 kb，包含18个外显子。ACE2蛋白是一种锌金属蛋白酶，属于Ⅰ型膜结合糖蛋白，由805个氨基酸组成。全长ACE2由1个N端肽酶结构域和1个C端Collectrin样结构域(C-terminal Collectrin-like domain，CLD)构成，CLD末端包含一个跨膜螺旋和一个胞内片段[15,16]。冠状病毒S蛋白的受体结构域可以与ACE2的肽酶结构域直接结合[14]，肽酶结构域与受体结构域一对一结合，除了肽酶结构域之外，ACE2的其余部位均不能与病毒结合[17,18]。ACE2以二聚体形式存在，1个二聚体可以同时结合2个S蛋白[18]，2019-nCoV蛋白三聚体的主要状态为3个受体结构域之一旋转至合适位置以结合ACE2[19]。在这一过程中，S1亚基通过铰链状构象运动暂时隐藏或暴露与受体结合的关键位点，S1亚基与受体结合后，S蛋白的稳定性被破坏，导致S1亚基脱落，S2亚基转变为高度稳定的融合构象[19,20]。对2019-nCoV的序列分析发现，在S1亚基和S2亚基的边界处存在1个包含4个氨基酸残基的furin酶切位点，该位点可区分2019-nCoV和SARS-CoV[4,14]，2019-nCoV的S蛋白在furin酶切位点被furin酶切割成S1和S2。Furin类似酶分布广泛，且在病毒侵染过程中起到重要作用，因此furin酶切位点的存在可能会扩大2019-nCoV的组织趋向性，增加其传染性[14]，这可能是2019-nCoV感染和传播能力强的重要原因。2019-nCoV与ACE2的胞外结构域的结合力为15 nM，比SARS-CoV与ACE2病毒的结合力高10～20倍[19]。

Yan等[17]报道了2019-nCoV S蛋白受体结构域与ACE2复合物的冷冻电子显微镜结构，该结构与SARS-CoV和ACE2的结合类似，主要通过极性键相互作用，2019-nCoV S蛋白受体结构域中1个延伸的环形区域像桥一样跨越于ACE2拱形的α1螺旋之上，肽酶结构域中的α2螺旋和环3-4(连接反向平行片层β3和β4)，在维持受体结构域的结构中的作用有限。受体结构域与肽酶结构域的连接结构可以分为3个部分，分别是连接α1螺旋N端和C端的"桥"、α2螺旋和环3-4的区域。α1螺旋的中间部分通过结合2个极性残基增加相互作用力，α1螺旋的C端受体结构域的Gln498、Thr500和Asn501与ACE2的Tyr41、Gln42、Lys353和Arg357形成氢键网络。在"桥"的中间，受体结构域的Lys417和Tyr453分别与ACE2的Asp30和His34相互作用。存在于α1螺旋N端受体结构域的Gln474与ACE2的Gln24以氢键结合，受体结构域的Phe486通过范德华力与ACE2的Met82相互作用。上述对ACE2与2019-nCoV的结构分析为开发新的病毒检测方法、进一步发现针对2019-nCoV感染的潜在治疗方案奠定了基础。

2　ACE2受体在眼组织中的分布
目前的研究表明，ACE2受体存在于结膜、角膜、房水、视网膜等多种眼组织中，与多种眼部疾病有关(图1)。

图1
ACE2在不同物种眼组织中的分布及其相关眼部疾病　ACE2：血管紧张素转化酶2；2019-nCoV：新型冠状病毒；Ang：血管紧张素
Figure 1
The distribution and the related eye diseases of ACE2 in eye diseases in different species　ACE2：angiotensin-converting enzyme 2；2019-nCoV：2019 novel coronavirus；Ang：angiotensin

2.1　结膜和角膜
ACE2是2019-nCoV和SARS-CoV侵入宿主的重要门户，若该蛋白在眼表分布，则病毒可能由眼部侵入人体。孙琰等[7]采用逆转录PCR和免疫组织化学染色检测了人角膜和结膜组织及体外培养的人结膜成纤维细胞中ACE2 mRNA的表达，显示在100 bp附近可见到上述组织中ACE2 mRNA的扩增条带。ACE2主要表达于细胞质和细胞膜，在角膜和结膜的上皮细胞及角膜内皮细胞呈明显的阳性表达，而在角膜和结膜的成纤维细胞呈弱阳性表达，在体外培养的人结膜成纤维细胞中亦可见阳性表达。该作者团队分别从mRNA和蛋白质水平证实了人角膜和结膜中存在ACE2受体，提示病毒可能通过靶向结合眼部的ACE2蛋白而侵入人体。此外，孙琰等[7]采用同样的方法检测到兔角膜和结膜组织及体外培养的兔角膜上皮细胞中ACE2的表达，发现上述组织及细胞中ACE2 mRNA的扩增条带，且亮度与对应的人体组织条带亮度相近。因此，哺乳动物眼前节可能普遍存在ACE2。

2.2　房水
为了证实人房水中是否存在RAS的主要成分，Holappa等[21]采集了45例受试者的房水样本，其中15例诊断为青光眼，30例为非青光眼。所有受试者均未口服作用于RAS的抗高血压药物。酶联免疫吸附试验结果显示，人房水中存在内源性ACE2、ACE和Ang(1－7)，且青光眼患者房水中ACE浓度明显高于非青光眼患者，非青光眼患者房水ACE的浓度与ACE2的浓度呈正相关。ACE2与ACE的相互作用抵消了它们对眼压的影响。该实验结果不仅证明了人房水中存在ACE2、Ang(1－7)和ACE，也支持眼内RAS参与眼压调节这一假说。

2.3　睫状体及玻璃体
猪的眼组织在形态和功能上与人接近，为了比较RAS的关键酶ACE2及ACE在眼中的活性，Luhtala等[22]通过荧光分光光度法检测新鲜猪眼球睫状体、玻璃体和视网膜中ACE2和ACE的活性，探讨其受生物活性三肽(Ile-Pro-Pro，Val-Pro-Pro，Leu-Pro-Pro-pro)的抑制作用。实验结果显示ACE2和ACE在3种组织中均有活性，二者的活性在玻璃体内具有显著性差异，且在睫状体中ACE2的活性明显低于ACE。此外，二者在体外均可以被三肽所抑制，但抑制ACE2所需浓度是抑制ACE所需浓度的1 000倍。ACE2和ACE在体内发挥完全相反的作用，ACE被抑制时，ACE2应处于激活状态，所以在体内难以同时抑制ACE2和ACE的活性。以上研究结果不仅证明了猪睫状体、玻璃体和视网膜中存在ACE2，还进一步支持眼内存在RAS的假说，且ACE2可能通过其扩血管性的终产物在眼部的某些疾病中起保护作用。

2.4　视网膜
自2007年以来，已有多项研究表明ACE2蛋白在人视网膜中表达。Senanayake等[23]为了对人视网膜中Ang Ⅱ及其受体进行定量和评估，从人视网膜组织中提取了Ang Ⅱ及其受体进行实验，免疫印迹分析结果显示ACE2蛋白在相对分子质量约120 000处呈单一条带，而空白对照无明显条带，表明ACE2蛋白存在于视网膜中。

另外也有多个研究小组在哺乳动物的视网膜中检测到了ACE2。Luhtala等[22]在猪的视网膜中检测到ACE2，且发现ACE2活性与ACE处于同一水平。Foureaux等[24]通过免疫组织化学分析同样在大鼠视网膜中检测到ACE2。Tikellis等[25]分别采用原位杂交技术和免疫组织化学技术对Sprague-Dawley大鼠视网膜中ACE2 mRNA和蛋白进行定位，原位杂交结果提示ACE2 mRNA定位于内核层的Müller细胞，免疫组织化学染色结果提示，ACE2定位于内核层Müller细胞的胞体和终足、视杆细胞及视锥细胞。

3　ACE2与眼科疾病的关系
以往有关ACE2与眼的关系研究主要集中在ACE2在RAS中的扩张血管、保护内皮细胞、抗炎、抗增生等作用。RAS在控制心血管系统和水电解质平衡中起着关键作用，对整个机体的器官之间的功能活动都有影响。经典的ACE-Ang Ⅱ-AT1R轴为RAS的损伤性轴，ACE是调节RAS的关键酶。血管紧张素原在肾素的催化下分解为Ang Ⅰ，Ang Ⅰ在ACE的催化下裂解成Ang Ⅱ，Ang Ⅱ通过与Ang Ⅱ1型受体(angiotensin Ⅱ type 1 receptor，AT1R)结合，引起血管收缩、炎症和氧化应激反应[26]。除此之外，Ang Ⅱ还可诱导细胞凋亡[27]，近年来发现一条新的保护性轴ACE2-Ang(1－7)-MasR轴。ACE2是RAS的负向调节酶，发挥与ACE相反的生理效应。ACE2催化Ang Ⅰ水解生成Ang(1－9)，该产物在ACE或中性肽链内切酶的催化下生成Ang(1－7)。ACE2也可以直接催化Ang Ⅱ生成Ang(1－7)，且ACE2对Ang Ⅱ的催化效率远高于Ang Ⅰ[28]。ACE2既能通过降解Ang Ⅱ拮抗ACE-Ang Ⅱ-AT1R轴，又可产生Ang Ⅱ的拮抗剂Ang(1－7)，后者与Mas受体结合进一步发挥扩张血管、保护内皮细胞、抗炎、抗增生等作用。目前研究者已在眼中检测到RAS的各种成分，表明眼中存在独立的RAS[29]。

3.1　ACE2在青光眼中的作用
青光眼是视网膜神经节细胞(retinal ganglion cells，RGCs)进行性死亡和视神经损伤导致视力丧失的一组视神经病变。眼压升高是青光眼视力损伤的危险因素，眼RAS可能参与眼压的调节[29]，RAS失衡会导致青光眼。青光眼患者房水中ACE浓度明显高于非青光眼患者，非青光眼患者房水ACE的浓度低于ACE2，ACE2通过与ACE相互作用控制眼压[21]。动物实验发现，给予青光眼大鼠内源性ACE2激活剂三氮脒后大鼠眼内ACE2表达增加，眼压显著降低且血压不变，而给予Ang(1－7)的拮抗剂A-779后眼压复升，表明ACE2的降眼压作用是通过ACE2-Ang(1－7)-MasR轴产生的。该实验还发现，激活ACE2可以降低caspase-3的表达量，减少RGCs的死亡，从而保护神经纤维及RGCs。此外，ACE2还可以增加房水的排出量，从而发挥降眼压作用[24]。上述研究提示激活内源性ACE2是青光眼潜在的治疗策略。

3.2　ACE2在葡萄膜炎中的作用
葡萄膜炎是一类常见的眼部炎症性疾病，既可以作为单独的眼内炎症疾病，也可以作为全身性自身免疫病的一部分。Ang Ⅱ与AT1受体结合可引起炎症和氧化应激反应，阻断AT1受体可以使炎性细胞因子表达降低，从而抑制眼部炎症反应[30]。此外，Ang Ⅱ本身也能够刺激炎症反应，激活免疫细胞，促进细胞向靶器官浸润[31]。ACE2一方面可以水解Ang Ⅱ，减轻Ang Ⅱ引起的炎症反应，另一方面，ACE2也可以通过活化保护性轴ACE2-Ang(1－7)-MasR产生抗炎、抗增生作用。本团队先前的实验研究证明，在内毒素诱导性葡萄膜炎小鼠的视网膜中ACE2活性下降。给予ACE2激活剂三氮脒干预后小鼠眼内ACE2的活性明显升高，眼内炎性因子细胞间黏附分子1(intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1)、巨噬细胞趋化蛋白1(macrophage chemoattractant protein-1，MCP-1)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白细胞介素6(interleukin-6，IL-6)mRNA表达水平降低，小鼠前房炎症反应减轻[32]。本团队另一项实验进一步证明了在体外培养的人视网膜色素上皮(retinal pigment epithelium，RPE)细胞中，激活ACE2-Ang(1－7)-MasR轴可以抑制脂多糖诱导的炎症反应[33]。激活ACE2在葡萄膜炎中起保护作用，避免了目前应用糖皮质激素和免疫抑制剂治疗葡萄膜炎所引起的严重的全身不良反应，可成为治疗葡萄膜炎的新方案。

3.3　ACE2在糖尿病视网膜病变中的作用
糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy，DR)是糖尿病的常见并发症之一，曾被认为是由视网膜血管系统的紊乱导致。然而多项证据表明，在临床上发现患者的眼底血管病变之前，视网膜的神经功能已经受到损害。糖尿病改变了多种细胞的结构和功能，DR的发病机制与许多因素有关[23]。临床和实验研究表明，RAS系统在DR的进展过程中起着关键作用，RAS的ACE-Ang Ⅱ-AT1R轴过度活化与DR的发病机制密切相关[23,34]。有研究发现，糖尿病患者肾素、肾素原和Ang Ⅱ水平升高，ACE抑制剂(angiotensin-converting enzyme inhibitor，ACEI)和血管紧张素受体阻滞剂(angiotensin Ⅱ receptor blocker，ARB)能改善糖尿病引起的视网膜血管、神经元和神经胶质功能障碍，而ACEI和ARB药物产生保护作用的关键是激活了ACE2-Ang(1－7)-MasR轴[34,35]。采用腺病毒相关载体(adeno-associated virus，AAV)携带ACE2/Ang(1－7)进行基因转染可以增强眼内ACE2-Ang(1－7)-MasR轴，改善糖尿病引起的视网膜病变[34]。研究发现，在糖尿病eNOS－/－小鼠视网膜中，RAS的损伤性轴(肾素、ACE、AT1R)的基因表达水平增高。相反，保护性轴的基因表达水平在DR早期增加，随着DR的进展而减少，此时损伤性轴占主导地位，引起血管收缩及炎症过程。糖尿病小鼠视网膜中ACE2和Mas受体的mRNA表达水平降低，ACE2和Ang(1－7)活性不变，而ACE活性和Ang Ⅱ水平增加，导致了局部RAS的不平衡。该研究小组给糖尿病小鼠玻璃体内注射AAV-ACE2/Ang(1－7)，ACE2过度表达使Ang Ⅱ水平降低，Ang(1－7)增加，而ACE活性不受影响。Ang(1－7)过表达显著降低ACE活性，而内源性ACE2不受影响。保护性轴ACE2-Ang(1－7)-MasR轴的增强改善了局部RAS的失衡，显著减轻了视网膜血管渗漏、无细胞毛细血管、炎症细胞浸润和氧化损伤[34]。因此增强眼内ACE2-Ang(1－7)-MasR轴可能成为治疗DR的新途径。

2019-nCoV的受体ACE2在人的角膜、结膜、房水及视网膜中均有分布，因此不排除2019-nCoV通过眼部侵入机体的可能。此外，ACE2通过ACE2-Ang(1－7)-MasR轴在青光眼、葡萄膜炎及DR中都发挥着重要的保护作用。越来越多的证据表明眼中存在独立的RAS，该系统在眼部的生理活动中发挥重要的调控作用。我们深入了解相关内容，一方面可以对ACE2作为病毒受体所发挥的生物学作用，尤其在眼的生理病理活动中所发挥的生物学作用有更深的认识；另一方面可以明确RAS在眼部的调控作用，并可能据此研发针对眼病的靶向治疗新药。

利益冲突　所有作者均声明不存在任何利益冲突



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http://rs.yiigle.com/CN115989202005/1197540.htm