Ангиотензинпревращающий фермент 2 (ACE2): структура, функции и роль в регуляции кровяного давления.

Введение

Экзопептидаза, действующая на ангиотензин I и II. Ангиотензинпревращающий фермент 2 (ACE2) – это фермент, который может находиться либо в связанном с мембраной клеток состоянии (mACE2) в кишечнике, почках, яичках, желчном пузыре и сердце, либо в растворимой форме (sACE2). Как связанный с мембраной, так и растворимый ACE2 являются неотъемлемыми частями системы ренин-ангиотензин-альдостерона (RAAS), которая поддерживает кровяное давление организма в норме. mACE2 расщепляется ферментом ADAM17 в процессе, регулируемом представлением субстрата. Расщепление ADAM17 высвобождает внеклеточный домен, формируя растворимый ACE2 (sACE2). Ферментативная активность ACE2 противодействует классическому пути RAAS, снижая кровяное давление посредством катализа гидролиза ангиотензина II (вазоконстрикторного пептида, повышающего кровяное давление) до ангиотензина (1–7) (вазодилататора). Ангиотензин (1–7), в свою очередь, связывается с рецепторами MasR, вызывая локальную вазодилатацию и, следовательно, снижение кровяного давления. Это снижение кровяного давления делает весь процесс перспективной терапевтической мишенью для лечения сердечно-сосудистых заболеваний. mACE2 также служит точкой проникновения в клетки для некоторых коронавирусов, включая HCoV NL63, SARS-CoV и SARS-CoV-2. Человеческая версия фермента может называться hACE2.

Структура

Мембранно-связанный ангиотензинпревращающий фермент 2 (mACE2) — это содержащий цинк металлофермент, расположенный на поверхности кишечных энтероцитов, клеток почечных канальцев и других клеток. Белок mACE2 содержит N-концевой пептидазный домен M2 и C-концевой домен коллектрина, являющийся переносчиком аминокислот в почках.

Местоположение в человеческом теле

mACE2 прикрепляется к клеточной мембране преимущественно энтероцитов тонкой кишки и двенадцатиперстной кишки, проксимальных канальцевых клеток почек, железистых клеток желчного пузыря, а также клеток Сертоли и клеток Лейдига яичка. Помимо вышеперечисленного, экспрессия mACE2 также наблюдалась в эндотелиальных клетках и перицитах кровеносных сосудов в определенных тканях, кардиомиоцитах сердечной ткани и в меньшем подмножестве клеток щитовидной железы, придатка яичка, семенного пузыря, поджелудочной железы, печени и плаценты. Несмотря на то, что респираторная система является основным путем инфицирования SARS-CoV-2, экспрессия в ней наблюдается в очень ограниченном объеме как на белковом, так и на уровне мРНК. Экспрессия в дыхательной системе в основном ограничена эпителием верхних отделов бронхов и носа, особенно в клетках, имеющих реснички.

Функция

В рамках защитной фазы системы ренин-ангиотензин-альдостерона (RAAS) важная функция растворимого ACE2 (sACE2) заключается в том, чтобы выступать в качестве противовеса ангиотензин-конвертирующему ферменту (ACE). ACE расщепляет гормон ангиотензин I в сосудосуживающий ангиотензин II, который вызывает каскад гормональных реакций, являющихся частью вредной фазы RAAS в организме и в конечном итоге приводит к повышению артериального давления. ACE2 оказывает противоположное действие ACE, расщепляя ангиотензин II до ангиотензина (1-7), тем самым снижая артериальное давление. sACE2, как часть защитной фазы RAAS, отщепляет карбоксильную концевую аминокислоту фенилаланин от ангиотензина II (Asp Arg Val Tyr Ile His Pro Phe) и гидролизует его до вазодилататора ангиотензина (1-7) (H Asp Arg Val Tyr Ile His Pro OH), который связывается с рецепторами Mas и в конечном итоге приводит к снижению артериального давления. Исследования на мышах показали, что ACE2 (не установлено, является ли он мембранно-связанным или растворимым) участвует в регуляции уровня глюкозы в крови, но его механизм еще предстоит подтвердить.

Входные точки коронавируса

Как трансмембранный белок, mACE2 служит основной точкой входа в клетки для некоторых коронавирусов, включая HCoV NL63 и SARS CoV 2 (вирус, вызывающий COVID-19). Более конкретно, связывание S1-белка шипа SARS CoV и SARS CoV 2 с ферментативным доменом mACE2 на поверхности клеток приводит к эндоцитозу и транслокации как вируса, так и фермента в эндосомы, расположенные внутри клеток. В культуре блокировка эндоцитоза удерживает вирус на поверхности. Рецептор-связывающий домен (RBD) шипового белка, расположенный на поверхности вируса, специфически присоединяется к рецепторам клеток человека. Также было замечено, что у уже больного сердца экспрессия рецепторов mACE2 повышена по сравнению со здоровыми людьми. Этот процесс вхождения также требует примирования S-белка серинпротеазой TMPRSS2 хозяина, ингибирование которой в настоящее время изучается как потенциальная терапия. Это привело к гипотезе, что снижение уровня mACE2 в клетках может помочь в борьбе с инфекцией. Кроме того, согласно исследованиям на мышах, взаимодействие шипового белка коронавируса с mACE2 вызывает снижение уровня mACE2 в клетках посредством интернализации и деградации белка и, следовательно, может способствовать повреждению легких. С другой стороны, sACE2 показал защитный эффект против вирусного поражения легких, увеличивая продукцию вазодилататора ангиотензина 1–7. Как ингибиторы АПФ, так и блокаторы рецепторов ангиотензина II (АРА), используемые для лечения высокого кровяного давления, в исследованиях на грызунах показали повышение экспрессии mACE2, что, возможно, влияет на тяжесть коронавирусной инфекции. Однако систематический обзор и метаанализ, опубликованный 11 июля 2012 года, показал, что "использование ингибиторов АПФ было связано со значительным снижением риска пневмонии на 34% по сравнению с контрольной группой". Более того, "риск пневмонии также снижался у пациентов, получавших ингибиторы АПФ, которые имели более высокий риск пневмонии, особенно у пациентов с инсультом и сердечной недостаточностью. Использование ингибиторов АПФ также было связано со снижением смертности от пневмонии, хотя результаты были менее убедительными, чем для общего риска пневмонии". Исследование, проведенное в апреле 2020 года среди пациентов, госпитализированных в провинции Хубэй (Китай), показало уровень смертности 3,7% у пациентов с гипертонией, принимавших ингибиторы АПФ или АРА. Этот показатель смертности был сравнен с 9,8% у госпитализированных пациентов с гипертонией, не принимавших эти препараты, что позволяет предположить, что ингибиторы АПФ и АРА не вредны и могут помочь в борьбе с коронавирусом. Несмотря на отсутствие окончательных доказательств, некоторые выступают за или против прекращения лечения ингибиторами АПФ или АРА у пациентов с COVID-19 и гипертонией. Однако многие профессиональные сообщества и регулирующие органы рекомендовали продолжать стандартную терапию ингибиторами АПФ и АРА. Уровень ACE2 в плазме предсказывает исход COVID-19 у госпитализированных пациентов, при этом более высокие уровни в плазме коррелируют с более тяжелым течением заболевания. У пациентов с высоким кровяным давлением или сердечными заболеваниями наблюдается повышенный уровень ACE2 в плазме крови. Учитывая его роль в качестве рецептора для проникновения SARS CoV 2, неоднократно высказывалось предположение, что популяционная вариабельность ACE2 может способствовать генетической восприимчивости человека к COVID-19. Несколько исследований показали, что missense-варианты ACE2 могут изменять его сродство к связыванию с шиповым белком и, следовательно, его восприимчивость к проникновению псевдовируса SARS CoV 2, и есть убедительные доказательства того, что люди, несущие редкие варианты ACE2, могут обладать полной устойчивостью к инфекции SARS CoV 2. Например, генетические варианты, расположенные в X-хромосоме (rs190509934:C), были связаны с более низким уровнем экспрессии фермента ACE2. Это привело бы к увеличению числа проникновений и инфекций, вызванных вирусом SARS CoV 2. Кроме того, эти варианты показали снижение экспрессии белка на 37% и значительную защиту от тяжелых исходов (дыхательная недостаточность и смерть).

As a transmembrane protein, mACE2 serves as the main entry point into cells for some coronaviruses, including HCoV NL63, and SARS CoV 2 (the virus that causes COVID 19). More specifically, the binding of the spike S1 protein of SARS CoV and SARS CoV 2 to the enzymatic domain of mACE2 on the surface of cells results in endocytosis and translocation of both the virus and the enzyme into endosomes located within cells. In culture blocking endocytosis traps the virus on the surface. The receptor binding domain (RBD) of spike protein, located on the virus’s surface, specifically attaches to human cell receptors. It was also observed that an already diseased heart has increased expression of mACE2 receptors contrasted to healthy individuals. This entry process also requires priming of the S protein by the host serine protease TMPRSS2, the inhibition of which is under current investigation as a potential therapeutic. This has led some to hypothesize that decreasing the levels of mACE2, in cells, might help in fighting the infection. Furthermore, according to studies conducted on mice, the interaction of the spike protein of the coronavirus with mACE2 induces a drop in the levels of mACE2 in cells through internalization and degradation of the protein and hence may contribute to lung damage. On the other hand, sACE2 has been shown to have a protective effect against virus induced lung injury by increasing the production of the vasodilator angiotensin 1–7. Both ACE inhibitors and angiotensin II receptor blockers (ARBs) that are used to treat high blood pressure have been shown in rodent studies to upregulate mACE2 expression, possibly affecting the severity of coronavirus infections. However, a systematic review and meta analysis published on July 11, 2012, found that "use of ACE inhibitors was associated with a significant 34% reduction in risk of pneumonia compared with controls." Moreover, "the risk of pneumonia was also reduced in patients treated with ACE inhibitors who were at higher risk of pneumonia, in particular those with stroke and heart failure. Use of ACE inhibitors was also associated with a reduction in pneumonia related mortality, although the results were less robust than for overall risk of pneumonia." An April 2020 study of patients hospitalized in Hubei Province in China found a death rate of 3.7% for patients with hypertension who were taking ACE inhibitors or ARBs. The death rate was compared with 9.8% of hospitalized patients with hypertension not taking such drugs, suggesting that ACE inhibitors and ARBs are not harmful and may help against the coronavirus. Despite lack of conclusive evidence, some have advocated for or against the cessation of ACE inhibitor or ARB treatment in COVID 19 patients with hypertension. However, multiple professional societies and regulatory bodies have recommended continuing standard ACE inhibitor and ARB therapy. Plasma ACE2 levels predict outcome of COVID 19 in hospitalized patients, with higher plasma levels being correlated with worse disease outcomes. Patients with high blood pressure or heart disease show elevated ACE2 plasma levels. Given its role as the SARS CoV 2 entry receptor, it has been repeatedly hypothesised that population variation in ACE2 may contribute to an individual's genetic susceptibility to COVID 19. Several studies have reported that ACE2 missense variants can alter its binding affinity for the spike protein, and consequently its susceptibility to SARS CoV 2 pseudovirus entry, and there is strong evidence of individuals who carry rare variants in ACE2 that could confer total resistance to SARS CoV 2 infection. For example, genetic variants placed in the X chromosome (rs190509934:C) have been related to lower expression levels of ACE2 enzyme. This would lead to an increased number of entries and infections performed by the SARS CoV 2 virus. Moreover, those variants have shown a 37% reduction in expression of the protein and a remarkable protection from severe outcomes (respiratory failure and death).

Рекомбинантный человеческий ACE2

Предполагается, что рекомбинантный человеческий ACE2 (rhACE2) является новым методом терапии при остром повреждении легких и, по всей видимости, улучшает кровоток в легких и насыщение крови кислородом у поросят с синдромом острого респираторного дистресса, вызванным липополисахаридами. Период полувыведения rhACE2 у человека составляет около 10 часов, начало действия – 30 минут, а продолжительность эффекта – 24 часа. Мутанты ACE2 были сконструированы с еще более высокой аффинностью к S-белку SARS-CoV-2 и показали эффективную нейтрализацию вируса in vitro. Тройной мутант ACE2, демонстрирующий наномолярное связывание с S-белком (sACE2. v2.4),

Инфузионный rhACE2 оценивался в клинических испытаниях для лечения синдрома острого респираторного дистресса (АРДС). rhACE2 находится на второй фазе клинических испытаний для лечения тяжелой формы COVID-19.