徐進川，范小勇

復(fù)旦大學附屬公共衛(wèi)生臨床中心，上海 201058

2019年底暴發(fā)的由嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2)引起的2019冠狀病毒病(coronavirus disease 19，COVID-19)已經(jīng)影響了全球200多個國家和地區(qū)。根據(jù)世界衛(wèi)生組織疫情數(shù)據(jù)顯示，截至2020年10月31日，全球發(fā)布的感染者累計超 4 000 萬人，死亡超100萬例。在中國疫情緩解之際，其他國家的疫情卻日趨嚴峻[1]。自疫情暴發(fā)之初起，各醫(yī)療衛(wèi)生單位和科研機構(gòu)就積極展開針對COVID-19的流行病學、基礎(chǔ)研究和臨床治療方法等方面的研究，本文從SARS-CoV-2的病原學特點、致病機制及COVID-19病理學研究等方面進行綜述。

1 病原學特征

1.1 冠狀病毒概述

SARS-CoV-2屬于β屬冠狀病毒，是單正鏈RNA病毒[2]。目前，包括SARS-CoV-2在內(nèi)共有7株冠狀病毒被證實可感染人類，分別是引起2003年嚴重急性呼吸綜合征(severe acute respiratory syndrome，SARS)的冠狀病毒(SARS-CoV)[3]、引起中東呼吸綜合征(Middle East respiratory syndrome，MERS)的冠狀病毒(MERS-CoV)[4]以及另外4種可引起較輕呼吸道疾病的CoV-229E、CoV-NL63、CoV-OC43和CoV-HKU1[5]。

1.2 SARS-CoV-2形態(tài)學特征

在電鏡下，病毒顆粒常呈圓形或橢圓形，直徑60～140 nm；病毒體被脂質(zhì)雙層包裹，在脂質(zhì)層下面是由病毒核酸與核衣殼蛋白形成的濃縮物質(zhì)，包膜周圍是寬約7 nm、長約23 nm的刺突蛋白(spike，S蛋白)[6]。

1.3 SARS-CoV-2基因組特征

SARS-CoV-2基因組有29 891個核苷酸[7]，基因組序列為5′ UTR-ORF1a/b (多聚蛋白Pp1a或Pplab)-結(jié)構(gòu)蛋白 (S蛋白)-包膜蛋白(envelope protein，E蛋白)-膜蛋白(membrane protein，M蛋白)-核衣殼蛋白(nucleocapsid protein，N蛋白)-3′ UTR[8]?；蛐蛄斜葘Πl(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2與SARS-CoV同源性近80.0%，但與MERS-CoV同源性卻只有50%左右，而與蝙蝠SARS樣冠狀病毒bat-SL-CoVZXC21和bat-SL-CoVZC45同源性約90%[9-10]，提示COVID-19為動物源性疾病。

2 發(fā)病機制

2.1 分子機制

冠狀病毒主要通過其表面的S蛋白識別靶細胞上的相應(yīng)受體進入細胞，從而引發(fā)感染。S蛋白由S1和S2亞基組成，S1組成包括受體結(jié)合區(qū)域(receptor binding domain, RBD)在內(nèi)的刺突頭部；S2組成刺突的基底部[8]。研究發(fā)現(xiàn)，SARS-CoV-2的S蛋白基因與SARS-CoV的同源性約為76%[11-12]，且其RBD結(jié)構(gòu)與SARS-CoV的相似[9, 13-14]。通過計算機模擬發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2的S蛋白與人血管緊張素轉(zhuǎn)換酶Ⅱ (human angiotensin-converting enzyme 2，hACE2) 之間具有較強的親和力[15]，其結(jié)合自由能為-50.6 kcal/mol，提示SARS-CoV-2也可能像SARS-CoV一樣通過ACE2感染細胞。

Wrapp等通過冷凍電鏡技術(shù)解析了SARS-CoV-2 S蛋白的結(jié)構(gòu)[16-17]，利用表面等離子體共振測得hACE2與SARS-CoV-2 S蛋白之間的親和力較其與SARS-CoV S蛋白結(jié)合的親和力強10～20倍[16]，解釋了SARS-CoV-2的強傳染性。Yan等[18]使用相同的技術(shù)在氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白B0AT1協(xié)助下解析了ACE2的全長結(jié)構(gòu)，同時揭示了SARS-CoV-2 RBD-ACE2復(fù)合體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)總體上與SARS-CoV RBD-ACE2結(jié)構(gòu)相似，但是SARS-CoV-2 RBD與ACE2的結(jié)合界面上存在序列變化和構(gòu)象偏差，可以改變SARS-CoV-2 RBD與ACE2結(jié)合的親和力。

Lan等[19]利用X線晶體衍射技術(shù)以0.245 nm (2.45?)的分辨率確定了SARS-CoV-2 S蛋白的RBD晶體結(jié)構(gòu)，比對SARS-CoV RBD發(fā)現(xiàn)，與ACE2結(jié)合的重要殘基大部分高度保守，或與SARS-CoV RBD中的殘基具有類似的側(cè)鏈性質(zhì)?？傮w上SARS-CoV-2 RBD和SARS-CoV RBD與ACE2的結(jié)合模式幾乎相同。Shang等[20]利用相同技術(shù)確定了SARS-CoV-2 RBD-hACE2復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)與SARS-CoV RBD相比，SARS-CoV-2 RBD中的幾個殘基變化穩(wěn)定了RBD/hACE2界面上的兩個病毒結(jié)合位點，使得SARS-CoV-2 RBD-hACE2構(gòu)象更為緊密。以上4項研究利用不同的技術(shù)從原子水平證實了SARS-CoV-2 RBD與ACE2的相互作用，解釋了SARS-CoV-2較SARS-CoV傳染性更強的原因。

另有研究發(fā)現(xiàn)S1亞基和S2亞基之間存在Furin蛋白酶切位點[16-17, 21-22]，認為廣泛分布的Furin蛋白酶可能增強SARS-CoV-2侵染細胞的效率，進而使其傳播能力顯著大于SARS-CoV[21-22]，不過目前尚無實驗證明Furin蛋白酶參與了SARS-CoV-2侵入細胞的過程。

Zhou和Hoffmann等則通過細胞實驗直接證明了ACE2介導(dǎo)SARS-CoV-2進入細胞[23-24]，且跨膜絲氨酸蛋白酶TMPRSS2通過作用于S蛋白參與了該過程[24]。Bao等[25]發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2可感染hACE2轉(zhuǎn)基因小鼠，且肺部有與2019冠狀病毒病患者類似的組織病理學表現(xiàn)，但在野生型小鼠中未發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象。該動物實驗證明了SARS-CoV-2通過ACE2感染細胞，并驗證了科赫假設(shè)。以上研究從不同層面較為全面地驗證了ACE2和S蛋白相互作用介導(dǎo)病毒進入細胞，但更細節(jié)的感染過程，如S蛋白和ACE2結(jié)合后的細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，仍有待進一步的深入研究。

2.2 ACE2的組織器官分布

大量研究表明ACE2是SARS-CoV-2感染細胞的靶標，因此對ACE2在組織器官表達情況的分析，可為臨床治療提供參考。

通過對各組織器官的單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)ACE2在肺、鼻、食管、胃、腸道、肝臟、腎、心臟等器官均有表達，且在肺部的Ⅱ型肺泡細胞中表達量很高[26]。Harmer等[27]利用定量反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)(quantitative reverse transcriptase-mediated PCR，qRT-PCR)方法全面繪制了人體中72個組織的ACE2轉(zhuǎn)錄表達譜，發(fā)現(xiàn)ACE2在肺、腎臟、心血管組織、胃腸道系統(tǒng)中高表達，而在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和淋巴組織中表達中等。

除了從基因表達層面來分析ACE2的組織器官分布情況，Hamming等[28]通過免疫組織化學方法確定了ACE2在各組織器官的表達情況，發(fā)現(xiàn)在每個器官的特定部位都有ACE2的表達。李靜等[29]也發(fā)現(xiàn)各器官組織的血管內(nèi)皮細胞均表達ACE2，其中肺微血管內(nèi)皮細胞表達最高，淋巴內(nèi)皮細胞表達最低，該發(fā)現(xiàn)與病理解剖中血管內(nèi)廣泛出現(xiàn)的血栓情況相一致。He等[30]用免疫組織化學和原位雜交方法顯示了ACE2在細胞水平上的分布和表達，發(fā)現(xiàn)ACE2在呼吸道、消化道和遠曲小管的上皮細胞、肺泡內(nèi)單核-巨噬細胞、心肌細胞、腎上腺皮質(zhì)細胞、胰島細胞中均有高水平表達。更重要的是，在SARS患者體內(nèi)高表達ACE2的細胞中存在SARS-CoV，而在不表達ACE2細胞中則不存在SARS-CoV[30-31]，提示SARS-CoV-2可能存在類似的分布情況。

2.3 病理損傷

目前的病理研究結(jié)果顯示，新型冠狀病毒可以造成多器官損傷，其中最為嚴重的是肺部[32-33]。另外，Wan等[34]則通過對輕度和重度患者的外周血研究發(fā)現(xiàn)，兩組患者的外周血淋巴細胞亞群較正常組均減少，其中輕、重度組CD8+T細胞分別減少28.43%和61.9%；B細胞分別減少25.49%和28.57%；NK細胞分別減少34.31%和47.62%。Liu等[35]分析了COVID-19患者血漿中48個細胞因子的表達情況，發(fā)現(xiàn)其中38個細胞因子較健康個體顯著升高；而Wang等[36]發(fā)現(xiàn)SARS-CoV、MERS-CoV、鼻病毒、H1N1流感病毒和細胞因子干擾素(interferon，IFN)-β、IFN-γ均可以導(dǎo)致ACE2的表達上調(diào)，提示SARS-CoV-2引起的細胞因子風暴可能進一步促進病毒的感染。

如表1所示，目前已有的ACE2轉(zhuǎn)錄組學數(shù)據(jù)、免疫組織化學實驗結(jié)果和組織器官病理特征以及臨床數(shù)據(jù)是相對吻合的，證明ACE2確實介導(dǎo)了SARS-CoV-2侵染細胞，這對疾病的發(fā)展至關(guān)重要。但是SARS-CoV-2對各器官的損傷機制和相互作用尚需要更加全面的研究。

表1 ACE2的分布和COVID-19的病理學特征

(續(xù)表1)

(續(xù)表1)

2.4 不同人群的ACE2表達和臨床癥狀差異

Cai等[47]通過對單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，ACE2的表達在亞洲人和白人、男性和女性、60歲以上和60歲以下的人群以及白人吸煙者和不吸煙者之間沒有差異，但亞洲吸煙者比非吸煙者的ACE2基因表達量更高。鐘南山院士團隊對 1 099 例COVID-19確診患者的臨床特征進行了回顧性分析，其中吸煙患者中重癥比例為24.05%，非吸煙患者中重癥比例為14.45%[48]，意味著吸煙患者較不吸煙患者可能有更嚴重的臨床癥狀。Leung等[49]通過隊列研究發(fā)現(xiàn)相較于對照組，吸煙者和慢性阻塞性肺病患者下呼吸道ACE-2表達顯著升高，這在一定程度上解釋了這些人群中COVID-19重癥比例更高的原因。目前最大的COVID-19流行病學分析結(jié)果顯示，在 44 672 例確診病例中，男性的病死率(2.8%)高于女性(1.7%)[50]。這與中國成人中男性吸煙率(50.5%)遠高于女性(2.1%)的情況相吻合[51]。

Goulter等[52]通過對非病變心臟、特發(fā)性擴張型心肌病(idiopathic dilated cardiomyopathy，IDC)、缺血性心肌病(ischemic cardiomyopathy，ICM)樣本研究發(fā)現(xiàn)，與未患病心肌相比，IDC和ICM心肌中的ACE2 mRNA分別上調(diào)了3.1倍和2.4倍。Chen等[53]通過對癌癥基因組圖譜(The Cancer Genome Atlas, TCGA)數(shù)據(jù)庫中測序數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，與正常組織相比，肺癌組織中ACE2蛋白表達水平顯著上調(diào)。Jia等[54]通過大數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，脂肪組織中ACE2的表達水平高于肺組織；宮頸癌、胰腺癌、直腸腺癌、腎乳頭狀細胞癌和腎透明細胞癌5種腫瘤組織中ACE2的表達均高于鄰近組織，其中胰腺癌組織ACE2表達量顯著高于肺部，宮頸癌組織ACE2表達量與肺部相近。以上研究結(jié)果與中國疾病預(yù)防控制中心發(fā)布的COVID-19流行病學分析結(jié)果一致，即有合并癥(心血管疾病、糖尿病、慢性呼吸道疾病、高血壓病、癌癥)的COVID-19患者的病死率遠高于未報告合并癥患者的病死率[50]。

綜上所述，吸煙和其他基礎(chǔ)性疾病可能通過影響ACE2的表達進而影響COVID-19的發(fā)病及轉(zhuǎn)歸。

3 結(jié)語

綜上所述，目前的研究從基因、蛋白層面，結(jié)合生物信息學分析、結(jié)構(gòu)生物學方法、細胞分子實驗、動物實驗和臨床數(shù)據(jù)相對全面地認識了SARS-CoV-2及其引起的COVID-19。雖然結(jié)合當前證據(jù)說明SARS-CoV-2可以通過ACE2感染細胞，但是目前尚有諸多問題等待解決。ACE2是SARS-CoV-2唯一的侵染靶標嗎？雖然有研究者提出SARS-CoV-2通過S蛋白與宿主細胞上的受體CD147結(jié)合，從而介導(dǎo)病毒入侵[55]，但目前還需要進一步的研究證明。Furin蛋白酶是否參與SARS-CoV-2的感染過程？SARS-CoV-2感染后對細胞表達ACE2有何影響？特殊人群ACE2的表達改變與SARS-CoV-2感染能力有何關(guān)系？以上對SARS-CoV-2的致病機制的清晰認識可以極大地促進疫苗和藥物的開發(fā)，也可以指導(dǎo)醫(yī)師對COVID-19患者進行更科學的治療。