ANGIOTENSIN-CONVERTING ENZYME 2 (ACE2) VÀ NGUY CƠ LÂY NHIỄM SARS-CoV-2 TỪ ĐỘNG VẬT HỮU NHŨ SANG NGƯỜI

CNSH Ngô Ngọc Phương Thuỳ, Cộng tác viên Trung tâm nghiên cứu Di truyền và Sức khoẻ sinh sản (CGRH), Khoa Y ĐHQG-HCM
ThS.BS Trần Huy Dũng, Trung tâm nghiên cứu Di truyền và Sức khoẻ sinh sản (CGRH), Khoa Y ĐHQG-HCM
---------

TÓM TẮT

Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) là enzyme xuyên màng, được biết đến với khả năng xúc tác phản ứng chuyển đổi Angiotensin thành Ang-II và Ang-(1-7). ACE2 được chứng minh là “chìa khoá” để SARS-CoV-2 nhận diện và xâm nhiễm vào tế bào vật chủ. Bài viết này tổng hợp các thông tin tổng quan về ACE2 cũng như cơ chế nhận diện ACE2 trong quá trình xâm nhiễm của virus. Nhiều bằng chứng cho thấy SARS-CoV-2 hiện diện ở nhiều loài động vật hữu nhũ với tỷ lệ tương đồng khá cao với protein ACE2 ở người, chỉ ra nguy cơ lây truyền virus từ động vật sang người, đặc biệt là những loài có tiếp xúc trực tiếp trong đời sống hằng ngày. 

Từ khoá: ACE2, SARS-CoV-2, sự lây truyền virus, động vật hữu nhũ, con người.

GIỚI THIỆU 

Vào tháng 12 năm 2019, một loại coronavirus mới (nCoV – novel Coronavirus) đã được xác định là nguyên nhân gây ra bệnh viêm phổi không điển hình với nguy cơ lây lan nhanh, tỷ lệ tử vong cao, được định danh bởi Tổ chức Y tế thế giới (WHO) là bệnh gây ra bởi coronavirus-19 (COVID-19 – Coronavirus Disease 2019) [1]. Tính đến tháng 8/2021, COVID-19 bùng phát mạnh mẽ lần đầu tiên ở Vũ Hán, Trung Quốc và lan ra nhiều quốc gia và vùng lãnh thổ trên thế giới với hơn 215 triệu ca nhiễm bệnh với các triệu chứng suy hô hấp nghiêm trọng và hơn 4 triệu ca tử vong [2]. Do mang nhiều đặc điểm tương đồng với SARS-CoV - virus gây ra đại dịch SARS vào năm 2002, nCoV được Hiệp hội Quốc tế về phân loại virus (ITCV) định danh lại với tên gọi SARS-CoV-2 [3]. 

Bề mặt của virus SARS-CoV-2 được bao phủ bởi một số lượng lớn các protein gai (spike protein – protein S). Những protein này là cần thiết để virus xâm nhập vào tế bào vật chủ [4]. Enzyme chuyển đổi angiotensin-2 (ACE-2) đã được xác định là thụ thể cho sự xâm nhập của virus SARS-CoV-2 vào tế bào vật chủ [5]. Mỗi protein S bao gồm hai tiểu đơn vị là S1 và S2. Tiểu đơn vị S1 ở phần đầu chứa vùng chức năng liên kết thụ thể (Receptor Binding Domain - RBD) giúp protein S gắn kết với ACE2, trong khi tiểu đơn vị S2 làm trung gian cho hoà nhập màng tế bào vật chủ, cần thiết cho sự xâm nhập của virus [4]. ACE2 được dự đoán là thụ thể của SARS-CoV-2 vào tháng 1/2020 bởi Wan và cộng sự thông qua phân tích tương tác của protein này và vùng RBD của tiểu đơn vị S1 ở các chủng SARS-CoV trước đây so với SARS-CoV-2 [6].

THỤ THỂ ACE2 – CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG

Enzyme chuyển đổi angiotensin (Angiotensin-Converting Enzyme - ACE) được phát hiện là một protein xuyên màng được glycosyl hóa cao, tồn tại ở hai dạng khác nhau là dạng hiện diện trong tế bào sinh dưỡng có hai vùng chức năng (domain): C-domain và N-domain; dạng protein chỉ có một vùng chức năng biểu hiện ở tinh hoàn. ACE được biết đến nhiều nhất với khả năng xúc tác chuyển đổi angiotensin (Ang) I thành Ang II. Ang II liên kết với các thụ thể angiotensin loại 1 (AT1 – Angiotensin Type I) và có vai trò làm co mạch trong việc điều chỉnh huyết áp, phản ứng viêm, cân bằng điện giải thông qua aldosterone [7]. ACE đóng vai trò quan trọng vào nhiều quá trình sinh lý khác nhau bao gồm quá trình phát triển thận, kiểm soát huyết áp, phản ứng viêm và hoạt động miễn dịch [8]. Đến năm 2000, ACE2, được xác định lần đầu tiên bởi hai nhóm nghiên cứu độc lập, là một protein tương đồng của ACE. Mặc dù ACE2 tương đồng với ACE 60% về mặt trình tự [9], tuy nhiên, vẫn có một số khác biệt đáng kể về hoạt tính giữa 2 protein này. ACE2 hoạt động như một carboxypeptidase có thể loại bỏ phenylalanin ở đầu C (đầu kết thúc của chuỗi amino acid có gốc carboxyl tự do) trong Ang-II để tạo thành heptapeptide Ang-(1-7) và chuyển Ang I thành Ang (1-9) [9, 10]. Ang (1–7) liên kết được với các thụ thể MAS và AT2 (Angiotensin Type II) tác động lên hệ thống RAS (Renin-angiotensin System) trái ngược với Ang II, gây ra giãn mạch, tăng tổng hợp oxid nitric (NO), tác dụng kháng viêm [5]. Ngoài ra, ACE2 còn tồn tại trong cơ thể ở dạng hòa tan, xuất hiện ở mức độ thấp trong tuần hoàn qua hoạt động phân cắt của các protease ADAM (A Disintegrin and Metalloprotease) 10 và ADAM 17 tại vị trí các amino acid 716 và 741. Tuy nhiên, protein ACE2 dạng hòa tan này có thời gian bán hủy rất ngắn [11].

Gene mã hóa cho ACE2 có kích thước 39,98 kb, nằm trên cánh ngắn nhiễm sắc thể X tại vị trí Xp22 và chứa 18 exon, 20 intron [12]. ACE2 là một glycoprotein loại I bao gồm 805 amino acid [13]. Các vùng chức năng của ACE2 bao gồm một vùng xuyên màng ở đầu C, vùng peptide tín hiệu ở đầu N, vùng chức năng xúc tác được hình thành bởi motif metalloprotease liên kết kẽm (HEXXH zinc-binding motif) (Hình 1) [5]. Ban đầu, các nghiên cứu tìm thấy sự hiện diện của ACE2 ở tim, tinh hoàn và thận [9]. Gần đây, nhiều báo cáo cho thấy ACE2 biểu hiện rộng rãi trên cơ quan khác nhau trong cơ thể với nhiều mức độ khác nhau: biểu hiện mức độ cao nhất ở ruột non, tinh hoàn, thận, tim, tuyến giáp và mô mỡ; biểu hiện trung bình ở phổi, ruột kết, gan, bàng quang, tuyến thượng thận và mức độ biểu hiện này thấp nhất trong máu, lá lách, tủy xương, não, mạch máu và cơ [14]. 

CƠ CHẾ NHẬN DIỆN VÀ BÁM LÊN THỤ THỂ ACE2 CỦA VIRUS SARS-CoV-2

Virus SARS-CoV-2 sử dụng protein S để thúc đẩy sự xâm nhập vào tế bào chủ. Protein này chứa hai vùng chức năng: vùng liên kết thụ thể S1, và vùng S2 làm trung gian cho sự hợp nhất của màng virus và tế bào chủ [16]. Vùng RBD ở protein S tồn tại ở hai trạng thái cấu hình riêng biệt, được gọi là “up” RBD và “down” RBD. Ở cấu hình “down” RBD, tương tác của protein S với ACE2 bị cản trở. Ngược lại, khi chuyển đổi từ cấu hình “down” RBD sang “up” RBD, làm lộ ra các vị trí liên kết với thụ thể, do đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc liên kết với ACE2 (Hình 2) [17]. Có 23 amino acid trong vùng RBD ở trạng thái mở tạo ra được tương tác với ACE2 trong khoảng cách 4Å [18].

Sau đó, protein S tiếp tục bị phân cắt tại vị trí S2’ bởi hoạt động của protease TMPRSS2 (Transmembrane serine protease 2). Protease này được tìm thấy trên nhiều mô và cơ quan ở người như phổi, tuyến tiền liệt, đường tiêu hóa, thận và tuyến tụy [21]. Vị trí phân cắt của TMPRSS2 nằm ở đầu N (đầu chuỗi amino acid kết thúc bởi gốc amino) của tiểu đơn vị S2. Sau quá trình này, phức hợp S1 liên kết với ACE2 bị phân ly và S2 bị thay đổi về cấu hình protein, làm bộc lộ vùng có khả năng dung hợp màng với tế bào chủ [22]. Tiếp theo, miền HR1 (heptad repeat 1) và HR2 (heptad repeat 2) trong tiểu đơn vị S2 tương tác với nhau tạo thành cấu trúc gồm sáu chuỗi xoắn (6-helix bundle - 6HB). Sự hình thành cấu trúc 6-HB đưa các phần tử virus đến gần màng tế bào chủ, dẫn đến sự hợp nhất màng và giải phóng RNA của virus vào tế bào chất [23]. 

BIỂU HIỆN CỦA PROTEIN ACE2 TRÊN Ở ĐỘNG VẬT HỮU NHŨ VÀ NGUY CƠ LÂY NHIỄM VIRUS TỪ ĐỘNG VẬT SANG NGƯỜI

Trong thời gian đầu khởi phát dịch bệnh COVID-19, các bệnh nhân nhập viện ở Vũ Hán có liên quan đến chợ đầu mối hải sản Huanan, nơi bán động vật sống, chẳng hạn như gia cầm, dơi, rắn, ếch, thỏ và nhím, điều này cho thấy nguy cơ SARS-CoV-2 có thể lây truyền từ động vật sang người. Có ý kiến ​​cho rằng dơi là vật chủ tự nhiên của SARS-CoV-2, tuy nhiên vật chủ trung gian trong chuỗi lây nhiễm từ dơi sang người vẫn chưa rõ ràng. Mặc dù vẫn chưa có bằng chứng trực tiếp về nguy cơ động vật lây nhiễm SARS-CoV-2 cho người, một vài kết quả nghiên cứu gián tiếp trên về khả năng xâm nhiễm của SARS-CoV-2 trên mô hình động vật vẫn ủng hộ cho giả thuyết này.

Sự tương tác của virus với thụ thể trên bề mặt tế bào chủ là bước đầu tiên cho sự xâm nhiễm. Như đã đề cập, ACE2 là thụ thể của tế bào chủ, đóng vai trò thiết yếu cho khả năng nhận diện và liên kết của SARS-CoV-2, cho phép virus xâm nhập vào tế bào chủ. ACE2 được tìm thấy ở đa số động vật có vú, điều này không có nghĩa là tất cả thụ thể này đều có thể liên kết hay thích hợp cho SARS-CoV-2 nhận diện và tương tác [25]. Trong một nghiên cứu trên mô hình in silico, Bouricha và cộng sự tìm hiểu về protein ACE2 của 22 loài bao gồm động vật hoang dã, gia súc, vật nuôi nhằm dự đoán về sự nhạy cảm với SARS-CoV-2 thông qua lực liên kết và tương tác giữa protein S với ACE2 giữa các loài [26]. Kết quả nghiên cứu dự đoán thụ thể ACE2 ở các động vật chó, hổ, lạc đà, mèo, chuột đồng và cừu có ái lực với vùng RBD thuộc tiểu phần S1 trên protein S của SARS-CoV-2 cao hơn so với ACE2 ở người. Các loài động vật như linh trưởng, thỏ, chuột đồng vàng, lợn, dơi móng ngựa Trung Quốc, dơi móng ngựa tai lớn và lạc đà Alpaca có ái lực tương đương với ACE2 người. 

Tương tự, nghiên cứu của Shen và cộng sự thông qua phân tích dựa trên trình tự amino acid của ACE2 ở các loài động vật có vú tiếp xúc với con người trong cuộc sống hằng ngày cho thấy khả năng virus SARS-CoV-2 có thể lây nhiễm trên động vật [27]. Cụ thể, nhóm tác giả so sánh trình tự amino acid ở vùng ngoại bào của ACE2 ở vật nuôi và gia súc như mèo, chó, gia súc, ngựa, cừu và lợn; các động vật thí nghiệm như khỉ Rhesus, tinh tinh, chuột và thỏ trong Ngân hàng gene với ACE2 của người, sự tương đồng của trình tự amino acid dao động khá lớn (67,4% - 95,0%). Kết quả cho thấy tinh tinh và khỉ Rhesus nhạy cảm nhất với SARS-CoV-2, trong khi chuột có tính nhạy cảm kém nhất. Ngoài ra, khi phân tích tương quan giữa cấu trúc tinh thể của vùng RBD trên protein S của SARS-CoV-2 và khả năng liên kết với ACE2 ở các loài, các tính toán năng lượng liên kết cho thấy tinh tinh có ái lực liên kết cao nhất, cao hơn ái lực ACE2 trên người; ái lực giảm dần theo thứ tự là mèo, khỉ Rhesus, chó, lợn, ngựa, cừu, chuột và thỏ. Ái lực liên kết càng cao, virus càng có khả năng xâm nhiễm và gây bệnh cao hơn. 

Việc xác định các động vật có tính nhạy cảm cao với SARS-CoV-2 thông qua thụ thể ACE2 vẫn là điều cần thiết để đánh giá nguy cơ mang mầm bệnh ở các loài động vật, đặc biệt là ở gia súc và vật nuôi, từ đó có thể kiểm soát sự lây lan của virus. Mặc dù vẫn chưa có các bằng chứng trực tiếp cho thấy SARS-CoV-2 có khả năng lây truyền trực tiếp từ động vật sang người, những phát hiện này cũng sẽ giúp đề xuất các mô hình động vật để hỗ trợ nghiên cứu về khả năng gây bệnh của SARS-CoV-2 và giúp đánh giá hiệu quả của các liệu pháp điều trị, ức chế sự tăng sinh của virus in vivo. 

KẾT LUẬN

Sự tương tác của virus với thụ thể trên tế bào chủ là bước đầu tiên dẫn đến việc nhiễm virus và có thể gây bệnh cho vật chủ. ACE2 được xem là thụ thể cho virus SARS-CoV-2 có thể nhận biết, liên kết và từ đó kích hoạt các protease xuyên màng hỗ trợ cho sự xâm nhập của virus vào tế bào vật chủ. Quá trình xâm nhiễm thành công của SARS-CoV-2 bao gồm: (1) sự liên kết của protein S với thụ thể ACE2; (2) sự phân cắt protein S nhờ vào hoạt động của Furin, TMPRSS2 nhằm bộc lộ cấu trúc hỗ trợ việc dung hợp màng; (3) sự hòa nhập màng bao của virus và màng sinh chất của tế bào chủ; (4) giải phóng RNA virus vào tế bào chất của tế bào chủ. Thụ thể ACE2 được tìm thấy ở nhiều loài động vật khác nhau, đặc biệt là những loài động vật có thường xuyên tiếp xúc trực tiếp với con người, là một trong những yếu tố quan trọng trong việc kiểm soát sự lây lan của dịch bệnh, bởi nguy cơ lây truyền virus từ động vật sang người. Việc nắm bắt rõ và hiểu biết về ACE2 cũng như khả năng xâm nhiễm của virus thông qua protein này có vai trò thiết yếu trong nghiên cứu về sinh lý bệnh học của SARS-CoV-2, các phương pháp phòng ngừa và điều trị các biến chứng gây ra bởi virus này. 

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ACE Angiotensin-converting enzyme

ACE2 Angiotensin-converting enzyme 2

SARS-CoV-2 Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2

COVID-19 Coronavirus Disease 19

WHO World Health Organization

(Tổ chức Y tế thế giới)

ITCV International Committee of Taxanomy of Viruses

(Hiệp hội Quốc tế về Định danh Virus) 

RBD Receptor Binding Domain

Ang-I Angiotensin  I

Ang-II Angiotensin II

AT1 Angiotensin Type I

AT2 Angiotensin Type II

RAS Renin-Angiotensin System

ADAM 10 A Disintegrin and Metalloprotease 10

ADAM 17 A Disintegrin and Metalloprotease 17

PD Peptidase Domain

TMPRSS2 Transmembrane serine protease 2

HR1 Heptad repeat 1

HR2 Heptad repeat 2

6HB 6-helix bundle 

RNA Ribonucleic Acid

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. WHO.  [cited 2021 31/08]. Available from: https://www.who.int/emergencies/diseases/novel-coronavirus-2019/technical-guidance/naming-the-coronavirus-disease-(covid-2019)-and-the-virus-that-causes-it.
2. Worldometers.  [cited 2021 26/08]. Available from: https://www.worldometers.info/coronavirus/
3. Coronaviridae Study Group of the International Committee on Taxonomy of V. The species Severe acute respiratory syndrome-related coronavirus: classifying 2019-nCoV and naming it SARS-CoV-2. Nat Microbiol. 2020;5(4):536-44.
4. Huang Y, Yang C, Xu XF, Xu W, Liu SW. Structural and functional properties of SARS-CoV-2 spike protein: potential antivirus drug development for COVID-19. Acta Pharmacol Sin. 2020;41(9):1141-9.
5. Li W, Moore MJ, Vasilieva N, Sui J, Wong SK, Berne MA, et al. Angiotensin-converting enzyme 2 is a functional receptor for the SARS coronavirus. Nature. 2003;426(6965):450-4.
6. Wan Y, Shang J, Graham R, Baric RS, Li F. Receptor Recognition by the Novel Coronavirus from Wuhan: an Analysis Based on Decade-Long Structural Studies of SARS Coronavirus. J Virol. 2020;94(7).
7. Liu J, Ji H, Zheng W, Wu X, Zhu JJ, Arnold AP, et al. Sex differences in renal angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) activity are 17beta-oestradiol-dependent and sex chromosome-independent. Biol Sex Differ. 2010;1(1):6.
8. Gonzalez-Villalobos RA, Shen XZ, Bernstein EA, Janjulia T, Taylor B, Giani JF, et al. Rediscovering ACE: novel insights into the many roles of the angiotensin-converting enzyme. J Mol Med (Berl). 2013;91(10):1143-54.
9. Tipnis SR, Hooper NM, Hyde R, Karran E, Christie G, Turner AJ. A human homolog of angiotensin-converting enzyme. Cloning and functional expression as a captopril-insensitive carboxypeptidase. J Biol Chem. 2000;275(43):33238-43.
10. Donoghue M, Hsieh F, Baronas E, Godbout K, Gosselin M, Stagliano N, et al. A novel angiotensin-converting enzyme-related carboxypeptidase (ACE2) converts angiotensin I to angiotensin 1-9. Circ Res. 2000;87(5):E1-9.
11. Batlle D, Wysocki J, Satchell K. Soluble angiotensin-converting enzyme 2: a potential approach for coronavirus infection therapy? Clin Sci (Lond). 2020;134(5):543-5.
12. Turner AJ, Tipnis SR, Guy JL, Rice G, Hooper NM. ACEH/ACE2 is a novel mammalian metallocarboxypeptidase and a homologue of angiotensin-converting enzyme insensitive to ACE inhibitors. Can J Physiol Pharmacol. 2002;80(4):346-53.
13. Marian AJ. The discovery of the ACE2 gene. Circ Res. 2013;112(10):1307-9.
14. Li MY, Li L, Zhang Y, Wang XS. Expression of the SARS-CoV-2 cell receptor gene ACE2 in a wide variety of human tissues. Infect Dis Poverty. 2020;9(1):45.
15. Bian J, Li Z. Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2): SARS-CoV-2 receptor and RAS modulator. Acta Pharm Sin B. 2021;11(1):1-12.
16. Gui M, Song W, Zhou H, Xu J, Chen S, Xiang Y, et al. Cryo-electron microscopy structures of the SARS-CoV spike glycoprotein reveal a prerequisite conformational state for receptor binding. Cell Res. 2017;27(1):119-29.
17. Walls AC, Park YJ, Tortorici MA, Wall A, McGuire AT, Veesler D. Structure, Function, and Antigenicity of the SARS-CoV-2 Spike Glycoprotein. Cell. 2020;181(2):281-92 e6.
18. Sakkiah S, Guo W, Pan B, Ji Z, Yavas G, Azevedo M, et al. Elucidating Interactions Between SARS-CoV-2 Trimeric Spike Protein and ACE2 Using Homology Modeling and Molecular Dynamics Simulations. Front Chem. 2020;8:622632.
19. Taka E, Yilmaz SZ, Golcuk M, Kilinc C, Aktas U, Yildiz A, et al. Critical Interactions Between the SARS-CoV-2 Spike Glycoprotein and the Human ACE2 Receptor. J Phys Chem B. 2021;125(21):5537-48.
20. atlas Thp. Furin  [cited 2021 31/08]. Available from: https://www.proteinatlas.org/ENSG00000140564-FURIN/tissue.
21. atlas Thp. TMPRSS2  [cited 2021 31/08]. Available from: https://www.proteinatlas.org/ENSG00000184012-TMPRSS2/tissue.
22. Simmons G, Zmora P, Gierer S, Heurich A, Pohlmann S. Proteolytic activation of the SARS-coronavirus spike protein: cutting enzymes at the cutting edge of antiviral research. Antiviral Res. 2013;100(3):605-14.
23. Bosch BJ, Martina BE, Van Der Zee R, Lepault J, Haijema BJ, Versluis C, et al. Severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) infection inhibition using spike protein heptad repeat-derived peptides. Proc Natl Acad Sci U S A. 2004;101(22):8455-60.
24. Zhang Q, Xiang R, Huo S, Zhou Y, Jiang S, Wang Q, et al. Molecular mechanism of interaction between SARS-CoV-2 and host cells and interventional therapy. Signal Transduct Target Ther. 2021;6(1):233.
25. Qiu Y, Zhao YB, Wang Q, Li JY, Zhou ZJ, Liao CH, et al. Predicting the angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) utilizing capability as the receptor of SARS-CoV-2. Microbes Infect. 2020;22(4-5):221-5.
26. Bouricha EM, Hakmi M, Akachar J, Belyamani L, Ibrahimi A. In silico analysis of ACE2 orthologues to predict animal host range with high susceptibility to SARS-CoV-2. 3 Biotech. 2020;10(11):483.
27. Shen M, Liu C, Xu R, Ruan Z, Zhao S, Zhang H, et al. Predicting the Animal Susceptibility and Therapeutic Drugs to SARS-CoV-2 Based on Spike Glycoprotein Combined With ACE2. Front Genet. 2020;11:575012.