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Nat Genetics | 一种新ACE2剪接体的鉴定

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BioArt 2021-01-12 13:06

撰文 | 唐小糖

责编 | 兮

血管紧张素转换酶II(ACE2)作为新冠病毒(SARS-CoV-2)进入宿主细胞的受体而备受关注,SARS-CoV-2进入宿主细胞依赖于ACE2的胞外域被TMPRSS2蛋白酶切割以及跨膜域与病毒的内化【1】。近期,多项单细胞RNA测序结果显示ACE2在多种组织中均有表达,且在气道鼻腔上皮(鼻腔上皮细胞的小球和纤毛细胞)中的表达水平相对较高,在支气管和肺泡区域中逐渐降低,这种表达模式与不同气道区间患者的SARS-CoV-2感染水平一致【2】。同样一致的是,COVID-19患者的鼻拭子比咽拭子的病毒载量相对更高【3】

在人类鼻上皮和肺组织中,ACE2的表达已被报道受干扰素(IFN)调控,也有证据表明在ACE2启动子内有STAT1、STAT3、IRF8和IRF1的结合位点,这些IFN下游基因的激活是人类重要的抗病毒防御途径【4】。因此尽管ACE2在SARS-CoV-2感染中发挥了关键作用,但对ACE2的表达(包括对病毒感染后的反应)的了解目前仍不清楚。

2021年1月11日,南安普顿大学的Vito MennellaGabrielle WhewayJane S. LucasDonna E. Davies团队在Nature Genetics上在线了题为“A novel ACE2 isoform is expressed in human respiratory epithelia and is upregulated in response to interferons and RNA respiratory virus infection”的研究论文,鉴定了一种新的ACE2剪接体—短ACE2,在人类鼻腔和支气管呼吸道上皮(SARS-CoV-2感染的主要部位)中表达。相比于全长ACE2(长ACE2),短ACE2在支气管上皮中优先表达。重要的是,在原代气道细胞中,短ACE2(而不是长ACE2)在对IFN的反应以及鼻病毒感染的反应中上调。

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研究人员首先利用鼻上皮气液界面培养物的RNA-seq数据分析了ACE2在气道上皮中的转录本表达情况,对ACE2基因区域的比对进行可视化分析,多组数据映射到了GENCODE v.33 ACE2基因构建的外显子9和10之间的基因组区域,在GRCh38 chrX:15580281处有一个离散的3′连接点,表明与下游外显子10之间存在剪接区域。可变的5′-长度表明外显子8的上游没有拼接,表明在气道中有一个新的ACE2转录本始于一个新的外显子,研究者称之为外显子9a。进一步组装分析后识别了一个新的ACE2剪接体—短ACE2,独立于全长ACE2(长ACE2)的转录调控(可能受IFN、AP-1和NF-κB调控),且在原代鼻上皮细胞中的转录本表达水平更高。

接下来研究人员利用RT-PCR在多个组织中检测了长ACE2和短ACE2的转录本表达情况,发现长ACE2转录本在除全脑外的多种组织中都有相当的表达水平;除全脑和骨骼肌外,短ACE2也都有表达,尽管在大多数组织中表达水平较低,但肺和肾的表达量最高。尤其是,长ACE2和短ACE2在体外或体内的原代支气管细胞中的表达量也很高,且表达量受上皮细胞分化程度的影响。研究人员同时还建模发现相比于长ACE2,短ACE2缺失了很多SARS-CoV-2结合区,表明其结构稳定性可能也与长ACE2不相同。

进一步,研究人员利用Western Blot检测短ACE2编码的蛋白质在多种细胞类型的表达情况,C端域(CTD)和胞外域(ECTO)的抗体可以识别长ACE2和短ACE2的共同表位,在一些细胞系中除了100 kDa处检测到了长ACE2表达,在约52 kDa处也检测到了短ACE2表达,该分子量大小与预测一致。N端域(NTD)的抗体则只能识别长ACE2;免疫荧光染色结果表明长ACE2和短ACE2分别主要定位在运动纤毛部位和细胞顶端区域。

最后,研究人员检测了短ACE2的相关功能,结果显示,支气管上皮细胞被I、II、III型干扰素IFN刺激后,总ACE2显著上调,其中短ACE2占比较大;鼻上皮气液界面培养物或支气管上皮细胞在被鼻病毒RV16感染后,短ACE2表达量显著上调,相比之下,长ACE2表达量不上调或仅有限上调;但在SARS-CoV-2感染后并未检测到长ACE2或短ACE2表达量有所增加,可能和SARS-CoV-2抑制I型IFN通路有关,在I型和III型IFN反应减弱的、来自重症哮喘病人的支气管上皮培养物中也证实了这一结果,即短ACE2在被RV16感染后上调有限。

综上所述,本研究发现了一种新的ACE2剪接体—短ACE2(52 kDa),主要在SARS-CoV-2的主要感染部位—气道上皮细胞中表达。由于它缺乏信号肽,结构可能相对不稳定。重要的是,短ACE2(而不是长ACE2)主要在鼻病毒感染时受IFN调节并被诱导出来。但在SARS-CoV-2感染或IFN-β缺乏(如哮喘)等IFN受到抑制的条件下,短ACE2的诱导程度则有所下降,总的来说,短ACE2可能在气道的先天性抗病毒防御机制中发挥重要作用,其具体的功能机制还需要后续探究。

值得注意的是,Nature Genetics此前背靠背发表了美国国立卫生研究院国家癌症研究所和帝国理工学院的研究论文【5,6】,这两项研究与本研究类似,也发现了短ACE2剪接体,此外,前者发现短ACE2只在灵长类动物中表达,并且在癌症基因组图谱中,特异性富集在呼吸道、胃肠道和泌尿生殖道的鳞状肿瘤中;后者也发现短ACE2主要表达在气道和胃肠道中,并且不能增强SARS-CoV-2的感染。这三项研究共同阐述了一种新ACE2剪接体—短ACE2的存在。

https://doi.org/10.1038/s41588-020-00759-x

制版人:嘉

参考文献

1. Yan, R. et al. Structural basis for the recognition of SARS-CoV-2 by full-length human ACE2.Science367, 1444–1448 (2020).

2. Lonsdale, J. et al. The Genotype-Tissue Expression (GTEx) project.Nat. Genet. 45, 580–585 (2013).

3. Zou, L. et al. SARS-CoV-2 viral load in upper respiratory specimens of infected patients.N. Engl. J. Med. 382, 1177–1179 (2020).

4. Ziegler, C. G. K. et al. SARS-CoV-2 receptor ACE2 is an interferon-stimulated gene in human airway epithelial cells and is detected in specific cell subsets across tissues.Cell181, 1016–1035.e19 (2020).

5. Onabajo. O.O. et al. Interferons and viruses induce a novel truncated ACE2 isoform and not the full-length SARS-CoV-2 receptor.Nat Genet. 52, 1283-1293 (2020).

6. Ng, K.W. et al. Tissue-specific and interferon-inducible expression of nonfunctional ACE2 through endogenous retroelement co-option.Nat Genet. 52, 1294-1302 (2020).

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