Science：另辟蹊径，改造ACE2效果比肩中和抗体

新冠病毒（SARS-CoV-2）是导致新冠肺炎（COVID-19）的病原体，其侵染细胞的识别受体为血管紧张素转化酶2（ACE2），该受体存在于整个身体组织中，在调节血压、血容量和炎症中起重要的作用。许多研究人员推测，与COVID-19相关的许多症状可能源于新冠病毒与ACE2的结合并使其无法发挥作用。

由于新冠病毒早已出现变异，尤其是其S蛋白上的部分位点突变给目前正在研发的单克隆中和抗体提出了挑战。而此前一项发表在Cell杂志的研究表明，体外纯化的临床级重组人类ACE2蛋白（hrsACE2），在SARS-CoV-2感染细胞之前，若是先与hrsACE2共孵育一段时间，可以使病毒的感染能力降低1000-5000倍。并且hrsACE2可显著减少细胞和多种人体器官模型的SARS-CoV-2感染。这表明工程化的ACE2有望成为一种高效广谱的COVID-19候选治疗药物。

2020年8月4日，Science杂志发表了一篇来自伊利诺伊大学香槟分校等机构的论文：Engineering human ACE2 to optimize binding to the spike protein ofSARS coronavirus 2。

该研究表明，通过组合突变的ACE2变体具有可与单克隆抗体相媲美的亲和力，稳定的二聚体变体在体外显示出对SARS-CoV-2和SARS-CoV有效的中和作用。另外，工程化的ACE2也可通过调节血压和血容量的血管紧张素肽的水解转化来治疗COVID-19症状。

研究内容

由于人ACE2还没有进化到可以识别SARS-CoV-2 S蛋白，因此研究人员推测突变可能会增加二者的亲和力。并首先创建了一个具有N末端c-myc表位标签的ACE2编码序列文库，该文库在117个位点上包含所有可能的单个氨基酸替代方式。所述ACE2文库在人Expi293F细胞中瞬时表达的条件下，将细胞与融合了GFP的RBD（sfGFP）培养基一起孵育。双色流式细胞仪测量表明，结合RBD-sfGFP的水平与ACE2的表达水平相关。文库中的许多变体无法结合RBD，而少部分的ACE2变体则显示出更高的结合信号，并各自具有与RBD的高结合（nCoV-S-High）或低结合（nCoV-S-Low）特性。

进一步使用深度诱变的方法，通过比较分选群体中转录本的频率与原始质粒文库中的序列频率来检查了文库中2340个ACE2突变，并创建了表达突变ACE2的细胞来分析这些突变体与冠状病毒的相互作用。研究发现，两个ACE2残基N90和T92一起形成共有的N-糖基化基序，是富集突变的显着热点，推测N90-聚糖可能部分地阻碍了S / ACE2的相互作用。而三种突变的组合（突变T27Y，L79T和N330Y，命名为：sACE2.v2.4）使sACE2.v2.4与病毒的结合强度提高了50倍，成为了该病毒更具吸引力的靶标。

然后，研究人员将ACE2结构延长，包括颈/二聚结构域，生成稳定的二聚体结构（sACE22），发现它高亲和力地结合细胞表面的S蛋白或在生物传感器上固定的RBD。与野生型相比，二聚体sACE22.v2.4能更有效地与COVID-19患者血清中的IgG竞争。可用于评估血清或恢复期血浆治疗中最有效的中和抗体水平。通过将sACE22-IgG1固定在生物传感器表面，并与单体RBD-8his孵育作为分析物，表明野生型sACE22的RBD 亲和力KD值为22 nM，而sACE22.v2.4的KD值则为600 pM，这比最近分离出的单克隆抗体还要好。

值得一提的是，工程化的二聚体sACE22尽管在设计过程中并未考虑SARS-CoV S蛋白的结构和序列，但sACE22.v2.4还是可以有效地中和SARS-CoV病毒。理论上ACE2受体可能还会中和尚未其他多种识别ACE2受体的冠状病毒，从而有潜力成为一种高效广谱的治疗药物。

讨论

作为一种潜在的治疗药物，工程化的ACE2比其他药物具有一个优势：它非常类似于天然ACE2受体，如果病毒要逃逸它，就必须以降低其传染性的方式进行突变。因此，冠状病毒不能轻易逃逸中和而又不丧失其与天然受体结合的能力。这也意味着该病毒获得耐药性的能力有限。除了抑制病毒进入，重组sACE2可能还有第二种治疗机制：血管紧张素II的蛋白水解，以缓解呼吸窘迫症状，但与野生型sACE2相比，在治疗上的优势劣仍有待观察。

尽管本研究使用深度诱变分析了2000多个突变，但是更多的突变分析可能还会发现亲和力更高的ACE2变异体，从而使中和冠状病毒的能力进一步增强。不过。目前还需进一步的工作来确定工程化ACE2是否可以有效治疗COVID-19或作为其预防剂，尤其是在感染晚期患者中是否仍具有病毒抑制作用。

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