《细胞》：新冠病毒或能“劫持”免疫功能攻击人体 最易受攻击细胞类型确定

在2019年末出现的新冠病毒，具有极强的传染力，在短短几个月的时间内席卷全球，已经造成超过数百万人确诊、数十万人死亡。

我们知道，这个数字肯定不是全部，因为存在许多人长时间甚至整个患病期间不表现出症状的情况，也无从诊断。

比起引发其他传染病的病毒，新冠病毒最诡异的一点是，即便无症状感染者，也会传播病毒。这点给防疫工作带来了巨大的困难，而许多按照过往认知对待这一病毒的国家，也付出了惨痛的代价。

到底是什么原因和机制，让新冠病毒成为对人类如此严重的威胁?

由波士顿儿童医院和麻省理工学院科学家联合完成的一项新研究，精确地指出了病毒可能感染的细胞类型。而在另一方面，研究得出人意料的结果——人体对病毒感染的主要防御手段之一，实际上可能加剧了病毒感染。

这篇题为SARS-CoV-2 receptor ACE2 is an interferon-stimulated gene in human airwayepithelial cells and is detected in specific cell subsets across tissues(SARS-CoV-2受体ACE2是人气道上皮细胞中受干扰素刺激的基因，可在组织中的特定细胞亚群中检测到)为题发表在4月21日的《细胞》杂志上。

研究团队包括来自波士顿儿童医院、麻省理工学院、哈佛大学等多个机构的科学家，第一作者为麻省理工学院的Alex K. Shalek和波士顿儿童医院的Jose Ordovas-Montanes。

根据目前的研究成果，已经确定新冠病毒(SARS-CoV-2)感染至少和人体内2种物质有关——血管紧张素转换酶2 (ACE2)和II型跨膜丝氨酸蛋白酶TMPRSS2。前者是病毒在细胞上的受体，后者则会激活SARS-CoV-2上用来和细胞受体结合的spike蛋白(S蛋白)。

科学家已经了解到，在组织层面，SARS-CoV-2主要攻击人的呼吸道上皮细胞。不过，每个组织中表达ACE2的特异性细胞亚群，目前仍然处于未知状态。

识别SARS-CoV-2靶向(ACE2+)的细胞亚群，以及同时和以上2种物质有关的细胞亚群(ACE2+/TMPRSS2+)，对于理解和调节宿主防御机制和病毒发病机制至关重要。

另外，研究还关注人体内一种叫做干扰素(IFN)的物质。

IFN通过干扰病毒复制并激活免疫细胞来帮助抵抗感染。对小鼠、非人类灵长类动物和人类的研究显示，用IFN诱导干扰素刺激基因ISG，是防御病毒的重要环节。

但是，以往的大多数研究只评估了IFN在细胞系中的影响，但细胞系的范围太广，对于不同病毒在人体中主要靶细胞的ISG及其机制无法判别。

在之前的试验中，在没有对照组的情况下，使用经批准的IFN对SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2进行临床治疗的效果不一，有的症状迅速改善，有的则恶化了。

因此，阐明组织和细胞类型特异性ISG及其活性对于理解IFN在人SARS-CoV-2感染期间宿主防御中的作用至关重要。

研究对过往大量单细胞RNA测序结果进行了研究，集中关注ACE2和TMPRSS2研究丰富的特定数据集，并且在不同数据集之间作相对比较，分析和讨论了上述问题。

SARS-CoV-2在非人类灵长类动物和人类肺上皮细胞中表达的宿主因子

在对非人灵长类动物细胞进行Seq-Well v1分析后发现，ACE2和TMPRSS2主要在上皮细胞中表达，其中6.7%的II型肺细胞表达ACE2, 3.8%的同时表达ACE2和TMPRSS2(图1B-C)。。

随后，将普通ACE2+细胞与ACE2- II型肺细胞进行比较，以将SARS-CoV-2的潜在靶细胞与相似细胞区分开来。一个值得注意的结果是，在基因表达水平显著上升的ACE2+ II型肺细胞中中，存在II型IFN的受体IFNGR2。

进一步分析证明，在灵长类动物中，ACE2+细胞在一小部分分泌细胞中富集，且ACE2的表达与参与IFN反应的基因有着共同调控因素。

随后，进一步对新冠肺炎患者纤维化肺组织细胞进行单细胞RNA测序的结果表明，在人类体内，ACE2和TMPRSS2主要在II型肺细胞和纤毛细胞中表达，0.8%的II型肺细胞、5.3%的纤毛细胞同时表达2种基因。

之后，根据对ACE2+/TMPRSS2+ II型肺细胞与所有其他II型肺细胞间差异表达基因的计算结果，ACE2+/TMPRSS2+细胞中出现了显著的BATF富集。而在此前的研究中，这一现象主要是I型和II型IFN所致。

研究还观察到TRIM28与ACE2和TMPRSS2在II型肺细胞中共表达，这可能增强了IFN在肺上皮细胞中的反应。

值得注意的是，在一组细胞捐献者中，有3人为HIV阳性并被诊断为活动性结核病，3人是活动性结核病而HIV阴性，还有2人是2种病原体阴性。令人惊讶的是，所有细胞类型的ACE2+细胞都来自于HIV+结核分枝杆菌(Mtb)+供体。

由于HIV感染与ISG的持续上调存在相关性，这一观察结果可能意味着IFN在长期ACE2诱导中起到了一定作用。

紧接着，根据部分未曾发表的单细胞RNA测序数据集，大部分ACE2+/TMPRSS2+细胞再次为II型肺细胞(22%)和I型肺细胞(9.7%)。ACE2+/TMPRSS2+ II型肺细胞表达的抗菌效应因子如LCN2明显升高。

此外，棒状细胞/分泌腺细胞、I型肺细胞或纤毛表型的细胞也含有一些ACE2+/TMPRSS2+细胞，但研究无法检测这些细胞与簇内的其他细胞之间的显著差异表达基因。

SARS-CoV-2在小肠回肠吸收性肠上皮细胞表达的宿主因子

除了肺部以外，早前对灵长类动物的基因测序数据显示，大部分ACE2+细胞位于小肠中的回肠、空肠，少量位于肝脏和结肠。

在回肠内，根据载脂蛋白a1、SI、FABP6和ENPEP等所定义的细胞内ACE2的特异性表达，通过概率比测试，将ACE2+细胞鉴定为吸收性肠上皮细胞。

所有其他上皮细胞亚型表达ACE2的程度均较低。

在小儿感染中，即使鼻咽癌检测结果呈阴性，也能检测到直肠拭子中的持久性病毒RNA。在而在13个人类儿童活检结果中，大量ACE2 +细胞在吸收性肠上皮细胞内选择性表达。其中一个细胞亚群(888个细胞，约占所有上皮细胞的6.5%)出现了ACE2和TMPRSS2基因的共表达。

同时，在比较健康和感染猿类HIV病毒(SHIV)的灵长类动物回肠吸收性肠上皮细胞后发现，SHIV感染动物的吸收性肠上皮细胞中IFN和ISG长期高水平表达，ACE2也显著增加。

SARS-CoV-2在上呼吸道表达的宿主因子

对于最常暴露在新冠病毒之下的2个组织——鼻腔和鼻窦组织，无论是健康亦或是患有慢性鼻窦炎的供体，其下鼻甲分泌上皮细胞中均显著富集了IFN主导的基因簇。同时，上皮细胞和纤毛细胞中ACE2表达显著增加。

通过更细粒度的聚类方法，研究观察到有1.3%的分泌细胞中表达ACE2。其中，一个30个细胞的细胞亚簇同时表达ACE2和TMPRSS2，其中包含一些MUC5AC杯状细胞。在进一步的研究中，显示出一致且特异的表达仅限于这部分杯状分泌细胞。

同时，在ACE2+/TMPRSS2+细胞中，出现了ADAR、GBP2、OAS1、JAK1和DUOX2显著上调，这可能是IFN信号。

I型干扰素IFNα驱动ACE2在主要人类鼻上皮细胞中表达

上述分析一致指向ACE2表达与典型ISG或IFN信号通路成分之间存在关联的结论，促使研究团队开始思考IFN是否能在调节特定靶细胞亚群ACE2表达水平方面发挥积极作用，比如可能通过ACE2引起组织保护性宿主反应，或这反过来加强SARS-CoV-2和ACE2的结合。

早前有研究显示，IFNγ和IL-4下调了Vero E6细胞(非洲绿猴肾上皮细胞)中SARS-CoV受体ACE2的表达，似乎推翻了假设。与之相关的是，用IFNα、IFNγ和IFNα+IFNγ体外刺激肺上皮细胞A549细胞24小时，并没有发现ACE2被识别为ISG。

不过在后续研究中，在研究设计的基因评分列表中以及一个补充扩展表中，ACE2表达在暴露于I型干扰素后上升。

研究培养人原代基底(干细胞和祖细胞)上皮细胞，以直接检测IFNα是否在原代人上呼吸道上皮细胞中诱导ACE2。

在将相关细胞融合，并用逐渐增加剂量(0.1至10 ng/mL)的IFNα2、IFNγ、IL-4、IL-13、IL-17A或IL-1β处理12小时后，整体RNA序列分析显示，只有IFNα2和IFNγ导致ACE2表达在试验期间的上升，而IFNα2效果更显著。

另一种干扰素IFNγ会诱导GBP5(一种被认为通过抑制furin介导的蛋白酶活性而发挥病毒限制因子作用的GTPase样蛋白)上升，这可能限制细胞对病毒的处理。

为了进一步扩展和证实这些发现，研究增加了原代小鼠气管基底细胞、常用的人类支气管细胞系BEAS-2B和来自两个人类供体的上气道基底细胞(图5A-D)。

在任何干扰素刺激条件下，ACE2在健康小鼠气管基底细胞中的表达均未被强烈诱导，BEAS2B细胞中ACE2表达上升的幅度比前述试验小，但达到统计学意义。而在健康鼻粘膜的原代基底细胞中，IFNα2刺激和较小程度的IFNγ刺激均可以显著ACE2表达。这些实验支持了典型IFN应答的诱导和ACE2位点的转录调控之间的关系。

根据后续使用公开数据恢复的21个横跨8个不同原发组织或细胞系的数据集，在I型或II型干扰素治疗的原发性皮肤和原发性支气管细胞中观察到ACE2的大量上调。

另外，免疫细胞类型，如CD4 T细胞和巨噬细胞，在IFN刺激后ACE2表达显著改变的数据集中明显缺失。由于大多数细胞都是上皮细胞，这一观察结果可能解释了为什么在免疫人群中定义典型ISG的分析没有将ACE2识别为诱导基因。

最后，根据体外感染甲型流感病毒24小时的人肺组织细胞测序结果，ACE2的表达与一种表明活性蛋白SFTPC的表达显著相关，这证明人上皮细胞中的ACE2会在上呼吸道病毒感染期间上升，而上呼吸道病毒感染会伴随着IFN反应的强烈诱导。

【结论】

回顾所提供的数据，研究发现：

1)SARS-CoV-2的细胞进入受体ACE2的表达主要局限于肺中的II型肺细胞、肠内的吸收性肠细胞和鼻粘膜的杯状分泌细胞;

2)ACE2和TMPRSS2在呼吸组织中的共表达始终只出现在少数上皮细胞亚群中;

3)试验观察到人类和灵长类动物中假设的SARS-CoV-2靶细胞存在一定相似性;

4)在灵长类动物感染SHIV和结核病期间，以及人类在HIV/TB合并感染和流感感染期间，ACE2的表达都有所增加。

总体而言，相较过往，这项研究更加精确地揭示了受到新冠病毒攻击的细胞类型，这一结果可能有助于其他研究人员研发新冠肺炎特效药，或对现有药物进行测试。

值得重视的是，IFN作为人体对病毒防御手段，实际上可能加剧了病毒感染。换言之，新冠病毒可能已经进化到能利用宿主细胞的天然防御能力，“劫持”一些蛋白质以供自己使用的程度。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：

[1]https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)30500-6