新型冠状病毒受体基因表达情况ACE2在各种各样的人体组织中

背景

自2019年12月发现严重急性呼吸综合征冠状病毒2 (SARS-CoV-2)以来，截至2020年4月16日，全球已感染超过218万人，造成超过15万人死亡。SARS-CoV-2是导致2019冠状病毒病(COVID-19)的病毒，它利用血管紧张素转换酶2 (ACE2)作为细胞受体入侵人类细胞。因此，ACE2是了解SARS-CoV-2感染机制的关键。本研究旨在研究ACE2在人体各组织中的表达，为进一步了解SARS-CoV-2感染机制提供依据。

方法

我们比较ACE2在31个正常人体组织中，男性和女性之间，年轻人(年龄≤49岁)和老年人(年龄> ~ 49岁)之间的表达水平t测试。我们还调查了ACE2Pearson相关检验在不同组织中的表达和免疫特征。

结果

ACE2在小肠、睾丸、肾脏、心脏、甲状腺和脂肪组织中表达量最高，在血液、脾脏、骨髓、大脑、血管和肌肉中表达量最低。ACE2在肺、结肠、肝脏、膀胱和肾上腺中均有中度表达。ACE2在任何组织中，男性和女性之间或年轻人和老年人之间没有差异表达。在皮肤、消化系统、大脑和血管中，ACE2在男性和女性中，表达水平与免疫特征呈正相关。在甲状腺和肺部，ACE2在男性和女性中，表达水平分别与免疫信号正相关和负相关，在肺部，它们在老年人和年轻人中分别具有正相关和负相关。

结论

我们的数据表明，SARS-CoV-2可能感染肺部以外的其他组织，并同样感染不同性别、年龄和种族的人。宿主对SARS-CoV-2感染的不同免疫反应可能部分解释了感染这种病毒的男性和女性、年轻人和老年人疾病严重程度明显不同的原因。这项研究为ACE2在SARS-CoV-2大流行中的作用提供了新的见解。

严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(SARS-CoV-2)疫情正在全球迅速蔓延，并已引发全球卫生紧急事件[1］．新型冠状病毒感染者主要表现为发热、咳嗽、气短、咳痰、肌痛或疲劳等肺炎相关症状[2，3.]，表明SARS-CoV-2主要感染呼吸道，引起急性呼吸道疾病。然而，SARS-CoV-2感染可能会导致与其他组织相关的疾病症状，如消化系统(腹泻、食欲不振、恶心和呕吐)、神经系统(精神错乱和头痛)和心血管系统(手掌痛、胸痛和心脏损伤)[2，3.］．此外，一些研究表明，SARS-CoV-2可通过呼吸道以外的途径进行人际传播[4］．一项对99名感染SARS-CoV-2患者的研究表明，女性比男性更不易感染，患有合并症的老年男性更容易感染SARS-CoV-2 [3.］．如sars相关冠状病毒(SARS-CoV) [5]， SARS-CoV-2使用血管紧张素转换酶2 (ACE2)作为宿主细胞受体[6，7，8］．最近的一项研究揭示了这一点ACE2-表达的肺细胞在亚洲男性中更为丰富[9]，这可能解释了男性对SARS-CoV-2感染的易感性升高。然而，由于分析的样本数量较少，该研究的结果并不足够令人信服。

在本研究中，我们分析了ACE2使用基因型-组织表达(GTEx)项目的数据集在各种正常人体组织中[10]和“癌症基因组图谱”计划(https://portal.gdc.cancer.gov/)．我们比较王牌2表达水平在31个人体组织中，在男性和女性之间，在这些个体组织中，在年轻人和老年人之间。进一步分析了两者之间的相关性ACE2在个体组织中的表达水平和免疫信号富集水平。

数据集

我们从UCSC Xena项目下载了31个人类正常组织的GTEx RNA-Seq基因表达谱数据集(RSEM归一化)(https://xenabrowser.net/datapages/)．我们从基因组数据共享数据门户网站下载了12个人类正常组织的TCGA RNA-Seq基因表达分析数据集(RSEM归一化)https://portal.gdc.cancer.gov/)．所有基因表达值相加为0.001，然后进行log2转换后进行分析。

组织中免疫信号富集水平的评估

我们将免疫信号在组织中的富集水平定义为该免疫信号的标记基因在组织中的平均表达水平。我们分析了四种免疫特征，包括CD8+ T细胞、干扰素反应、B细胞和自然杀伤细胞。包括CD8+ T细胞标记基因张，CD247，CD28，CD3D，CD3E，CD3G，CD8A，ICAM1，ITGAL，ITGB2，PTPRC,THY1［11］．包括干扰素反应标记基因IFIT1，IFIT2，IFIT3，IRF7，ISG20，mx₁，(，RSAD2，TNFSF10，GPR146，SELP,AHR［12］．包括B细胞标记基因BACH2，BANK1，黑色，BTLA，CD79A，CD79B，FCRL1，FCRL3，HVCN1,RALGPS2［12］．包括NK细胞标记基因KLRC1而且KLRF1［12］．

统计分析

我们使用Pearson相关检验来计算之间的相关性ACE2在个体组织中的表达水平和免疫信号富集水平。我们用的是学生的t测试(双面)以进行比较ACE2男性与女性之间、年轻人(年龄≤49岁)与老年人(年龄> 49岁)之间、亚洲人与非亚洲人个体组织之间的表达水平。的调整PBenjamini和Hochberg方法估算值[13]用于调整多个测试。

ACE2在各种人体组织中的表达

在31个GTEx人体组织中，小肠、睾丸、肾脏、心脏、甲状腺和脂肪组织的含量最高ACE2而血液、脾脏、骨髓、脑、血管和肌肉的表达水平最低ACE2表达水平(图;1a).在肺、结肠、肝脏、膀胱和肾上腺中，ACE2中等表达水平(图;1a).这些结果表明ACE2除肺外，还在多种人体组织中表达。

此外，Human Protein Atlas (HPA)数据库(http://www.proteinatlas.org/)显示ACE2蛋白在十二指肠、小肠、胆囊、肾脏、睾丸、精囊、结肠、直肠和肾上腺中均有较高的表达量。HPA数据库还显示，胃肠道(十二指肠、小肠、结肠和直肠)、肾脏、胆囊和男性组织(睾丸和精囊)均有高水平的ACE2基因和蛋白表达。

综上所述，这些数据表明:i) SARS-CoV-2除肺部外，还可能感染其他人体组织;ii)男性可能比女性更容易感染SARS-CoV-2。

我们进一步比较ACE2使用GTEx数据集分析了22个个体人体组织中男性和女性之间的表达水平，并使用调整阈值在任何组织中发现男性和女性之间没有统计学上的显著差异P值< 0.05，折叠变化> 1.5(图;1b).我们也进行了比较ACE2年轻人群(年龄≤49岁)和老年人群(年龄> 49岁)之间的表达水平，在调整阈值后的任何组织中，组间没有观察到统计学上的显著差异P值< 0.05，折叠变化> 1.5(图;1b).同样，在TCGA数据集中，ACE2在任何组织中，在男性和女性之间或在年轻和年长组之间没有差异表达(图2)。1c)，与GTEx的结果一致。在TCGA中，我们也进行了比较ACE2在五个正常组织(胃、甲状腺、乳房、肝脏和胰腺)中，亚洲和非亚洲种族之间的表达水平，在任何组织中都没有发现显着差异(图。1c)。

协会ACE2带有免疫信号的表达

我们分析了两者之间的相关性ACE2在各种男性和女性人体组织中表达水平和免疫信号富集水平(CD8+ T细胞，干扰素反应，B细胞和NK细胞)。在皮肤、消化系统(食管、胃、结肠和胰腺)、大脑和血管中，我们观察到显著的正相关ACE2表达水平和CD8+ T细胞富集水平在男性和女性(Pearson相关检验，调整P< 0.05, 0.27≤r≤0.78)(图2a).此外，在甲状腺、肺、肾上腺、肝脏和肾脏中，ACE2在男性中，CD8+ T细胞表达水平与CD8+ T细胞富集水平呈显著正相关(0.20 <r< 0.68)。然而，在甲状腺和肺部，ACE2表达水平与女性CD8+ T细胞富集水平呈负相关(r= -0.36)。在心里，ACE2CD8+ T细胞在男性中的表达水平与CD8+ T细胞富集水平呈正相关(r= -0.23)和女性(r= 0.32)。同样，干扰素反应特征与ACE2在男性和女性的皮肤、消化系统(食管、胃、肝脏和胰腺)、大脑和血管中的表达水平(0.14≤r≤0.75)(图2a).在甲状腺、肺、肾、肾上腺、结肠和膀胱，ACE2仅在男性中，表达水平与干扰素反应特征显著正相关(0.32≤r≤0.82)。相反，在甲状腺、肺和结肠中，ACE2在女性中，表达水平与干扰素反应特征呈负相关(-0.26 <r< -0.20)。在心里，ACE2在男性中，干扰素表达水平与干扰素反应特征呈负相关和正相关(r= -0.18)和女性(r= 0.54)。在B细胞和NK细胞中观察到类似的结果。2a).总的来说，这些结果表明了的关联的共性和区别ACE2男性和女性之间免疫特征的表达。

我们进一步分析了之间的相关性ACE2年轻人和老年人的表达和免疫特征。在大多数个体组织中，它们之间的相关性ACE2表达水平和免疫信号富集水平在年轻和老年人群中表现出一致的趋势。然而，在肺中，它们在老年组和年轻组分别有正相关和负相关(图。2b).这些结果再次表明，年轻人和老年人对冠状病毒感染的宿主免疫反应存在潜在差异。

我们分析了的表达式ACE2该基因编码SARS-CoV-2和SARS-CoV的人类宿主细胞受体，在31个正常人体组织中发现。据我们所知，这是第一个调查研究ACE2在各种各样的人体组织中表达。我们发现，虽然肺部炎症是SARS-CoV-2感染患者的主要症状，但肺部有中度表达ACE2在所有组织中。这表明，除肺外，SARS-CoV-2还可能影响其他组织，包括男性组织(睾丸和精囊)。这一迹象已被最近的出版物所证实[2，3.，4］．例如，Holshue等人发现感染SARS-CoV-2患者的粪便呈阳性，这表明该病毒可能感染胃肠道[5］．Huang等报道了5例SARS-CoV-2感染患者的病毒相关心脏损伤[2］．一项对99例sars - cov -2相关肺炎病例的研究显示，男性对这种病毒感染的易感性增加[3.］．事实上，许多SARS-CoV-2病例报告了肺炎以外的症状，包括腹泻、恶心、呕吐、意识模糊、头痛和心脏损伤[2，3.，4］．此外，感染SARS-CoV-2患者的主要症状可能是由于呼吸道是病毒最容易传播的途径。

我们发现ACE2在男性和女性之间，在年轻人和老年人之间，在亚洲人和非亚洲人之间，表达水平没有显著差异。这表明新冠病毒和新冠病毒的感染风险可能与性别、年龄和种族没有显著相关性。事实上，就像SARS-CoV [14]， SARS-CoV-2对男性和女性的影响相同，对年轻人和老年人的感染也相同[15］．然而，SARS-CoV-2和SARS-CoV感染的死亡风险似乎与性别和年龄显著相关，男性的风险高于女性，老年人的风险高于年轻人[3.，14，16］．

适应性和先天免疫反应在抵抗入侵的冠状病毒中发挥着重要作用，尽管它们可能会诱导细胞因子风暴，而细胞因子风暴是冠状病毒感染患者免疫病理损伤的原因[17］．有趣的是，虽然肺部炎症(肺炎)是冠状病毒引起的最常见疾病，但肺部ACE2受体表达与免疫信号之间的相关性在男性和女性以及年轻人和老年人之间有所不同。这表明男性和女性、年轻人和老年人对冠状病毒感染的宿主免疫反应可能不同，部分解释了为什么男性和女性、年轻人和老年人对冠状病毒感染的临床结果明显不同[3.，18］．此外，研究表明，高表达ACE2的肺细胞更容易被SARS-CoV感染[19］．我们发现之间的相关性ACE2在女性和年轻人的肺组织中表达和免疫标记为阴性，但在男性和老年人的肺组织中表达和免疫标记为阳性。总的来说，这意味着:i)如果高表达ACE2的女性或年轻人的肺部被SARS-CoV-2感染，他们的免疫特征将较弱;ii)如果高表达ACE2的男性或老年人的肺部被SARS-CoV-2感染，他们的免疫特征将较强。这表明过度的免疫反应(细胞因子风暴或免疫病理损伤)更有可能发生在患有SARS-CoV或SARS-CoV-2感染的男性和老年人身上。

这为我们下一步在蛋白水平上研究ACE2的表达提供了一定的基础。为了了解SARS-CoV2与ACE2相互作用的潜在机制，我们将探讨SARS-CoV2在不同组织中的富集和活性以及ACE2的不同表达水平。我们将试图阐明SARS-CoV-2在不同组织位的存活、死亡、转移和转化，并探索病毒在流行期间和之后在人体内的失活。此外，我们的试验数据表明，吸烟或吸入尼古丁会抑制ACE2/AT2R在包括大脑、心脏和肺部在内的多个组织中的表达，从而破坏肾素-血管紧张素系统内的平衡。

我们的研究有几个局限性。首先，生物信息学分析的结果需要进一步的实验和临床数据来验证。特别是，由于一些因素(如翻译后修饰)可能会影响从mRNA水平到蛋白质水平的映射，因此ACE-2的mRNA表达模式不一定与其蛋白质表达模式相同，因此在蛋白质水平上验证我们基于mRNA的发现非常重要，值得进一步研究。其次，组织mRNA的表达并没有捕获单个细胞类型中的mRNA表达，这对于精确理解病毒-宿主相互作用是重要的。对单细胞RNA-Seq数据的分析可能会解决这个问题。然而，由于缺乏跨越如此广泛的人类组织的单细胞RNA-Seq数据，进行这样的分析是不现实的。第三，比较ACE2TCGA数据集中亚洲和非亚洲种族之间的表达水平是在少量样本中进行的，因此相关结果需要在更大的人群中验证。最后，我们的数据无法解释SARS-CoV-2和SARS-CoV之间的流行差异，因为SARS-CoV-2的毒性较低，但传染性比SARS-CoV强。对两种冠状病毒的基因组结构和蛋白质结构进行深入分析，将有助于探索新型冠状病毒和新型冠状病毒流行差异的机制。

ACE2除在肺部外，还在多种人体组织中表达，说明新冠病毒可能感染肺部以外的其他组织。ACE2在人体各组织中，男性与女性、年轻人与老年人、亚洲人与非亚洲人的表达水平无显著差异，表明不同性别、年龄和种族的人都可能感染新冠病毒。两者之间的相关性ACE2男性和女性、年轻人和老年人肺部的表达和免疫特征存在差异，这表明宿主对新冠病毒感染的不同免疫反应可能部分解释了为什么男性和女性、年轻人和老年人感染新冠病毒的疾病严重程度明显不同。这项研究为ACE2在SARS-CoV-2大流行中的作用提供了新的见解，并为了解症状、性别、年龄和种族与SARS-CoV-2感染的关系提供了新的见解。

人类正常组织的GTEx和TCGA基因表达谱数据集从UCSC Xena项目下载(https://xenabrowser.net/datapages/)和基因组数据共享数据门户网站(https://portal.gdc.cancer.gov/),分别。

SARS-CoV-2:

严重急性呼吸综合征冠状病毒2

ACE2:

血管紧张素转换酶2

GTEx:

Genotype-tissue表达式

TCGA:

癌症基因组图谱

HPA:

人类蛋白质图谱

NK:

自然杀伤细胞

感谢LetPub (www.letpub.com)，以便在准备这篇手稿时提供语言上的帮助。

本研究得到中国药科大学(资助号:3150120001 to XW)的支持。

作者及隶属关系

1. 中国药科大学基础医学与临床药学学院生物医学信息研究实验室，南京211198

   李梦元，李林，王晓生

2. 中国药科大学大数据研究所，江苏南京211198

   李梦元，李林，王晓生

3. 深圳大学平湖医院，深圳440307

   张曰

4. 深圳市福田区风湿病医院，518000

   张曰

5. 哈尔滨医科大学第一临床学院风湿免疫科，哈尔滨，150001

   张曰

贡献

ML进行数据分析并编辑手稿。LL进行数据分析。YZ进行数据分析并编辑稿件。XW构思了研究，设计了研究方法，并撰写了手稿。所有作者都阅读并批准了最终的手稿。

相应的作者

对应到Xiao-Sheng王．

伦理批准并同意参与

由于我们在本研究中只使用了公开的数据和材料，因此放弃了伦理批准。

发表同意书

不适用。

相互竞争的利益

作者宣称他们之间没有利益冲突。

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