新型冠状病毒（Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2）的全球流行造成了严重的生命和经济损失。值得注意的是，SARS-CoV-2还在不断进化，造成免疫逃逸、复制加速、传播力上升，影响了包括疫苗接种在内的防控措施效果。但无论SARS-CoV-2如何进化，其入侵人体细胞的关键机制始终是通过结合细胞两个受体：血管紧张素转化酶2（angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）和丝氨酸蛋白酶2（transmembrane protease serine 2，TMPRSS2）。阐明这两种关键受体的调控机制仍然是促进新冠病毒防控和治疗措施的重要途径。多个流行病学的研究证据都发现，吸烟是新冠病毒感染和/或感染后重症化的危险因素，但是潜在的作用机制并不清楚。该研究发现，香烟烟雾中的苯并芘（benzo[a]pyrene，BaP）是调控ACE2和TMPRSS2的主要成分，通过孤核因子（nuclear receptor subfamily 4 group A member 2，NR4A2）促进两种新冠病毒受体的转录，从而帮助病毒入侵细胞。

证实香烟烟雾可以上调ACE2和TMPRSS2的表达，主要机制是通过促进上述两个分子的启动子活性。研究使用不同浓度的香烟烟雾提取物（cigarette smoke extract，CSE）刺激肺癌细胞系H1650和Calu3，发现ACE2和TMPRSS2的mRNA和蛋白质水平均显著上升（图1A、1B）。通过报告基因实验证明CSE刺激会显著上调ACE2和TMPRSS2的启动子活性（图1C），但是对增强子的作用并不稳定（图1D）。为验证体外实验结果，该研究下载了TCGA和GEO数据库中具有不同香烟暴露史的人群肺、肺癌、或支气管上皮细胞的表达谱数据库。分析结果显示，香烟暴露会上调ACE2和TMPRSS2在各类呼吸系统组织中的表达水平，而戒烟后上述两种分子的表达水平会下降。

研究进一步分析了CSE中起主要作用的成分。由于香烟烟雾的有害成分中一氧化碳不溶于水、焦油是混合物，该研究对尼古丁和苯并芘的作用进行了分析。结果显示，苯并芘刺激在启动子活性、mRNA和蛋白质等层面均重现了CSE对ACE2和TMPRSS2的上调作用（图2A-2D），而尼古丁则对两个关键分子没有显著上调作用，甚至对TMPRSS2的蛋白质水平还有下调作用（图2E-2H）。

为阐明苯并芘调控ACE2和TMPRSS2转录的关键机制，研究通过公共数据库分析，筛选了在香烟暴露人群中高表达、且与ACE2和TMPRSS2有正相关关系的转录因子。通过体外验证，确定NR4A2是苯并芘显著上调的转录因子（图3A）。敲低NR4A2可以降低两种新冠病毒受体的启动子活性、mRNA水平和蛋白质水平（图3B-3D），而且可以抵消苯并芘对两种受体启动子活性的增强作用（图3E）。通过ChIP实验证明，苯并芘促进了NR4A2结合ACE2与TMPRSS2的启动子序列（图3F）。

图1 香烟烟雾提取物（CSE）对ACE2和TMPRSS2表达水平的影响。

图2 苯并芘及尼古丁对ACE2和TMPRSS2表达水平的影响。

图3 苯并芘通过上调NR4A2促进ACE2和TMPSS2的表达

研究发现，NR4A2也是年龄、炎症因子等其他因素调控新冠受体的关键分子。利用TCGA的肺组织表达谱数据分析，结合不同年龄的小鼠组织检测，发现NR4A2、ACE2、TMPRSS2的水平随着年龄的增加而上升；NR4A2启动子区的CpG岛甲基化水平也随着年龄的增加而降低。此外干扰素λ2和干扰素λ3也可以同时抑制NR4A2、ACE2、TMPRSS2的水平。

图4. 苯并芘上调仓鼠肺组织和睾丸组织中的NR4A2及新冠病毒受体的水平，并且促进假病毒感染

图5. 苯并芘促进人体类器官模型和仓鼠模型中奥密克戎BA.5真病毒的感染

研究在不同水平验证了苯并芘暴露对于新冠病毒感染的促进作用。对仓鼠进行胸膜腔和阴囊下注射，给予慢性苯并芘刺激（2周），发现肺组织和睾丸组织中的NR4A2、ACE2、TMPRSS2的水平显著提升（图4A）。对仓鼠进行携带绿色荧光蛋白的假病毒感染，发现苯并芘显著促进SARS-CoV-2假病毒感染水平（图4B）。研究还利用肺类器官和仓鼠模型进行了奥密克戎BA.5的真病毒感染实验，进一步确认了这一效果（图5）。