水通道蛋白研究進展

蒲春霞

(成都大學醫護學院,四川成都 610017)

水通道蛋白研究進展

蒲春霞

(成都大學醫護學院,四川成都 610017)

水通道蛋白廣泛存在于生物體中的各組織部位,影響著生物機體水代謝的過程,隨著分子生物學技術的進步,對水通道蛋白的基礎研究已經比較深入和成熟.對水通道蛋白的研究情況進行概要綜述,目的在于利用水通道蛋白研究的基礎成果,闡釋臨床水代謝障礙類疾病的發病機理及提供可能的解決思路.

水通道蛋白;水代謝;研究進展

0 引 言

水通道蛋白(aquaporin,AQPs),最初由Agre等于1988年偶然在紅細胞膜上發現,稱為形成通道的整合膜蛋白28(CHIP),1991年,研究人員完成其cDNA克隆并進一步確定其為細胞膜上轉運水的特異性通道蛋白,并稱CHIP 28為AQP1.此后,又陸續從哺乳動物組織中鑒定出 9種水通道蛋白(AQP2～AQP10).目前,人們所發現的水通道蛋白均屬晶體纖維中的主要內源性蛋白(major intrinsic protein, MIP)家族,后經證明MIP亦有弱的水通道活性,被命名為AQP0.這些相繼發現的專一性運輸水的通道蛋白被統稱為AQPs[1,2].

1 水通道蛋白的結構與分布

水通道蛋白分子的一級結構由2個分別位于肽鏈兩側的重復部分構成,各自擁有天冬酰胺—脯氨酸—丙氨酸(Asn-Pro-Ala,NPA)特征性序列,呈180°中心對稱排列.每個分子包括6個跨膜區域和5個環(A、B、C、D、E),其中：B、D環及羧基、氨基末端均在胞內,A、C、E環定位于質膜外側.B、E環顯著疏水,E、B環的任何變異都會引起水通道活性的下降; A環有N-連接糖基化位點;E環NPA序列前的半胱氨酸是水通道蛋白的汞抑制部位[3].

水通道的立體結構資料主要來源于AQP1的分子結構研究.AQP1在質膜中形成4聚體.在4個單體的中空部分含有獨立的孔道,每一個孔道的大小約為一個單水分子,直徑318A.孔道中間部位的正電荷阻止帶電荷的質子和其他離子通過[3,4].

水通道蛋白普遍存在于微生物、植物及動物界.例如,在嚙齒類動物體內陸續發現的多種水通道蛋白具體分布如下：AQP0分布于眼睛的晶狀體,AQP1分布于血管、腎近曲小管、眼睛和耳朵,AQP2分布于腎臟,AQP3分布于腎臟、呼吸、消化器官;AQP4分布于腦星形膠質細胞、眼、耳、骨骼肌、胃壁細胞和腎集合小管,AQP5分布于分泌性腺體,如唾液腺、淚腺、汗腺等,AQP6分布于腎集合小管細胞內小泡上, AQP7主要分布于睪丸,AQP8分布于腎臟,睪丸和肝臟,AQP9分布于肝臟和白細胞,AQP10分布于腸腔內.研究還發現,人類的胰腺組織有大量的AQP1和AQP5表達[5,6].

2 水通道蛋白的作用

根據AQPs的滲透特異性可將AQPs的作用分為2類：第一類只對水有滲透性,包括AQP0、AQP1、AQP2、AQP4、AQP5、AQP6、AQP8;第二類除轉運水之外,還對其他小分子溶質有滲透性,尤其是甘油,其包括AQP3、AQP7、AQP9、AQP10.

按照AQPs在各組織系統中所發揮的作用,水通道蛋白可具體歸納如下：

2.1 泌尿系統

對AQP1～AQP4轉基因小鼠體液代謝的研究結果揭示了AQP在整體腎功能的生理學作用.缺失AQP1的小鼠多表現中度多尿,尿滲透壓明顯降低,而同時缺乏AQP1和AQP3的小鼠則呈現嚴重多尿. AQP4的基因敲除則較輕地影響小鼠尿濃縮能力.AQP1分布在近曲小管的頂膜和基底膜,在近曲小管的液體重吸收過程中起重要作用.AQP1缺失將導致髓袢降支細段的水通透性降低10倍,此也表明AQP1是該段的主要水通道.AQP2、AQP3和AQP4共同參與集合管尿濃縮過程.AQP3和AQP4表達在集合管上皮細胞的基底外側膜.AQP3主要分布在皮質和外髓集合管,而AQP4在內髓集合管.基因敲除小鼠實驗結果表明,在尿濃縮能力方面,AQP3比AQP4起更重要的作用.AQP4缺失只表現最大尿濃縮能力的輕微降低.這個實驗結果支持水主要在集合管的皮質和外髓段被重吸收的理論.此外,AQP2突變可引起人遺傳性腎性尿崩癥[7-9,15].

2.2 神經系統

相關研究表明,AQP1～AQP5、AQP8、AQP9在嚙齒類動物腦中均有表達.AQP1是在脈絡叢上皮細胞發現的,是脈絡叢上的主要水轉運蛋白,與腦脊液的形成和流動有關.AQP4主要在神經膠質細胞膜、內層室管膜、小腦、海馬、齒狀回、室上核和視旁核表達.Tsukaguchi等在星形膠質細胞中發現AQP9的mRNA表達,Badaut等于2001年在小鼠腦中發現AQP9蛋白表達,另外,在白質區域發現了AQP4和AQP9表達.AQP9協助AQP4促進水在腦脊液與腦組織之間的流動.T omas等發現注射脂多糖(LPS)可使小神經膠質細胞充分表達AQP4蛋白和AQP4 mRNA,提示血腦屏障的破壞、腦水腫與AQP4表達密切相關[9-10].Nicchia等通過改變細胞外的滲透壓來研究體外培養的星形膠質細胞容積的改變,結果發現細胞容積的改變與AQP4蛋白有關[11,12,14,20].在成年老鼠脊髓內AQP4主要位于灰質的神經膠質細胞和脊髓白質星形膠質細胞的血管周足上,AQP9主要位于白質內神經膠質纖維酸性蛋白反應性的星形膠質細胞,AQP8主要位于室管膜內層.這些蛋白與脊髓內水的正常流動密切相關[12,13].

2.3 消化系統

相關研究證明,消化系統的多個器官與水代謝密切相關.唾液腺表達多個水通道蛋白,例如AQP1在血管內皮,AQP4在導管上皮,而AQP5則在腺泡細胞頂膜.AQP5敲除小鼠的唾液分泌量明顯減少,唾液的鹽濃度增高,但AQP1和AQP4敲除小鼠未見明顯異常[15],此表明,AQP5在腺體分泌功能方面起主要作用.AQP4雖然在分泌胃酸的胃壁細胞表達,但AQP4敲除并不影響胃酸的分泌.AQP1表達在脂肪消化吸收相關的胃腸道多個部位,包括肝細胞、胰腺血管內皮、小腸乳糜管和膽囊[11,12].

2.4 呼吸系統

哺乳動物的肺組織至少包括種3種AQP水通道蛋白,AQP1位于直徑0.3 mm的微血管內皮細胞上,AQP4位于氣道上皮細胞,AQP5位于肺泡上皮細胞.最新研究發現,AQP3不僅存在于主氣道,而且也分布于細支氣管內,與肺水腫密切相關[6,17].

2.5 其他系統

AQP1在腹膜的毛細血管內皮細胞表達,AQP1敲除導致腹腔液體吸收速度降低215倍,提示AQP1在腹膜透析過程中起重要作用.肌肉組織表達高水平的AQP4,但AQP4缺失并不引起肌肉的功能改變.AQP1存在于眼非色素睫狀上皮和小梁網內皮. AQP1敲除明顯降低眼球內壓.由于表達部位不同, AQP1缺失引起角膜厚度變薄,但AQP5缺失卻增加角膜厚度.皮膚中存在的AQP3對維持皮膚的彈性和濕度有重要作用,甘油則可改正由AQP3缺失造成的皮膚彈性和濕度降低[13,14].

2.6 其他功能

相關研究證實,AQP4參與鉀離子的緩沖,與聽覺功能相關.AQP0突變可引起白內障功能變化[15,16].

3 水通道蛋白的調節

AQPs的調節機制可以大致分為3種：第一種是通過調節AQP的活性來調節其功能.AQP1、AQP2、AQP4、AQP5都含有蛋白激酶 A(protein kinase A, PK A)和蛋白激酶C(PKC)磷酸化的同源序列,這些水通道受磷酸化作用直接調節.研究表明,磷酸化和AQP的運輸、門控以及重新分布有關.AQP1、AQP2、AQP4、AQP5的磷酸化作用提示體內可能存在短時快速調節膜水通道的生理機制.第二種是至少有3種哺乳動物的水通道蛋白直接為pH值所調節.第三種是通過改變膜上AQP的含量來調節跨膜水流動,例如AQP1、AQP2、AQP5、AQP8在某些物質的作用下可進行重新分布,這種調節方式主要通過胞吐及內吞作用使水通道蛋白在胞內貯存囊泡與質膜之間不斷地循環,從而調節膜對水的通透性[4,9,10,19,20].

4 結 語

AQPs發現至今已超過10年,研究人員利用分子生物學和生理學研究手段對AQPs的結構與功能有了相當深刻的了解.隨著人們對AQPs研究的不斷深入,將不僅為有機體水轉運的生理現象提供分子解釋,而且還將促進人類對某些因水平衡紊亂而引起的疾病的發病機理的進一步認識,從而為對其的有效治療提供理論依據.

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Research Progress on Aquaporin

PU Chunxia

(School of Medicine and Nursing,Chengdu University,Chengdu 610106,China)

Aquaporins widely exist in every tissue compartment of organism which influences the process of water metabolismof organism.With the advancement of biologic technologies,basic researches on aquaporin have been further deepened and become mature.Recent researches on aquaporin were summarized in order to utilize these research achievements to explain pathogenesis of diseases when disturbance of water metabolism appear and to propose resolving ways.

aquaporins;water metabolism;research progress

R329

：A

1004-5422(2010)02-0104-03

2009-11-25.

蒲春霞(1974—),女,博士,講師,從事中藥理論與應用研究.