水通道蛋白1與腫瘤

胡 科綜述 楊繼元審校

水通道蛋白家族是位于生物膜上具有快速水轉運及離子轉運功能的一族蛋白質。水通道蛋白1(Aquaporin-1,AQP1)是第一個被發現的水通道蛋白,研究發現其不僅能介導水及離子轉運,還對細胞內外氣體交換、腫瘤血管的生成及細胞遷移產生重要影響。本文就AQP1的研究進展作一綜述。

1 AQP1的生物學特征及調節機制

1.1 AQP1的生物學特征

20世紀80年代,研究者們在對紅細胞膜上的Rh抗原進行分離、純化時偶然發現了一個相對分子量為28k Da的膜蛋白,由于該蛋白的一些物理特性與跨膜通道蛋白相似,因此被暫時命名為類似通道的膜整合蛋白28(CHIP28)。1992年,Preston等[1]將體外合成的CHIP28 cRNA注入非洲爪蟾的卵母細胞,使其表達CHIP28蛋白,首次證明了CHIP28具有水通道功能。隨著越來越多CHIP28類似物的發現,水通道蛋白這一名稱即被作為水通道家族的總稱,而CHIP28則被AQP1所取代。

AQP1以四聚體形式存在于細胞膜上,其單體亞單位是由268個氨基酸組成的一個“沙漏型”結構,氨基末端和羧基末端均位于細胞質側,有6個跨膜螺旋結構以及連接這6個跨膜結構的5個環袢,包括位于細胞外的A、C、E袢及位于細胞內的B、D袢。在B袢和E袢上存在高度保守的天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸(NPA)串聯重復序列,兩個 NPA結構在細胞膜脂質雙層內并置,形成了“沙漏型”結構中的單水孔道,與一個水分子大小相當[2]。AQP1基因定位于人染色體7p14處,基因序列包括4個外顯子、3個內含子,研究發現AQP1基因在人類多種組織中均有表達,如腎近曲小管、毛細血管、纖毛、晶狀體、肝膽管、膽囊、脈絡叢等[3]。不僅如此,目前已發現多種不同類型的人腫瘤也有AQP1的表達,包括肺腺癌、膽管癌、神經膠質瘤、喉癌、血管瘤、腎癌等[4,5]。

1.2 AQP1的調節機制

目前對AQP1的調節機制知之甚少,已知的機制包括兩種:(1)通過調節AQP1的表達量對其功能進行控制。微陣列分析表明雌激素能夠上調AQP1基因表達,進而使血管內皮的通透性增加[6]。如King等[7]發現AQP1啟動子中存在糖皮質激素反應元件,能夠增加成年鼠和新生鼠肺中AQP1的表達,表明激素可對AQP1的表達進行調節;(2)通過環核苷酸或蛋白激酶C途徑進行調節。研究表明AQP1是環化鳥苷酸(cGMP)依賴的門控離子通道,環化腺苷酸(cAMP)也能夠間接作用于AQP1,增加細胞膜上水及陽離子的轉運[8,9]。而Zhang等[10]則發現蛋白激酶 C能夠使AQP1上的第157位和第239位絲氨酸發生磷酸化,進而使通道開放,從而調節AQP1介導的水及離子的細胞內外傳導,并且這一途徑是獨立于環核苷酸途徑的AQP1活化途徑。

2 AQP1與腫瘤血管生成

腫瘤血管對于實體瘤的生長具有重要意義,Folkman[11]曾提出如果通過抑制腫瘤血管生長來阻斷腫瘤的血供,使其得不到營養及氧氣供應,則可抑制腫瘤生長。腫瘤新生血管的形成主要包括三個步驟:(1)基質降解;(2)內皮細胞增殖、遷移、分化;(3)血管周細胞、平滑肌細胞整合。其中任何一個步驟被干擾,即會影響血管生成。

AQP1在人類和鼠類的腫瘤微血管及雞胚尿囊膜上均有較高表達。Pan等[12]的研究表明在子宮內膜癌中,AQP1與腫瘤內的微血管密度成正相關,而且AQP1/微血管密度比值與血管內皮生長因子(VEGF)的表達也成正相關。Yang等[13,14]的研究也顯示卵巢上皮癌中AQP1及AQP5的表達與腫瘤微血管密度、腹水形成成正比;Kaneko等[15]將人視網膜血管內皮細胞培養于乏氧環境中,發現AQP1 mRNA及蛋白表達水平均顯著增加,抑制VEGF信號并不影響AQP1的表達,而同時抑制VEGF信號及干擾AQP1表達能顯著抑制腫瘤血管生長。Saadoun等[16]將AQP1基因敲除的黑色素瘤細胞行小鼠皮下種植,并與未行干預的移植瘤進行比較,發現AQP1基因敲除小鼠移植瘤內的血管生成被顯著抑制,并且腫瘤體積和生長速度與對照組相比也明顯減慢,因而認為AQP1能夠促進腫瘤的血管生成和腫瘤生長。除此之外,他們還將AQP1基因敲除小鼠的主動脈內皮細胞與正常小鼠主動脈內皮細胞進行培養比較,發現AQP1基因敲除的小鼠主動脈內皮細胞的遷移能力明顯下降,而在細胞形態、生長速度、黏附力方面二者并無明顯差別。目前有兩種機制解釋AQP1對細胞遷移的作用:(1)AQP1能夠促進跨膜水轉運,使細胞體積和形狀發生改變,以利于其在細胞外空間的遷移;(2)肌動蛋白解聚以及遷移細胞頂端的離子流入(Na+/H+交換)使細胞頂端滲透壓升高,由于AQP1聚集于細胞頂端,水流在滲透壓作用下快速進入細胞頂端胞漿內,造成頂端細胞膜伸展,形成偽足,其余部位細胞膜發生皺縮,此時肌動蛋白重新聚合于此,以維持偽足形態穩定和細胞移動[17]。由此推測,AQP1可能通過血管內皮細胞遷移而促進腫瘤血管新生。

AQP1對于腫瘤血管新生具有特異性。無論對于胚胎生長還是腫瘤生長,血管新生均至關重要,然而Saadoun等[16]的實驗發現,AQP1基因敲除小鼠的胚胎發育和血管生成并未受到明顯影響,相比之下,AQP1基因敲除的腫瘤其血管生成卻受到顯著抑制,說明AQP1在病理條件下可促進腫瘤血管網與微環境的異常變化。有研究者認為這種作用與腫瘤血管的高通透性及間質高壓有關[18]。由于腫瘤血管的高通透性導致細胞間質內流體靜壓以及膠體滲透壓升高,使血管內外壓力基本平衡,跨血管壁的液體對流隨之減少,進而阻礙治療藥物通過壓力方式向瘤內傳遞,使一些化療藥物的治療效果下降。不僅如此,腫瘤血管的高通透性使血漿蛋白外滲,為遷移中的內皮細胞建立起暫時性支架,使其能夠順利進入其后的血管生成步驟。

3 AQP1對氣體交換和放療的作用

3.1 AQP1與細胞內外氣體交換

Nakhoul等[19]將AQP1 cRNA注入爪蟾卵母細胞使其細胞膜上能夠表達AQP1,發現表達AQP1的卵母細胞轉運CO2比對照組快了40%。但AQP1在哺乳動物細胞是否也有這種作用尚無定論。在小鼠,AQP1的缺失并不影響紅細胞或者肺對CO2的通透性[20]。但是,AQP1缺失的人紅細胞,對CO2的通透性比正常紅細胞減少了60%[21]。

傳統觀點認為O2是通過自由擴散方式通過細胞膜的,但是近年來有研究表明細胞膜脂質雙層對O2的通透性比之前預想的低了幾個數量級,因此有研究者提出在細胞質膜上存在一種O2通道,以滿足細胞在高氧耗或者低氧情況下對O2的攝入[22],哺乳動物的快速氣體交換細胞(如紅細胞、微血管內皮細胞)具有較高的AQP1表達量[23,24],都為AQP1作為氣體交換孔道提供了證據。但由于AQP1基因敲除小鼠并未出現呼吸窘迫或者肺和紅細胞CO2轉運障礙,使得一些研究者對這一觀點持反對意見。支持者們對此的解釋是,可能有其它的AQP彌補了AQP1缺失所致的氣體交換障礙,才沒有出現以上現象。

Echevarría等[25]將穩定轉染了 AQP1的哺乳動物細胞置于乏氧環境中,發現細胞內的O2流失增加,導致乏氧誘導因子-1(HIF-1)的快速穩定及HIF-1依賴性基因的表達上調。而在含氧量正常的內皮細胞,敲除AQP1后會造成乏氧誘導基因的上調。除此之外,他們還發現在乏氧條件下,動物肺組織中AQP1表達量會顯著升高。這些結果均表明AQP1具有氧通透性,能夠介導O2的跨膜擴散。

3.2 AQP1與放射治療

放射治療是一種通過放射線破壞腫瘤細胞DNA,導致細胞死亡的治療方法。包括X射線或γ射線在內的任何形式的輻射,生物體吸收后都有可能直接與其細胞DNA發生作用,使DNA中的原子被電離或激發,從而啟動一系列生物效應(即輻射的直接作用)。高傳能線密度射線(高LET射線)主要通過這種直接作用殺傷腫瘤細胞。射線還能與細胞內水分子相互作用,形成水合電子和自由基,自由基可通過擴散方式到達靶部位并損傷DNA,在有O2存在的情況下,O2與自由基作用形成有機過氧基(RO2),并最終在靶分子DNA上形成ROOH,使靶分子DNA損傷被固定下來,即O2對放射線的損傷起了“固定”作用,是重要的放療增敏劑[26]。然而,乏氧是實體瘤內微環境的重要特點之一,并且乏氧細胞對放射線相對耐受,從而導致射線殺傷效應下降。而AQP1作為細胞膜上介導O2跨膜運輸的重要蛋白,對腫瘤細胞增加O2攝取可能存在重要作用,如果其表達升高,將使腫瘤細胞攝O2增加,使其對射線作用更為敏感,從而提高放射治療的效果。

4 結 語

AQP1作為AQP家族的一員,近年來受到越來越多的關注,尤其是其在腫瘤發生發展中作用的發現,為抗腫瘤治療提供了新的策略。頭頸部腫瘤放療后致唾液分泌功能減退造成患者生活質量下降,為解決這一問題,Baum等[27]將AQP1 cDNA轉染至鼠及豬的因放療損傷的腺體中,成功恢復了腺體的分泌功能,并且發現這一基因治療策略的毒副作用小,目前該療法已經進入臨床試驗階段。隨著各種分析檢測技術的提高,相信其在人類疾病中所發揮的作用會被不斷揭示,為疾病的治療帶來益處。

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