水通道蛋白1研究進展

邱鍇 余濱 趙培超 張智峰 劉獻志

(鄭州大學第一附屬醫(yī)院 神經(jīng)外科 河南 鄭州 450000)

水通道蛋白家族(aquaporins，AQPs)是具有高選擇性水的膜通道蛋白，分布廣泛，哺乳動物、植物細胞膜上均有發(fā)現(xiàn)，與生物體內(nèi)水的跨膜轉(zhuǎn)運及水平衡的調(diào)節(jié)密切相關(guān)。到目前為止，已從哺乳動物組織中鑒定出水通道蛋白亞型AQP12，該家族已經(jīng)存在13 個亞型(AQP1 ～AQP12)，其中水通道蛋白1(AQP1)［1］是該家族中第一個被鑒定，且研究最深入、最全面的水通道。

1 AQP1 的發(fā)現(xiàn)和命名

水通過脂質(zhì)雙層膜的途徑為簡單擴散，但人們發(fā)現(xiàn)紅細胞和某些上皮細胞中，其水通透性遠超出簡單擴散強度，人們便猜測細胞膜上存在某種通道參與介導水轉(zhuǎn)運。20世紀80年代末，Agre 等在對紅細胞膜上RH 血型抗原進行分離純化時，發(fā)現(xiàn)了一個28 kD的疏水性跨膜蛋白，稱為形成通道的整合膜蛋白28(channel－forming integral membrane protein，CHIP28)，1991年P(guān)reston 等對其cDNA 克隆完成，但該蛋白功能仍未知。由于水在紅細胞中具有高通透性，結(jié)合它在紅細胞膜的高表達量，因此推斷其可能具有轉(zhuǎn)運水的功能。1992年的功能測定實驗，將CHIP28 cRNA 注入非洲爪蟾的卵細胞中，發(fā)現(xiàn)細胞體積在低滲溶液中迅速增加，5 min 內(nèi)破裂。其后在對將CHIP28 植入蛋白磷脂體內(nèi)的相關(guān)研究中，最終證明其為水通道蛋白，確認了細胞膜上存在轉(zhuǎn)運水通道蛋白的理論，后命名為Aquaporin－1(AQP1)。

2 AQP1 的分子結(jié)構(gòu)

人類AQP1 基因定位于染色體7p14，包含4 個外顯子和3 個內(nèi)含子。外顯子編碼第1 ～128，129 ～183，184 ～210 和211 ～269位氨基酸序列，內(nèi)含子的長度分別為9.6、0.43、0.80 kb，AQP1 的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物約為3.1 kb，5'端為58 bp 的非編碼區(qū)，隨后是編碼28.5 kD 蛋白質(zhì)的807 bp 開放閱讀框架及約2 kb 的3'非翻譯序列，最后為polyA 尾［2］。

AQP1 擁有水通道蛋白家族的共同結(jié)構(gòu)特征。序列分析表明，AQP1 的一級結(jié)構(gòu)為跨膜6 次的單肽鏈，含5 個環(huán)(LoopA、B、C、D、E)。A、C、E 環(huán)定位于質(zhì)膜外側(cè)，而B，D 環(huán)及羧基、氨基末端均在胞內(nèi)。A 環(huán)有N－連接糖基化部位，B、E 環(huán)呈疏水特性。水通道在水的吸收與分泌兩個運動方向上所起的作用或許可以由分子結(jié)構(gòu)來解釋:構(gòu)成整個分子的兩個分子結(jié)構(gòu)想似，在膜上彼此呈180°中心對稱排列。B，E 環(huán)含有天冬氨酸－脯氨酸－丙氨酸(NPA)重復串連序列(第76 ～79、192 ～195位)。B、E 環(huán)的任何變異都會引起水通道活性下降。AQP1 肽鏈上第189 位氨基酸殘基即半胱氨酸(Cys－189)，可與Hg 結(jié)合，堵塞水通道，因而可將其視為Hg 抑制位。

AQP1 二級結(jié)構(gòu)是由36% ～40%的α 螺旋和42% ～43%的β 片層構(gòu)成。它含有6 個跨膜的疏水α 螺旋及包含NPA 環(huán)區(qū)的反向平行β 片層，這些片層伸入磷脂雙層，并在質(zhì)膜上形成孔道。它的4 級結(jié)構(gòu)是由4 個對稱排列的各長5 nm，直徑3.2 nm的圓筒狀亞基包繞而成的四聚體。每個亞基均可獨立成為水通道，但四聚體的結(jié)構(gòu)對于維持單個亞基的位置有重要意義［2］。

AQP1 的三維結(jié)構(gòu)是“沙漏”模式，包含NPA 的B、E 環(huán)折返穿入脂質(zhì)雙分子層，并且與鄰近的跨膜區(qū)形成半個孔道(hemipore－1、2)，彼此對稱分布構(gòu)成一個狹窄的分子通道，而NPA序列則位于通道的核心［3］。

3 AQP1 與水的跨膜轉(zhuǎn)運

3.1 水的跨膜簡單擴散 水的簡單擴散作用存在于任何組織中，其擴散通透性系數(shù)Pd 存在輕微差異。當水跨越單純的脂質(zhì)雙分子層時，只有簡單擴散，其滲透通透性系數(shù)Pf 與其擴散通透性系數(shù)Pd 比值為1∶1(Pf/Pd=1∶1)。水的簡單擴散過程比較慢，活化能高，受膜的成分、溫度等影響，但不受藥物的抑制。

3.2 水通道介導的水轉(zhuǎn)運 AQP1 具有高度選擇性水通透性，有3 方面原因:①AQP1 的水孔直徑，AQP1 通道最狹窄部分大約只有2.8A，相當于一個水分子直徑;②靜電排斥;③單個水分子產(chǎn)生暫時的偶極旋轉(zhuǎn)同時與并排兩個NPA 主題側(cè)鏈形成氫鍵，成為對質(zhì)子的一道屏障。水通道介導的水跨膜轉(zhuǎn)運時，其滲透通透性系數(shù)遠大于擴散通透性系數(shù)，水利用水通道蛋白向高滲方向移動，這個過程很快，無須“門控”等調(diào)節(jié)，不受質(zhì)膜分子組成、溫度等影響，基本上處于激活狀態(tài)。在對爪蟾卵的研究中，表達AQP1 的卵細胞在22 ℃時，Pf ＞200 ×10－4cm/s，大約是對照組的8 倍;而在10 ℃時，其Pf 輕微下降，對照組Pf明顯下降，表達AQP1 細胞組約為對照組30 倍;對照組卵細胞的活化能Ea ＞10 kcal/mol，而表達AQP1 的卵細胞的活化能Ea=3 kcal/mol，與汞制劑共同保溫時，Pf 被明顯抑制。有研究［4］將高純度的AQP1 復原到脂質(zhì)蛋白體中，顯示出高的單位水滲透性(Pf ＞3 ×109水分子每單位每秒)。

4 AQP1 在正常腦組織中的分布與功能

AQP1 在機體中廣泛存在，尤其是在那些與液體吸收或分泌有關(guān)的上皮細胞及可能協(xié)同水跨細胞膜轉(zhuǎn)運內(nèi)皮細胞中。

AQP1 在人的正常腦組織中表達微弱，可見于導水管室管膜細胞，膠質(zhì)細胞形成的大腦皮質(zhì)邊緣和腦干邊緣，下丘腦視上核和室旁核，以及小腦蒲肯野細胞［5］。AQP1 在脈絡叢立方細胞的尖端均勻一致表達，且表達明顯，與Na+－K+－ATP 酶共同定位于該組織，脈絡叢毛細血管內(nèi)皮中僅能看到微弱的表達，AQP1 在脈絡叢上皮的高表達可能在腦脊液的生成過程中起到重要作用，并參與調(diào)節(jié)水和離子的平衡［6］。此外，研究［7］發(fā)現(xiàn)AQP1 在系統(tǒng)性低鈉時，會介導過多的水進入腦組織，導致顱內(nèi)壓升高和腦細胞死亡，提示系統(tǒng)性低鈉時，AQP1 對腦腫脹有重要影響，并且對AQP1 進行選擇性阻斷后，可以減少腦脊液的產(chǎn)生。

在胎兒腦組織中，AQP1 從妊娠14 周開始表達，直到妊娠24 周，其表達部位和量隨周齡的增大而發(fā)生相應變化，參與胎兒腦內(nèi)水平衡的調(diào)節(jié)，在腦的發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用［8］。

5 AQP1 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤中的作用

5.1 AQP1 在腦腫瘤水腫發(fā)生中的作用 Saadoun 等［9－10］證實，與正常組織相比，AQP1 在腦膠質(zhì)瘤變異的星形膠質(zhì)細胞和血管內(nèi)皮細胞中的表達明顯增高，因此在星型細胞中AQP1 的表達程度與惡性程度密切相關(guān)。水通道蛋白高表達可增強腫瘤組織對水腫液的吸收，作為主要通道來清除腫瘤及瘤周組織多余細胞間液。AQP1 在膠質(zhì)細胞瘤的細胞膜和細胞質(zhì)高度表達能增加血管通透性，提示AQP1 在腫瘤組織中具有很高的更新和轉(zhuǎn)換率。Oshio 等［11］也證實AQP1 在膠質(zhì)瘤的腫瘤細胞尤其是在高度惡性的腫瘤細胞中表達明顯，提示AQP1 與腫瘤水腫關(guān)系密切［12－14］。Markert 研究發(fā)現(xiàn)，AQP1 在原發(fā)性多形性膠質(zhì)母細胞瘤中上調(diào)，可能使腫瘤組織中水分通過AQP1 吸收入膠質(zhì)細胞，引起細胞變形、腫脹。目前腫瘤細胞內(nèi)信號誘導AQP1 表達的機制仍未知，但或許與由局部釋放的生長因子以及腫瘤細胞分泌的血管內(nèi)皮生長因子有關(guān)。治療腫瘤水腫或許可以通過抑制腫瘤內(nèi)AQP1 通道的表達來實現(xiàn)。

5.2 AQP1 在腫瘤血管生成中的作用 腫瘤的生長和擴散(侵襲和轉(zhuǎn)移)中，很大程度依賴于腫瘤血管生成導致腫瘤間質(zhì)的血管化。正常組織中，新生的組織及血管在機體需要時出現(xiàn)，而腫瘤組織中，腫瘤生長及血管生成是持續(xù)存在的。多數(shù)腫瘤的細胞外液滲透壓較高，其新生血管對血漿蛋白及其他循環(huán)體系中的高分子物質(zhì)具有高通透性。目前常將這種異常的通透性歸因于腫瘤細胞分泌的血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)和血管滲透性因子(vascular permeability factor，VPF)。研究發(fā)現(xiàn)，AQP1 表達于非孔性毛細血管內(nèi)皮細胞。AQP1 基因敲除小鼠表明AQP1 提供了一定數(shù)量水通道的排除，導致水通過毛細血管內(nèi)皮細胞的滲透性升高，AQP1 通路占了微血管壁整個通過細胞間10% ～45%的液體滲透性［15］。因此認為AQP1 可能與血管滲透性有很大關(guān)系。

Saadoun 等［16］實驗證實，AQP1 在血管內(nèi)皮中廣泛表達，增加細胞膜的水通透性，而在AQP1 缺失的小鼠皮下和顱內(nèi)種植腫瘤，血管生成明顯減少，且腫瘤出現(xiàn)大片壞死。這表明通過對AQP1 的抑制可以減少新生血管，抑制腫瘤生長。而之前的研究也表明，隨著膠質(zhì)瘤的級別增高，AQP1 在腫瘤微血管上皮細胞的表達明顯增強。

5.3 AQP1 對腫瘤侵襲性的影響 遷移擴散是腫瘤的關(guān)鍵能力，包括腫瘤對周圍組織的浸潤及遠處轉(zhuǎn)移。Saadoun 等［16］研究表明，與正常小鼠相比，敲除AQP1 基因，小鼠體內(nèi)的微血管生成、移植腫瘤細胞的生長受到明顯抑制;而體外內(nèi)皮細胞培養(yǎng)實驗中，結(jié)果類似。因此推測AQP1 可能促進腫瘤浸潤使膠質(zhì)瘤細胞失水皺縮，從而通過細胞外基質(zhì)向周圍組織浸潤。Saadoun等［9－10］發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移瘤在內(nèi)皮細胞和反應性星形細胞中呈陽性，而在星形膠質(zhì)細胞瘤中，內(nèi)皮細胞和塑型星形細胞出現(xiàn)AQP1 陽性表達。AQP1 陽性的星形細胞可能就是瘤周水腫組織中浸潤的腫瘤細胞，而血管內(nèi)皮細胞的AQP1 表達正是由這種腫瘤細胞浸潤介導，促進了瘤周血管增生，易化了腫瘤細胞的侵襲性生長，形成了血管增生、腫瘤侵襲性生長的惡性循環(huán)［17］。而腫瘤浸潤和異常的血管增生也是瘤周組織水腫的加重因素，而瘤周水腫又可以疏松周圍組織，加強腫瘤侵襲力［18］。而最近的研究也表明，AQP1 表達陽性的腫瘤細胞轉(zhuǎn)移潛力和局部浸潤力均有增加，同時體外實驗表明，AQP1 表達陽性的腫瘤細胞，其細胞遷移能力與對照組相比，增強了2 ～3 倍［19］。

6 小結(jié)

AQP1 在腫瘤生長、侵襲及瘤周水腫的形成方面起重要作用，通過水通道蛋白抑制因子來抑制AQP1 的高度表達，或許可以成為抑制腫瘤生長、轉(zhuǎn)移以及減輕水腫的一種有效手段，但這方面研究還處于初級階段。有研究表明，芳基磺酰胺AqB013 有AQP1 拮抗作用［20］，為將來進一步解釋AQP1 參與腫瘤生長、浸潤提供了思路。

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