肺水通道蛋白與支氣管哮喘

丁偉偉 馬 嘯 李澤庚

·綜述 講座·

肺水通道蛋白與支氣管哮喘

丁偉偉 馬 嘯 李澤庚

肺水通道蛋白；支氣管哮喘

水通道蛋白(aquaporins,AQPs)是一組與水的跨膜轉(zhuǎn)運及通透性有關(guān)的細胞膜轉(zhuǎn)運蛋白的總稱，參與調(diào)節(jié)水的跨膜轉(zhuǎn)運、維持機體水液代謝平衡。目前為止，在哺乳動物當(dāng)中共發(fā)現(xiàn)13種AQPs，分別被命名為AQP0-12，其中分布于肺組織的有6種，分別為AQP1、3、4、5、8和AQP9，稱之為肺水通道蛋白[1-3]。近年來的研究表明，肺水通道蛋白的異常表達與支氣管哮喘炎性細胞浸潤、氣道高反應(yīng)性、氣道黏液分泌及氣道重塑等有著密切聯(lián)系，其參與了哮喘發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)歸等多個環(huán)節(jié)[4-6]。

1 肺水通道蛋白的結(jié)構(gòu)、分布及生物學(xué)功能

1.1 肺水通道蛋白的結(jié)構(gòu)特點 肺水通道蛋白是一組介導(dǎo)水跨膜轉(zhuǎn)運的蛋白質(zhì)家族，其高級結(jié)構(gòu)由同源四聚體所組成，空間結(jié)構(gòu)有一個特征性的表現(xiàn)即：中心區(qū)域為單分子水通道孔徑，此單分子水通道孔徑由兩個高度保守的天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸序列(又稱為NPA模序)反復(fù)折疊構(gòu)成，三維結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為“沙漏”樣特征，能夠介導(dǎo)水分子、離子以及氣體分子跨膜轉(zhuǎn)運。其中，AQP1、AQP4、AQP5和AQP8為單純的水通道蛋白家族(又稱之為傳統(tǒng)的水通道蛋白)，其只介導(dǎo)水分子跨膜轉(zhuǎn)運；而AQP3和AQP9為水-甘油跨膜轉(zhuǎn)運的蛋白通道，除了能夠介導(dǎo)水的跨膜轉(zhuǎn)運之外還可以介導(dǎo)甘油、尿素和一些小分子化合物轉(zhuǎn)運，肺水通道蛋白的特殊空間結(jié)構(gòu)為其發(fā)揮生物學(xué)功能提供了保障[7-9]。

1.2 肺水通道蛋白的分布 AQP1、AQP5在整個呼吸道均有表達，AQP3、AQP4主要在上呼吸道當(dāng)中表達，而AQP8、9則表達于呼吸道黏膜下腺[10]。Kreda等[11]應(yīng)用原位雜交和免疫熒光技術(shù)進一步明確了其細胞定位，其中AQP1主要表達于呼吸道旁毛細血管內(nèi)皮細胞、氣道上皮細胞頂膜面、支氣管黏膜下腺上皮細胞、淋巴管及胸膜臟層的上皮細胞上，也有少量分布于肺泡Ⅱ型上皮細胞頂膜面上；AQP3表達于大氣道上皮細胞表層和腺泡的基底細胞膜上；AQP4位于氣道上皮、肺泡內(nèi)皮細胞、Ⅰ型肺泡上皮細胞、纖毛管基底側(cè)細胞膜和腺體細胞基底側(cè)細胞膜；AQP5位于呼吸道上皮表層的柱狀上皮細胞頂膜和黏膜下腺腺泡細胞頂膜以及上氣道的分泌上皮細胞。同時，肺水通道蛋白的分布還有一個顯著性特點，即在同一細胞定位上無兩種以上的AQPs重迭分布，這說明了各AQPs在不同層次、不同水平上發(fā)揮作用，調(diào)節(jié)機體水液代謝平衡。

1.3 肺水通道蛋白的生物學(xué)功能 肺水通道蛋白在肺組織水液代謝平衡，協(xié)調(diào)肺泡和肺間質(zhì)以及肺毛細血管間的水跨膜轉(zhuǎn)運等方面發(fā)揮著重要作用，其主要生物學(xué)功能包括參與出生時肺泡液體的吸收，急性、亞急性肺損傷時肺水容量的調(diào)節(jié)及吸入氣體的濕化、氣道表面液體容量的調(diào)節(jié)、氣道液體的吸收等。Verkman等[12]使用AQP1和(或)AQP5基因敲除的小鼠研究時發(fā)現(xiàn)，AQP1或AQP5單獨缺失時，肺泡毛細血管間水的通透性下降14～16倍，而兩者同時缺失時水的通透能力則下降30倍，這表明AQP1、AQP5在調(diào)控肺組織內(nèi)水的轉(zhuǎn)運及平衡等方面起著重要的作用。孫文江等[13]研究表明AQP4的異常表達與腦組織損傷后的繼發(fā)性腦水腫關(guān)系密切，AQP4參與并介導(dǎo)了腦組織水的轉(zhuǎn)運，其在調(diào)控水液代謝方面發(fā)揮著重要作用。

2 肺水通道蛋白在支氣管哮喘發(fā)生發(fā)展中的作用

2.1 肺水通道蛋白與氣道炎癥反應(yīng) 支氣管哮喘是由多種細胞及細胞組分參與的氣道慢性炎癥性疾病，其中氣道慢性炎癥反應(yīng)是支氣管哮喘發(fā)生發(fā)展的病理基礎(chǔ)，炎癥反應(yīng)引起的滲出、氣道黏液異常分泌均與肺水通道蛋白的異常表達密切相關(guān)[14,15]。Towne等[16]研究發(fā)現(xiàn)AQP1和AQP5在呼吸道腺病毒感染導(dǎo)致的病毒性肺炎小鼠肺組織中表達降低，首次證明了肺水通道蛋白與肺部感染、炎癥反應(yīng)等有關(guān)。同樣，Yamamura等[17]研究表明腫瘤壞死因子-α和白細胞介素-4能夠下調(diào)小鼠肺組織AQP5的表達，進一步表明AQP5與炎癥反應(yīng)有關(guān)，為AQP5參與肺部炎癥反應(yīng)提供了直接證據(jù)。唐順廣等[18]的研究證實，AQP1在哮喘急性期的過度表達與炎癥反應(yīng)、水分泌增多相一致，提示AQP1參與了哮喘急性炎癥期的發(fā)病機制。金嫦娥等[19]研究表明地塞米松能夠通過增加AQP4在肺組織的表達而減輕哮喘癥狀，間接說明了AQP4和哮喘炎癥有關(guān)。

2.2 肺水通道蛋白與氣道高反應(yīng)性 支氣管哮喘是由環(huán)境因素和遺傳因素所共同引起，近年來的遺傳學(xué)研究表明人及小鼠的AQP5基因與氣道高反應(yīng)性相關(guān)基因在基因定位上存在交叉現(xiàn)象，這提示AQP5與氣道高反應(yīng)性可能存在相關(guān)性；進一步的研究表明，與野生型相比，AQP5基因敲除的小鼠經(jīng)膽堿類藥物刺激后氣道反應(yīng)性顯著提高，這就直接證明了AQP5減少能夠增加氣道的反應(yīng)性，促進哮喘的發(fā)生[20]。Krane等[21]研究表明，AQP5缺失型鼠與野生型相比，其氣道對乙酰膽堿或乙酰甲膽堿反應(yīng)更為敏感，更容易引起氣道痙攣，但AQP5所導(dǎo)致的氣道高反應(yīng)性的機制仍不清楚。此外，遺傳易感性是導(dǎo)致哮喘發(fā)生的內(nèi)在因素，綜合分析AQP5基因定位上的特點以及AQP5在氣道高反應(yīng)性當(dāng)中的作用，可以推測AQP5是哮喘的易感基因之一，或許可作為篩選哮喘易感人群的指標(biāo)之一，這為今后支氣管哮喘的遺傳性研究提供了新的方向和線索。

2.3 肺水通道蛋白與氣道黏液高分泌 和正常人相比，哮喘患者氣道黏液分泌有著明顯差異。首先，支氣管哮喘患者氣道黏液量分泌的增多，包括基礎(chǔ)分泌量的增加和黏液吸收的減少；其次，氣道黏液成分的改變，包括氣道黏液當(dāng)中黏蛋白含量的增多、水鹽比例失衡等。

Chen等[22]研究證實呼吸道黏膜下腺細胞SPC-A1中，RNA干擾AQP5之后，黏蛋白5AC(MUC5AC)的基因表達顯著提高119.2%，這說明AQP5在抑制MUC5AC方面發(fā)揮著重要作用，能夠有效抑制黏蛋白的表達。Shen等[23]使用細菌脂多糖刺激呼吸道黏膜下腺細胞之后，細胞當(dāng)中的AQP5蛋白表達顯著下降，而MUC5AC顯著升高，并且發(fā)現(xiàn)p38及JNK信號通路可能參與了AQP5及MUC5AC的調(diào)節(jié)。吳葆菁等[24]研究顯示，急性過敏性哮喘小鼠肺組織中AQP5的表達與黏液蛋白的分泌呈正相關(guān)，說明AQP5對黏液蛋白的分泌起著重要的調(diào)節(jié)作用，通過干預(yù)AQP5的方法或可以減少氣道黏液的分泌，有利于恢復(fù)氣道的通氣功能，減緩哮喘的臨床癥狀。

2.4 肺水通道蛋白與氣道重塑 氣道重塑是導(dǎo)致支氣管哮喘遷延不愈、反復(fù)發(fā)作的重要因素，也是支氣管哮喘臨床治療的難題，因此，如何減緩或者逆轉(zhuǎn)氣道重塑的發(fā)生成為近年來研究的熱點。Saadoun等[25]在豚鼠哮喘模型當(dāng)中發(fā)現(xiàn)外周血嗜酸性粒細胞(EOS)AQP1的表達較肺泡灌洗液中EOS的AQP1的表達顯著提高，這說明EOS有可能通過增加表達AQP1來加速向肺黏膜下組織的遷移，進而介導(dǎo)氣道重塑的發(fā)生。Kaneko等[26]研究發(fā)現(xiàn)微血管的缺氧損傷能夠刺激AQP1在微血管內(nèi)皮細胞的表達，進而促進血管再生及氣道重塑的發(fā)生。Cao等[27]研究認為AQP3高表達于人體皮膚的肌纖維母細胞上，當(dāng)人體傷口愈合時，可以加速肌纖維母細胞從傷口周圍向傷口遷移，促進傷口修復(fù)，這為AQP3參與氣道重塑提供了直接證據(jù)。

3 展望

肺水通道蛋白的異常表達參與了支氣管哮喘發(fā)生發(fā)展的多個環(huán)節(jié)，并扮演著重要角色、發(fā)揮著重要作用。然而，誘導(dǎo)支氣管哮喘發(fā)病的因素是通過何種途徑導(dǎo)致了肺水通道蛋白的異常表達以及肺水通道蛋白又是如何介導(dǎo)了支氣管哮喘的發(fā)生，其分子生物學(xué)作用機制目前還不是十分清楚。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷提高和對肺水通道蛋白的深入研究，如RNA干擾技術(shù)、肺水通道蛋白特異性阻斷劑等，人們對肺水通道蛋白與支氣管哮喘的關(guān)系必將產(chǎn)生新的認識。同時，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷提高和人們對肺水通道蛋白研究的不斷深入，也必將為開發(fā)更加有效的支氣管哮喘臨床治療藥物提供新的理論依據(jù)和思路。

[1] Gomes D,Agasse A,Thiebaud P,et al.Aquaporins are multifunctional water and solute transporters highly divergent in living organisms[J]. Biochim Biophys Acta, 2009, 1788(6):1213-1228.

[2] Zelenina M,Zelenin S,Aperia A.Water channels(aquaporins)and their role of postnatal adaptation[J].Pediatr Res,2005,57(5):47-53.

[3] Benga G. On the definition, nomenclature and classification of water channel proteins(aquaporins and relatives)[J].Mol Asp Med,2012,33(5-6):514-517.

[4] Ablimit A,Hasan B,Lu W,et al.Changes in water channel aquaporin 1 and aquaporin 5 in the small airways and the alveoli in a rat asthma model[J].Micron, 2013,45(2):68-73.

[5] Ben Y,Chen J,Zhu R,et al.Upregulation of AQP3 and AQP5 induced by dexamethasone and ambroxol in A549 cells[J].Respir Physiol Neurobiol,2008, 161(2):111-118.

[6] Popescu BF,Bunyan RF,Guo Y, et al.Evidence of aquaporin involvement in human central pontine myelinolysis[J].Acta Neuropathol Commun,2013,1(1):40-45.

[7] Dong C,Wang G,Li B,et al.Anti-asthma agents alleviate pulmonary edema by upregulating AQP1 and AQP5 expression in the lungs of mice with OVA-induced asthma[J].Respir Physiol Neurobiol,2012,181(1):21-28.

[8] Ueno-lio T,Shibakura M,Lio K,et al.Effect of fudosteine, a cysteine derivateive, on airway hyperresponsiveness, inflammation and remodeling in a murine model of asthma[J].Life Sci,2013,92(21):1015-1023.

[9] Rose MC,Voynow JA.Respiratory tract mucin genes and mucin glycoproteins in health and disease[J].Physiol Rev,2006, 86:245-278.

[10]Perez Di Giorqio J,Soto G,Alleva K,et al.Prediction of aquaporin function by integrating evolutionary and functional analyses[J].J Membr Biol,2014, 247(2):107-125.

[11]Kreda SM,Gynn MC,Fensternacher DA,et al.Expression and localization of epithelial aquaporins in the adult human lung[J].Am J Respir Cell Mol Biol,2001, 24(3):224-234.

[12]Verkman AS.Role of aquaporins in lung liquid physiol-ogy[J].Respir Physiol Neurobiol,2007,159(3):324-330.

[13]孫文江,方健,劉家傳,等.水通道蛋白-4在兔腦爆炸傷后腦組織中的表達[J].安徽醫(yī)學(xué),2013,34(4):379-381.

[14]張克昌,李維春.支氣管哮喘患兒體內(nèi)嗜酸性粒細胞及IL-13、TGF-β1的檢測[J].安徽醫(yī)學(xué),2011,32(12):1970-1972.

[15]Ablimit A,Hasan B,Lu WJ,et al.Changes in water channel aquaporin 1 and aquaporin 5 in the small airways and the alveoli in a rat asthma model[J].Micron, 2013, 45(4):68-73.

[16]Towne JE,Krane CM,Bachurski CJ,et al.Tumor necrosis factor-α inhibits aquaporin-5 expression in mouse lung epithelial cells[J].J Biol Chem,2001,276(22):18657-18662.

[17]Yamamura Y,Motegi K,Kani K,et al.TNF-α inhibits aquaporin5 expression in human salivary gland acinar cells via suppression of histone H4 acetylation[J].J Cell Mol Med,2012,16(8):1766-1775.

[18]唐順廣,周瑞祥,賁素琴，等.急性哮喘小鼠肺組織水通道蛋白1的表達及乙酰唑胺對其表達的影響[J].中國哮喘雜志,2009,3(5):326-337.

[19]金嫦娥,徐永建,劉建.地塞米松對支氣管哮喘大鼠氣道組織中水通道蛋白4表達的影響[J].中華結(jié)核和呼吸雜志,2009,32(8):625-626.

[20]Shen Y,Wang Y,Chen Z,et al.Role of aquaporin 5 in antigen-induced airway inflammation and mucous hyperproduction in mice[J].J Cell Mol Med, 2011,15(6):1355-1363.

[21]Krane CM,Fortner CN,Hand AR,et al.Aquaporin5-deficient mouse lungs are hyperresponsive to cholinergic stimulat-ion[J].Proc Natl Acad Sci USA, 2001,98(24):14114-14119.

[22]Chen Z,Wang X,Gao L,et al.Regulation of MUC5AC mucin secretion by depletion of AQP5 in SPC-A1 cells[J].Biochem Biophys Res Commun, 2006,342(3):775-781.

[23]Shen Y,Chen Z,Wang Y,et al.Aquaporin5 expression inhibited by LPS via p38/JNK signaling pathways in SPC-A1 cells[J].Respir Physiol Neurobiol,2010,171(3):212-217.

[24]吳葆菁,朱軍,檀衛(wèi)平,等.地塞米松對急性過敏性哮喘小鼠肺AQP5表達的影響[J].南方醫(yī)科大學(xué)學(xué)報,2008,28(9):1670-1673.

[25]Saadoun S,Papadopoulos MC,Hara-Chikuma M,et al.Impairment of angiogenesis and cell migration by targeted aquaporin1 gene disruption[J].Natrue,2005,434(7034):129-146.

[26]Kaneko K,Yaqui K,Tanaka A,et al.Aquaporin1 is required for hypoxia-inducible angiogenesis in human retinal vascular endothelial cells[J].Microvasc Res,2008,75(3):297-301.

[27]Cao C,Sun Y,Healey S,et al.EGFR-mediated expression of aquaporin-3 is involved in human skin fibroblast migrat-ion[J].Biochem,2006,400(2):225-234.

(2014-11-16 收稿 2015-01-26修回)

國家自然科學(xué)基金項目(項目編號：81373598)

230031 合肥 安徽中醫(yī)藥大學(xué)

李澤庚，li6609@126.com

10.3969/j.issn.1000-0399.2015.06.042