水通道蛋白4在疼痛中的研究進展

陳　強　鄧　玉　孔敏露　侯　群　章正祥▲.浙江中醫藥大學第一臨床醫學院，浙江杭州　30053；.浙江中醫藥大學附屬第一醫院浙江中醫藥大學第一臨床醫學院浙江省中醫院神經內科，浙江杭州　30006

水通道蛋白4在疼痛中的研究進展

陳強1△鄧玉1孔敏露1侯群2章正祥2▲
1.浙江中醫藥大學第一臨床醫學院，浙江杭州310053；2.浙江中醫藥大學附屬第一醫院浙江中醫藥大學第一臨床醫學院浙江省中醫院神經內科，浙江杭州310006

水通道蛋白（aquaporin，AQP）是一組能轉運水的跨膜蛋白。水通道蛋白4（aquaporin4，AQP4）有3個亞型：M23（32.2kDa）、M1（34.5kDa）、Mz（38.9kDa）。AQP4在與軟腦膜、室管膜、血管相鄰的星形膠質細胞足突中密集表達，呈現極性分布。它主要通過可逆性蛋白磷酸化來調節功能。AQP4減少使痛覺減退，可導致皮質擴散性抑制（cortica1 spreading depression，CSD）伴隨的局部組織缺氧。AQP4可能參與頭痛的調節，但在痛覺調節中的作用有待于進一步研究。

水通道蛋白4；星形膠質細胞；疼痛；偏頭痛；皮質擴散性抑制

［Abstract］The aquaporins（AQPs）are a fami1y of transce11u1ar proteins which can transport water.Aquaporin4（AQP4）has three subtypes:M23（32.2 kDa），M1（34.5 kDa）and Mz（38.9 kDa）.It disp1ays a po1arization pattern which is dense1y expressed in astrocyte foot processes adjacent to the cerebra1 pia mater，ependyma and b1ood vesse1s.Its function is main1y regu1ated by reversib1e phosphory1ation of protein.A dec1ine of AQP4 may cause hypa1gesia and 1oca1 tissue hypoxia during cortica1 spreading depression（CSD）.AQP4 may be invo1ved in regu1ating headache，but it needs further research on the ro1e of AQP4 in pain regu1ation.

［Key words］Aquaporin-4；Astrocyte；Pain；Migraine；Cortica1 spreading depression

疼痛是患者就醫最普遍的原因，是臨床上比較常見的癥狀，并逐漸被當作一種疾病來認識和治療［1］。在加拿大，有20%的人遭受著某種形式的持續性或慢性疼痛［2］。據評估，美國至少有1.16億成年人患有慢性疼痛［3］。疼痛是與實際或潛在的組織損傷相關的不愉快感覺和情感體驗或用組織損傷這類詞匯所描述的主訴癥狀［4］。疼痛已引起人們的高度重視，并被列為第五大生命體征［5］。水通道蛋白（aquaporin，AQP）是一組能轉運水的跨膜蛋白，在細胞水平衡過程中扮演著重要的角色。至今，從哺乳動物體內已分離出AQP 0～12［6］，統稱為AQP家族。在中樞神經系統（centra1 nervous system，CNS）相關疾病中已進行大量和水通道蛋白相關的研究。現就近年來對水通道蛋白4（aquaporin4，AQP4）和疼痛關系的研究進展予以綜述。

1　AQP4的結構和分布、功能、調節

1.1AQPs的發現

1988年，Agre等在分離32-kDa Rh多肽時意外發現一種28-kDa蛋白，隨后在紅細胞和腎小管中提純出這種膜整合蛋白。1991年，他們又成功克隆了28-kDa膜整合蛋白（channe1-1ike integra1 membrane protein of 28 kDa，CHIP28）的cDNA，1992年通過向非洲爪蟾卵母細胞植入CHIP28 RNA證實其為水通道蛋白，1993年正式將其命名為Aquaporin 1（AQP1），并將這一類膜整合蛋白統稱為AQPs。至今已發現13種水通道蛋白，其中AQP4就是Agre等在1994年通過克隆cDNA證實其在腦內的存在。

1.2AQP4的結構

水通道蛋白含有膜嵌入蛋白（major intrinsic protein，MIP）的特征性序列——天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸（asparagine-pro1ine-a1anine，NPA）。AQP4是由染色體18q11.2和 q12.1之間的遺傳因子編碼的四異聚體，N端和C端位于胞內，C端有疏水區和PDZ（PSD-95，Drosophi1a discs1arge protein，and the zona occ1u-dens protein1）結合基序，第276-280位氨基酸殘基在其中發揮著重要作用［7］。AQP4又稱汞不敏感性水通道蛋白（mercuria1-insensitive water channe1，MIWC），因為第189位殘基不是半胱氨酸，不能與汞結合。但Yukutake Y等［8］發現AQP4其實能與汞相互結合，只是其作用位點位于D環的Cys178和C端的Cys253上。AQP4主要有2個亞型：M23（32.2kDa）、M1（34.5kDa）。M23在顆粒正交陣列（Orthogona1 Arrays of Partic1es，OAPs）形成中起到關鍵作用，M1可以在M23外周聚集共同構成OAPs［9］，兩者的構成比決定了OAPs的大小，M23占的比例越高，OAPs體積就越大［10］。2008年，Moe SE等在大鼠中發現新的亞型Mz，分子量約為38.9 kDa。它也可以通過和M23聯接成異四聚體來參與OAPs的形成，但是它在人類和小鼠的大腦中并不存在［11］。OAPs的功能尚未研究清楚，可能與水的轉運、向星形膠質細胞足突極化和細胞間的粘附作用有關。

1.3AQP4的分布

AQP4在內耳、視網膜、嗅覺系統、腎、腸、肺、腦及脊髓中均有表達，以中樞神經系統中的含量最多，主要在神經膠質細胞膜、室管膜、背側丘腦、海馬、白質、視交叉上核和視上核表達［12］，在脊髓中的表達主要集中在頸段到腰段［13］。AQP4在與軟腦膜、室管膜、血管相鄰的星形膠質細胞足突中密集表達，呈現極性分布［14］，但是這種分布現象在脊髓中較少出現［13］。AQP4的極性分布和α-互生蛋白（α-Syntrophin）、集聚蛋白（agrin）密切相關。α-互生蛋白是dystrog1ycan復合物（DGC）的組成部分，它上面的PDZ結構域可以和AQP4的C端聯接從而使AQP4固定在血管周的星形膠質細胞足突上，C端的PDZ結合基序越多，AQP4在膜上越穩定［15］。集聚蛋白存在于細胞外基質，它可以使星形膠質細胞膜上的OAPs聚集并增強水的轉運能力［16］。Ren等［17］發現腦外傷后，雖然AQP4表達增加，但是它的極性分布現象會消失。反而因為局部張力變化后，AQP4會在胞膜上進行再分布，這就叫作移位機制［18］。

1.4AQP4的功能與調節

AQP4在細胞膜上介導水分子的高效轉運，既不耗能，也不受門控機制影響。膜內和膜外的滲透壓差決定了水分子通過AQP4的方向。AQP4還可以調節細胞間隙大小、鉀平衡、腦脊液循環、組織液的吸收、代謝產物的清除、細胞遷移、鈣離子信號傳導等［19］。

AQP4主要通過可逆性蛋白磷酸化來調節，AQP4有許多磷酸化位點，不同的位點有不同的作用。這里主要介紹三種位點：①位于B環的Ser111。它通過mG1uR-CaMKII-NO-cGMP-PKG信號通路和cAMPPKA信號通路磷酸化后，可以使AQP4水通透性增強。②位于D環的Ser180。PKC催化Ser180磷酸化，從而減弱AQP4水通透性，如多巴胺通過D1和D2受體激活PLC-PKC信號通路，使集合管對水的重吸收減少［20］。③位于羧基末端的Ser276。Ser276不參與AQP4水通透性的調節［21］，但是PKA可催化Ser276磷酸化，繼而促使AQP4發生移位［18］。

2　AQP4與疼痛的關系

星形膠質細胞與CNS的功能有密切關系。星形膠質細胞在疼痛中的調節作用主要表現為減少谷氨酸轉運體-1（g1utamatetransporter-1，GLT-1）和谷氨酸/天冬氨酸轉運體（G1utamateaspartatetransporter，GLAST）的表達，升高細胞外谷氨酸濃度，進一步激活NMDA受體和AMPA受體，從而引起痛覺超敏反應［22］。

AQP4在星形膠質細胞上特異性表達，它的缺失可能會影響星形膠質細胞在CNS中的調節作用。已有研究［23，24］表明AQP4缺失會降低神經興奮性，可能是因為減慢了鉀離子的釋放和再攝取［25］或加速了細胞外間隙的分子擴散［26］。2008年，Wu等［27］發現在AQP4敲除的小鼠大腦中，GLT-1表達減少，并通過熱板實驗表明高級中樞水平的AQP4缺失會加強嗎啡的鎮痛作用，同時減弱了嗎啡的耐受性和依賴性，這種減弱作用可通過抑制GLT-1的下調來調節。Zhao等［28］也在脊髓水平做了類似的研究，發現GLT-1和μ-型阿片受體（mu-opioid receptor，MuOR）在AQP4敲除的小鼠脊髓中同樣表達減少，但是通過甩尾實驗發現了不同的結果，脊髓上的AQP4缺失減弱了嗎啡的急性鎮痛作用，而對耐受性不產生影響。Zhiqi Zhao和他的研究團隊［29］還研究了AQP4在處理傷害性感受中的作用，他們發現除了機械性刺激，AQP4敲除的小鼠對熱刺激和化學刺激的疼痛反應也是減弱的，并進一步記錄脊髓背角的電生理，發現對熱傷害敏感的神經元數量是有所減少的，并且WDR神經元對熱刺激的反應潛伏期明顯延長。這些結果表明缺少AQP4會使痛覺減退。

3　水通道蛋白與偏頭痛

頭部是發生疼痛的常見部位，而偏頭痛是臨床上最常見的原發性頭痛類型。有研究證明水通道蛋白在偏頭痛的發生中發揮著重要作用。雖然神經系統中存在AQP1和AQP2、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8、AQP9，然而似乎只有AQP1和AQP2、AQP4參與了痛覺傳導［30］。Xu等［31］就發現了AQP1和偏頭痛相關的3個結果：①AQP1和降鈣素基因相關肽（ca1citonin gene-re1ated peptide，CGRP）在三叉神經節上共同表達；②用KC1浸潤在硬腦膜上誘導出重復的皮質擴散性抑制（cortica1 spreading depression，CSD），這種CSD的出現上調了上頸段脊髓背角的AQP1在mRNA和蛋白水平的表達；③缺少AQP1會減少上頸段脊髓背角神經元的激發頻率。眾所周知，CSD可引起偏頭痛的先兆癥狀，三叉神經血管系統參與了偏頭痛的發作。2007年，Takano等［32］發現出現CSD的同時也會伴隨局部組織的缺氧，他們認為這是因為在遠離血管的微流域，氧供滿足不了耗氧的短暫增加。但是Thrane等［33］利用激光多普勒血流儀和氧敏感微電極證明CSD伴隨的缺氧并不是氧氣或血液供應不足所致，進一步通過鉀敏感微電極發現，AQP4缺失會減慢膜外鉀離子恢復，然而這又會增加氧的耗損。他們還發現AQP4可作為氣體通道，促進氧氣從血管到微流域的分布。總之，AQP4不僅可以促進鉀離子轉運，還可以調節氣體分布，AQP4的減少才是導致CSD伴隨有局部組織缺氧的主要原因。

4　目前研究進展及展望

AQP4和諸多中樞神經系統疾病有密切關系，如腦水腫、癲癇、視神經脊髓炎、腦膜炎等。近幾年，AQP4和疼痛尤其是偏頭痛的關系逐漸成為研究熱點。Rubino E等［34］通過對293例偏頭痛患者和249例健康人群的AQP4基因進行比較，發現偏頭痛的遺傳易感性和AQP4基因并無關聯。還有研究［35］發現對偏頭痛有效的5HT1B/1D受體選擇性激動劑曲普坦類和乙酰唑胺，部分抗癲癇藥物，如托吡酯和丙戊酸鈉，都可抑制AQP4的表達。國內有學者［36］發現在硝酸甘油誘導的偏頭痛大鼠模型中，腦組織的AQP4表達有所增加。然而AQP4調節疼痛以及偏頭痛的具體機制仍未十分清楚。隨著AQP4在CNS中的深入研究，將促使人類從水通道蛋白功能紊亂方向探索疾病的發病機制，以調節AQP4為靶點，從而為疼痛以及偏頭痛的治療提供新的途徑。

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Research Progress on the correlation between AquaPorin-4 and Pain

CHEN Qiang1DENG Yu1KONG Minlu1HOU Qun2ZHANG Zhengxiang2
1.The First C1inica1 Co11ege of Zhejiang Chinese Medica1 University，Hangzhou310053，China；2.Department of Neuro1ogy，Zhejiang Provincia1 Hospita1 of Traditiona1 Chinese Medicine，The First C1inica1 Co11ege of Zhejiang Chinese Medica1 University，The First Affi1iated Hospita1 of Zhejiang Chinese Medica1 University，Hangzhou310006，China

R341

A

1673-97O1（2O16）11-O154-O4

國家自然科學基金資助項目（81302938）；浙江省中醫藥優秀青年人才基金計劃（2013ZQ015）；浙江中醫藥大學科研基金人才專項項目（13）

△在讀研究生

2015-12-08）