水通道蛋白的發現歷程及與人類疾病的關系概述

周園園 李衛國

(河南師范大學生命科學學院 新鄉 453007)

水通道蛋白(aquaporins, AQPs)是存在于細胞膜上的一種高效轉運水分子的特異通道蛋白，廣泛存在于動物、植物和微生物中[1]，與水的轉運和細胞內外水平衡密切相關，它的發現和相關研究工作完善了水分子跨膜運輸方式的認識。從AQPs被發現至今的20多年間，隨著生物學技術的蓬勃發展，對水通道蛋白的研究已較為深入，尤其是多種水通道蛋白相關疾病的發病機制的揭示，為新療法的研發提供了實驗資料和基礎理論。

1 水通道蛋白的發現

水通道蛋白是于1988年由美國約翰霍普金斯大學醫學院的科學家彼得·阿格雷(Peter Agre)發現的。同大多科學研究一樣，水通道蛋白的發現歷程艱辛而又漫長。20世紀20年代以前，人們大都認為水分子僅以自由擴散方式透過細胞膜。但后來發現，腎近端小管等具有強烈吸水功能的組織吸水量大且快捷，提示這類組織不可能只通過簡單的自由擴散方式進行水分的快速和大量的吸收。1950年，科學家Solomon通過菲克第一定律測出細胞膜對水的通透性遠高于人造脂質體[2]，于是提出細胞膜上可能有調控水分子和其他小分子溶質進出細胞的某類通道。之后的多年間，科學家們經過反復實驗，證實只有水分子能快速大量透過選擇性通道進入紅細胞以及腎臟、膀胱等組織中。盡管科學家們一直嘗試從紅細胞等細胞中找到并分離出水通道蛋白，但都無功而返，研究便陷入瓶頸。

直到1988年Agre和他的同事在進行分離提純兔Rh血型抗原蛋白并試圖純化分子量為30 kDa的Rh蛋白質時，非常偶然地從紅細胞上分離出一種新的28 kDa膜蛋白，原本猜想這是Rh蛋白的水解污染物，但通過測試發現此物質是一種跨膜寡聚蛋白，與Rh抗原無關，這推翻了他們之前的猜測。Agre及其團隊對這種新型蛋白產生了濃厚興趣，開始深入研究。隨后發現該蛋白在紅細胞及腎近端小管上皮細胞中含量很豐富，每個細胞中含有大約20萬個分子，并和磷脂雙分子層緊密結合[3]。1991年Agre測定了28 kDa蛋白的分子結構，完成其cDNA的克隆[4]，測序表明它與MIP269(major intrinsic protein)有較高相似性。但當時并不知道該蛋白的功能，只是懷疑其可能為運輸水分的通道蛋白，因而命名為通道樣內在膜蛋白28(channel-like integral membrane protein of 28 kDa, CHIP28)。

1992年Agre利用對水擴散作用非常小的爪蟾卵母細胞進行實驗，把CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾卵母細胞，72 h后CHIP28蛋白大量表達。然后置于低滲溶液中觀察，結果發現非洲爪蟾卵母細胞迅速膨脹并破裂，較之未注射mRNA的卵母細胞發生了明顯的變化[5]。這項實驗證實了之前的推測，CHIP28蛋白實質是水通道。這個結論一經發表，受到了多方質疑，懷疑者認為CHIP28只是一種水通道調節器，而非水通道蛋白本身。Agre及其團隊為了強有力地回應質疑，兩年后他們通過脂質體實驗測定了CHIP28的活化能、滲透系數以及對HgCl等抑制劑的敏感性等[6]，終于證實這種CHIP28蛋白為專一性水通道蛋白，并被重新命名為aquaporin。由于CHIP28是首個被鑒定的水通道蛋白，因此稱為aquaporin1，簡稱AQP1。目前在哺乳動物體內已知的AQP家族成員有13種(AQP0～AQP12)，它們在不同的表達部位展現出特殊的生理作用。

2 水通道蛋白與人類疾病的關系

2.1 水通道蛋白與多囊腎病 多囊腎病是一種常見的遺傳疾病，以雙腎出現多個囊腫為特征。腎臟是體內AQPs含量最高的組織，AQPs通過調節細胞體積和內部滲透壓，在多囊腎病的形成過程中產生重要影響。早期Bachinsky[7]的研究顯示，AQP2在多囊腎病不同階段的表達各不相同，且AQP2的表達影響囊泡增大。闞秀芳等[8]的研究表明，幼年腎囊腫(juvenile cystic kidneys, JCK)多囊腎小鼠腎囊泡上皮細胞表達AQP2、AQP3和AQP4，腎囊泡上皮細胞AQPs的表達受到抑制，可減緩腎囊泡液體分泌和增生。AQPs作為治療多囊腎病的新靶點，前景十分廣闊。

2.2 水通道蛋白與胃腸道疾病 很多胃腸道疾病發生的本質是胃腸道水代謝平衡紊亂，出現嚴重腹瀉時，AQPs通過表達量增加或減少來調節細胞內外水分的吸收，并且參與消化道液體的分泌。Diana等[9]發現感染了檸檬酸桿菌的小鼠，其腸道中AQP4和AQP8的表達上調，水和電解質轉運功能紊亂，最終造成腸道炎癥和腹瀉。Guttman等[10]也發現改變AQPs在小鼠腸道的分布是導致細菌感染性腹瀉的一個因素，這些結果表明AQPs的表達異常可引起腹瀉。

2.3 水通道蛋白與肺部疾病 肺是水液交換的又一重要臟器，AQPs含量豐富。Krane等[11]研究了在過敏原和白細胞介素-13(interleukin-13, IL-13)誘導哮喘小鼠模型中AQP mRNA和蛋白的表達，發現在過敏原模型中AQP1、AQP4、AQP5 mRNA表達下調，而在IL-13模型中AQP3表達上調，說明AQP與這兩種類型哮喘的基因表達有關；Dong等[12]也發現抗哮喘藥物可通過上調AQP1和AQP5表達進而減輕哮喘肺水腫。因此，通過探討AQP在肺中的生理病理機制，可尋找治療肺病的新方法。

2.4 水通道蛋白與腦水腫 研究表明，AQP4是主要在腦組織中表達的水通道蛋白，在一系列腦水腫的病理過程中都有它的身影。Manley等[13]最早發現了AQP4和腦水腫有關：缺失AQP4的小鼠與普通小鼠相比，毒性腦水腫病死率低，且康復可能性更大。Papadopoulos等[14]的研究表明，缺乏AQP4的小鼠患肺炎球菌腦膜炎后，顱內壓和腦組織含水量較野生型小鼠明顯增加，而腦組織清除水的速度變慢。可見，AQP4對抑制各種原因引發的腦水腫起重要作用。