水通道蛋白-1基因敲除小鼠的表型變化及其生理病理意義

藍葉慧，黃文樂，應辛欣，錢益宇，華瑩

（溫州醫科大學附屬第二醫院育英兒童醫院 產科，浙江 溫州 325027）

水通道蛋白家族（aquaporins，AQPs）是一種結構微小、完整的膜蛋白家族，可以協助水分子、小分子物質和各種中性溶質跨越生物膜。至今已發現AQPs有13種亞型（0～12），AQP1是AQPs鑒定的第一個成員，為一種選擇性轉運物質的膜蛋白。通過分析敲除AQP1的轉基因小鼠的表型，可以推測AQP1在各器官中的作用[1]。AQP1的缺失與多種器官的異常有關，包括羊水過多、多尿、心血管穩態失衡、血管生成和細胞遷移障礙、疼痛感知障礙以及神經炎癥等。此外，AQP1的缺失在腦損傷的保護和腫瘤生長的抑制過程中發揮重要作用。現就近年關于敲除AQP1基因的細胞、組織和動物模型的表型的研究進行綜述。

1 AQP1基因敲除在妊娠中的作用

以AQP1敲除的轉基因小鼠為動物模型，研究發現AQP1在胎盤生長、胎兒發育和母胎體液穩態平衡中發揮著關鍵的作用[2-4]。ZHENG等[2]發現與野生型孕鼠比較，AQP1基因敲除的孕鼠的胚胎數量減少，胎重降低，但羊水量顯著增加。此外，AQP1基因敲除的孕鼠胎盤血管結構異常，合體滋養層細胞結節增多，這說明AQP1基因敲除孕鼠的胎盤發生了嚴重變性[2]。有研究發現AQP1基因敲除孕鼠羊水量增加，但胎鼠的數目和胎重與野生型孕鼠比較沒有顯著差異。與此相反，GUO等[3]研究發現，在胎齡12.5～18.5 d的孕鼠中，與AQP1+/+孕鼠比較，AQP1+/-孕鼠（母本等位基因缺失）和AQP1-/-孕鼠存在胎盤和胚胎過度生長的現象，而AQP1+/-孕鼠（父本等位基因缺失）卻不存在此現象，AQP1母體缺失導致胎盤質量和迷路層面積增加。此外，他們對AQP1進行了印跡分析，發現AQP1的啟動子與外顯子1的甲基化狀態呈負相關。以上研究結果表明AQP1可以通過影響胎盤發育而間接影響胚胎發育。

SHA等[4]發現在低滲和高滲兩種情況下，AQP1基因敲除的滋養層細胞滲透性均顯著低于正常的滋養層細胞。本課題組研究發現，在孕鼠孕齡13.5 d時，AQP1+/-孕鼠、AQP1-/-孕鼠和AQP1+/+孕鼠的羊水量沒有顯著差異[5]。但在孕齡16.5 d時，與AQP1+/+孕鼠相比，AQP1-/-孕鼠的羊水量增多、羊水滲透壓和鈣離子濃度均降低。AQP1敲除后，胎膜的AQP9表達下調而AQP8表達上調。因此，胎膜中AQP1基因敲除與羊水量增加和滲透壓降低密切相關。此外，我們推測在胎盤和胎膜中AQPs的表達和作用存在相互代償機制。

2 AQP1基因敲除對腎臟的影響

應用AQP1敲除小鼠模型的研究發現當血管加壓素受體-2激活，髓質集合管細胞的增殖顯著增加，細胞周期的基因表達改變，AQP1可以促進細胞遷移和細胞增殖，因此AQP1在急性腎損傷后腎小管的結構再生和功能修復中起重要作用[6]。與野生型小鼠比較，患內毒素血癥時AQP1敲除小鼠表現為進水量和尿量的顯著增加，尿鈉排泄量增加，而尿滲透壓顯著降低并伴有更嚴重的腎小管損傷，AQP1敲除小鼠的腎小球濾過率和腎血流量也降低[7]。這些反應表明盡管AQP1敲除小鼠表現為多尿，但是這種多尿并不能減輕內毒素血癥引起的急性腎損傷。

3 AQP1基因敲除對神經系統的影響

研究發現盡管AQP1敲除小鼠脈絡膜叢上皮的腫脹和萎縮速度明顯減慢，但脈絡叢的大小、結構不變，壓力依賴性腦脊液的滲出無明顯變化[8-9]，且腦脊液的空間幾乎與野生型小鼠相同[10]。此外，研究人員還發現無論是小鼠的脈絡叢上皮的Na+依賴性的Cl/HCO3-交換器，還是Na-K-ATP酶的表達都不受敲除AQP1的影響[11]。與野生型小鼠比較，AQP1基因缺失小鼠脈絡叢上皮細胞滲透率降低，腺苷酸環化酶激活劑作用后腦脊液的產生降低20%～25%，顱內壓下降56%，中心靜脈壓也顯著降低，冷刺激所致的腦損傷小鼠存活率提高[8-9]；AQP1缺失導致小鼠無刺激下的心室變小，白陶土誘導的心室擴張減少和腦積水減輕[12]。綜上，AQP1在腦脊液動力學中發揮作用，AQP1的缺失對腦損傷可能有保護作用，AQP1為治療顱內壓升高和腦積水的潛在靶點。

此外，ZHANG等[13]研究發現AQP1的缺失與背根神經節神經元滲透壓降低有關。通過行為學研究發現AQP1缺失的小鼠在緩激肽、前列腺素E2誘發的疼痛實驗中，其疼痛感知能力顯著降低。此外，培養的AQP1敲除的背根神經節神經元和外植體，自發的和神經生長因子刺激的軸突延伸減少[14]。這些結果說明AQP1是背根神經節軸突再生的一個新的決定因子。但是，SHIELDS等[15]的研究表明，無論是從電生理學角度分析還是從非常完整的行為學角度分析，都還沒有發現AQP1敲除小鼠和野生型小鼠在傷害感受處理方面的差異。因此，AQP1在傷害感受器中的作用仍有待確定。

4 AQP1基因敲除對心血管系統的影響

在敲除AQP1的小鼠模型中，一些研究已經描述了AQP1在心血管表型中的作用[16-19]。與相同年齡的野生型小鼠相比，AQP1基因敲除小鼠無論雌雄均表現出明顯的心臟過小，心肌細胞變小，主動脈和腸系膜動脈的動脈壁厚度顯著減少，收縮壓和平均血壓較低（主要發生在夜間），而毛細血管密度和舒張壓無明顯變化[16]。但是，因為AQP1敲除小鼠壓力感受性反射正常，且心率的降低與血管收縮劑誘導的血壓升高成正比，此表現與野生型小鼠相似，所以較低的平均血壓并不是由改變的水平衡或自主功能障礙引起的。此外，AQP1基因缺失伴隨著心臟的AQP4、AQP7、AQP8及主動脈的AQP7的代償性上調[16]。這些發現證實了AQP1在心血管穩態中具有潛在的作用。而且，AQP1缺失惡化了血管緊張素II誘導的動脈粥樣硬化。可見，AQP1正常表達對心血管系統起到保護作用[17]。

然而，AL-SAMIR等[18]研究發現，盡管AQP1敲除小鼠心臟的主要形態改變是心肌變薄，左心室壁厚度變小，心室肌纖維橫截面積減小，毛細血管與肌纖維比值降低，左心室中的毛細血管的絕對密度降低，但即使在多巴酚丁胺的刺激下，麻醉的AQP1敲除小鼠仍然表現出正常的心臟功能。進一步研究發現，因為心肌壁變薄，AQP1缺失明顯限制了常氧或低氧狀態下的最大氧消耗，即最大心輸出量減少[18]。但是，AQP1缺失并不影響動脈血氧飽和度、心率及呼吸速率[19]。因此可能需要通過更深入的研究去驗證AQP1缺失在病理情況下的作用，如在缺血/再灌注和壓力超負荷中AQP1缺失的影響。

5 AQP1基因敲除對眼的影響

體內外的實驗研究發現AQP1缺失降低了角膜內皮細胞對水的滲透性，不利于角膜腫脹后的透明度恢復，具體表現為角膜中的中性粒細胞增多，角膜上皮修復延遲，角膜細胞的遷移減少。研究人員推測AQP1缺失小鼠的角膜基質傷口愈合速度減慢可能是角膜細胞遷移受損的結果[20]。總之，AQP1敲除小鼠表現的角膜恢復明顯受損為角膜水腫的發生機制和治療提供了新的思路。但是，在缺氧誘發的視網膜病變的新生小鼠模型中，視網膜微血管的增生不受AQP1缺失的影響，這提示AQP1抑制劑可用于治療青光眼[21]。這些研究說明AQP1是眼部功能的一個新的重要決定因素。

6 AQP1基因敲除對細胞遷移的影響

目前已經有大量研究證明了AQP1在細胞遷移中起重要作用，這涉及多種生物現象，如血管生成、傷口愈合、腫瘤擴散和器官再生等。應用AQP1敲除小鼠研究發現，AQP1的缺失并不影響軟骨細胞的增殖率，但與AQP1+/+軟骨細胞相比，AQP1-/-軟骨細胞的血清誘導的細胞遷移率和與II型膠原纖維的黏附性以及相對質膜水通透性降低[22]。因此，軟骨細胞中AQP1表達的適當調節可能有助于軟骨細胞的移植和遷移。

另外，乳腺腫瘤病毒誘導的多瘤病毒中T致癌基因小鼠在缺失AQP1時，表現為腫瘤體積減小，微血管密度降低，且腫瘤肺轉移的可能性大大降低，提示AQP1是腫瘤血管生成的重要決定因素，為實體瘤的輔助治療提供了潛在的藥物靶點[23]。通過AQP1敲除小鼠體內分離的腹腔巨噬細胞，發現AQP1缺失自發誘導巨噬細胞伸長、軸向極化及向邊緣趨化，AQP1缺失對巨噬細胞的形態、細胞骨架結構、膜極化及細胞遷移有顯著影響。AQP1敲除小鼠因浸潤巨噬細胞的數量減少而導致腹膜浸潤明顯減弱[24]。

綜上，AQP1對細胞的遷移有抑制作用，AQP1的下調有助于巨噬細胞在組織重塑、愈合和修復中發揮作用。因此，AQP1是潛在的藥理靶點，其對內皮細胞和腫瘤細胞的抑制可限制腫瘤的生長和擴散，而誘導AQP1可能加速傷口愈合，促進器官再生。

7 AQP1基因敲除對腹膜的影響

ZHANG等[25]建立了一種特異性的AQP1敲除小鼠模型，發現小鼠在初始臨床和生物學分析（包括體質量和存活數目）中與正常小鼠無差異。但是，在腹膜平衡試驗中，AQP1敲除小鼠表現為跨細胞水轉運速率顯著下降，而小分子溶解物、尿素和葡萄糖的轉運速率無顯著改變。因此，調節細胞AQP1可能為預防腹膜透析超濾失敗提供一個潛在的治療靶點。

8 AQP1基因敲除對消化系統的影響

AQP1敲除小鼠膽囊對水的通透性減少了10倍，但膽囊的大小、形態，膽汁的滲透壓和鹽濃度均沒有明顯變化，AQP1并不參與膽囊重要生理功能[26]。然而，結扎了膽管的AQP1敲除小鼠表現為：病理性血管生成減少，血管纖維化減少，門靜脈高壓降低，這表明AQP1在慢性肝病期間發生的病理性血管生成中起著重要作用，AQP1將是慢性肝病在分子水平上的合理治療靶點[27]。

9 AQP1基因敲除對腺體分泌的影響

據AQP1敲除小鼠的垂體前葉數據分析顯示，與野生型小鼠相比，AQP1敲除小鼠的垂體和血清中的前體激素轉化酶、羧肽酶E和促腎上腺皮質激素水平降低，與這些研究結果一致，AQP1在AtT20細胞中的表達下調導致促腎上腺皮質激素的分泌減少、致密核心分泌顆粒蛋白的顯著丟失與生成減少[28]。這些發現表明，AQP1對維持分泌功能和顆粒生物合成很重要，此外，另有研究發現在AQP1缺失的淚液中pH不變，但鉀離子含量降低[29]。AQP1在腺體分泌中的具體作用機制還需要進行進一步研究。

10 小結

AQP1是一種選擇性的水通道蛋白，能顯著增強生物膜對水的滲透性。根據AQP1基因敲除小鼠在胎盤、腎、心、腦、腹膜、腺體、眼、膽囊和肝臟中的表型分析，AQP1可以促進上皮間液的吸收或分泌，并在滲透梯度驅動下，在水分子的快速運動中發揮重要作用。應用AQP1敲除小鼠研究獲得的結果，AQP1抑制劑可能成為利尿劑，有望治療腫瘤、青光眼、腦水腫等疾病，而AQP1激動劑可能用于治療多尿、羊水過多，加速傷口愈合，促進器官再生。進一步研究AQP1表達的調節因素，有助于闡明AQP1在相關疾病的發病機制中的作用，使AQP1成為治療疾病的靶點。