水通道蛋白在眼科疾病中的研究進展

劉佳豪，金英姬，魏琴琴，胡曄瑋，苗馨月，邢源琛，金玉姬，王 程

0引言

水分子在體內的轉運主要依靠滲透壓的自由擴散，在某些生理和病理生理過程中，特異性水通道蛋白(aquaporins，AQPs)對水分子轉運有重要作用[1]。AQPs是一類具有活化能低、選擇性高、能迅速轉運水分子的跨膜通道蛋白家族，于1988年在美國學者分離純化紅細胞膜Rh血型抗原核心多肽時被發現。AQPs廣泛存在于腦、腎臟、眼等部位，已知在哺乳動物中存在13種AQPs表達。眼是由許多不同類型的細胞及組織構成的用以傳導視覺的感覺器官，眼組織內正常的水平衡對于維持視網膜、晶狀體和玻璃體的正常結構與功能及眼內壓調節有著重要的作用。本文就AQPs在眼內的表達及其與眼科疾病的相關性進行綜述，為臨床治療與水轉運相關的眼科疾病提供研究依據，也為AQPs在眼科系統疾病中的治療提供新的藥物靶點。

1 AQPs在眼內的表達及其生理功能

1.1AQPs的分子結構AQPs是一類分子量約為25～30kD的含有250～290個氨基酸的4個對稱排列的圓筒狀亞基包繞而成的四聚體，每個單體在功能上都獨立參與水平衡的代謝調節。一級結構包含6個跨膜區域和5個環，以及N端和C端兩個跨膜結構域[2]。

1.2AQPs在眼內的表達及其生理功能目前為止，AQPs家族共有10種亞型在眼組織中被發現，發揮著多種重要的生理功能。AQPs在眼組織中表達部位見表1[3-9]。

表1 AQPs在眼組織中表達部位

1.3眼組織中重要AQPs的生理功能

1.3.1AQP0 AQP0在起初被認為是結構蛋白，但通過基因測序發現與AQPs家族基因序列具有同源性，提示它屬于該家族成員[10]。AQP0有較弱的水通道活性，受到H+和Ca2+調節[11]。AQP0四周由連接子有序地相連排列于晶狀體纖維細胞上，與維持晶狀體正常的水代謝及透明度密切相關[12]。

1.3.2AQP1 AQP1在眼內主要表達于晶狀體上皮細胞(lens epithelial cells, LECs)頂端、睫狀體非色素上皮細胞和基底外側膜，其功能也與這種特異性分布相關。(1)維持晶狀體透明度：研究發現AQP1缺失會使晶狀體含水量異常增高，并可誘發小鼠晶狀體混濁而繼發白內障[13]，故AQP1能維持晶狀體透明度，從而對抗白內障的發生。(2)參與房水的產生與調節：睫狀體非色素上皮和色素細胞，分別連接房水和睫狀體基質，共同協作來產生和分泌房水，AQP1在睫狀體中僅分布于非色素上皮[6]。當血液經過睫狀體時一部分物質會被濾至血管和色素上皮之間，大部分間隙液被睫狀體上皮細胞吸收后分泌至后房形成房水；而非色素上皮的基側質膜存在大量的Na+-K+-ATP酶，可將濾過的離子和液體泌入后房。同時，AQP1在小梁網、Schlemm管等也存在表達，這些部位的共同點是均不存在Na+-K+-ATP酶且有較高的滲透性，可能是由于AQP1為房水排出提供一個高效通路，讓這些部位與睫狀體非色素上皮細胞共同參與房水產生與調節[14]。(3)參與角膜基質厚度反應：將AQP1缺陷小鼠與野生型小鼠角膜基質相比，前者纖維間距減少25%，角膜厚度降低20%，并對角膜透明度產生輕微損害[15]。(4)參與角膜細胞損傷的修復：AQP1也表達在角膜細胞中，且在炎癥反應和傷口愈合過程中表達增加，AQP1缺乏會降低角膜細胞增殖和遷移的能力[16]。

1.3.3AQP4 AQP4主要表達于視網膜Müller細胞足突區、角膜內皮細胞、虹膜色素上皮細胞等[17]，目前已知具有如下功能：(1)介導視網膜的興奮性：Müller細胞屬于眼內的神經膠質細胞之一，AQP4在Müller細胞中含量非常豐富，在神經活動時可介導足突區的高效水轉運，同時Kir4.1通道與AQP4在視網膜Müller細胞形成多蛋白復合體，AQP4也參與了K+的虹吸過程。AQP4對于Müller細胞和雙極細胞間的視網膜信號轉導極為重要[18]；表明AQP4也參與了K+的虹吸過程，此過程對于Müller細胞和雙極細胞間的視網膜信號轉導極為重要。(2)維持角膜的透明性：角膜內皮與房水接觸，細胞膜上存在著相關作用酶使Na+、Cl-和水共同自角膜向房水轉運，形成滲透壓梯度，角膜上皮細胞中的AQP4與基質和內皮層中的AQP1共同介導水的高效轉運[19-20]，這一過程與保持角膜的適當水分和維持角膜透明性密切相關。(3)參與房水的產生與調節：AQP4兼有滲透壓感受器功能，在滲透壓介導的房水產生與調節的過程中發揮重要作用。

1.3.4AQP5 晶狀體除表達AQP0和AQP1以外，陸續在其中發現AQP5的轉錄產物[21]。研究證實它參與纖維細胞的分化，表明AQP5是構成晶狀體纖維細胞膜的重要組分之一[22-23]；且AQP5在晶狀體內部的微循環中發揮關鍵作用，能維持其正常生理功能和透明度，尤其是在發生損傷時起到保護作用[24]。

1.3.5其他AQPs AQP3缺失可致小鼠角膜上皮損傷后修復與再生能力下降，表明AQP3與角膜上皮的增殖與遷移有關[25]。AQP9是唯一在視乳頭星形膠質細胞及神經節細胞層均表達的AQPs，可能參與其生理代謝活動[26]。

2 AQPs與白內障

白內障是指晶狀體混濁或顏色改變所致的光學質量下降的視覺障礙性疾病。研究發現AQP0、AQP1和AQP5在LECs和纖維細胞膜上均有表達[5-9]，與各種白內障存在密切聯系。

2.1AQPs與年齡相關性白內障年齡相關性白內障多見于中、老年人，是最常見的白內障類型，研究證實其發生與AQP0、AQP1的表達量下降有關[27-33]。

2.1.1AQP0通路與年齡相關性白內障的關系研究發現年齡相關性白內障晶狀體中AQP0表達量下降[28]，而晶狀體纖維細胞中的AQP0具有黏附分子的功能，確保光線于視網膜上準確聚焦；隨著年齡的增加，會促進AQP0裂解物進入胞質且伴隨著細胞膜損傷，形成含AQP0的脂質囊泡，會引起晶狀體的核性混濁和對光的散射[30]，從而導致白內障的發生。

2.1.2AQP1通路與年齡相關性白內障的關系晶狀體并不含血管，主要依靠房水和玻璃體的簡單擴散及晶狀體細胞充足的水轉運來保證其營養供應。AQP1在正常LECs中存在表達，但在年齡相關性白內障中表達量降低，這會導致晶狀體結構和功能發生紊亂，從而引起白內障。其原因有兩方面：(1)AQP1分子結構的中第189位氨基酸殘基半胖氨酸(-SH)被氧化后導致Na+-K+-ATP酶的功能發生改變，LECs出現代謝障礙，晶狀體隨之發生腫脹、變性[31]；(2)LECs中cAMP依賴性AQP1磷酸化水平降低以及Ca2+平衡紊亂[32-33]，均會導致AQP1的水轉運功能異常，晶狀體代謝障礙，形成白內障。這些發現提示我們可以通過藥物或某些技術手段來促進AQP0和AQP1的表達或抑制其降解，改善年齡相關性白內障的臨床癥狀。

2.2AQPs與先天性白內障先天性白內障以常染色體顯性先天性白內障(autosomal dominant congenital cataract，ADCC)最常見，研究證實AQPs的基因改變與先天性白內障發生發展關系最為密切[34-40]。

2.2.1AQP0突變與ADCC的關系目前為止發現了AQP0的多種突變形式均可引起ADCC。人類已知的錯義突變包括T138R、E134G、R233K、R33C、V1071、Y177C、R187C[36]、p.D150[37]。在此以前兩種舉例說明其機制：AQPs發生C→G突變，導致第138位密碼子由蘇氨酸變為精氨酸(T138R)[38]，第二外顯子發生A→G突變，導致第134位密碼子由谷氨酸變為甘氨酸(E134G)[37]；第6個TM結構域遠端與C端結構域置換，導致缺失突變Δ213-AQP0發生，致使細胞定位異常[39]；通過激活MIP基因3’UTR中的一個未知的受體剪接位點而導致異常剪接，發生MIPc.607-1G>突變[36]；雜合子C.2T>C(P Met1)外顯子1的突變通過影響起始密碼子，可能導致激活新的翻譯起始位點或相應蛋白質產生發生障礙[40]；在人類中的Asp150His、Tyr219stop的AQP0突變，MIP(c.494G>A)的新突變導致AQP0向纖維細胞的轉運功能發生障礙而導致白內障發生。

2.2.2AQP1突變與ADCC關系AQP1缺失的小鼠晶狀體與野生型小鼠相比，水通透性約下降3倍[41]；Ruiz-Ederra等[42]通過體內和體外實驗發現，AQP1缺乏小鼠的晶狀體在應激條件下均可被誘發出白內障。

2.3AQPs與糖尿病性白內障糖尿病性白內障多見于病情嚴重的幼年型患者，是糖尿病最常見的并發癥。研究證實該疾病發生與晶狀體中AQP0、AQP1的表達量及構象改變密切相關[43-44]。

2.3.1AQP0與糖尿病性白內障的關系AQP0構象會因糖基化而發生改變，以至于鈣調蛋白結合力降低，水分蓄積導致晶狀體膨脹[45]；同時可使連接子退化導致AQP0在此排列紊亂，影響晶狀體纖維細胞正常代謝，從而導致糖尿病性白內障的發生[46]。

2.3.2AQP1與糖尿病性白內障的關系糖尿病的晶狀體囊膜會因機體的高滲狀態導致LECs細胞膜上Na+-K+-ATP酶活性受抑，晶狀體纖維變性，出現不溶性蛋白的凝聚體[47]；且隨著疾病發展，葡萄糖的轉化過程中會消耗大量的環磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)導致AQP1磷酸化水平降低，使晶狀體膜的結構和功能受損，AQP0、AQP1表達下降[47]，這進一步加劇了物質代謝障礙，加速糖尿病性白內障發生。

3 AQPs與青光眼

青光眼以特征性視神經萎縮和視野缺損為特征，病理性眼壓增高是其主要危險因素，眼壓異常變化與房水的產生與調節受阻密切相關。如前述，睫狀體非色素上皮細胞、Schlemm管等共同參與房水產生與調節[14]，Müller細胞參與視網膜的信號轉導[17-19]，在上述細胞中表達的AQPs以AQP1和AQP4為主，接下來就探討它們在青光眼發生發展中的機制。

3.1AQP1與青光眼的關系前述AQP1表達于睫狀體非色素細胞、Schlemm管等部位，這些部位雖然沒有Na+-K+-ATP酶，卻具有較高的滲透性，推測是AQP1為房水排出提供了一個專有通路。若此通路異常，則會導致房水的產生與調節過程受阻，最終演變為青光眼[14]。

3.2AQP4與青光眼的關系前文已述AQP1和AQP4共同參與房水的產生與調節，這里主要探討AQP4與神經節細胞凋亡、視網膜水腫間的關系。研究證實在青光眼的進程中，神經膠質細胞出現活化并伴有明顯的結構變化[48]，這也是青光眼以視網膜神經節細胞進行性凋亡為最終結局的原因。視網膜星形膠質細胞在受到病理因素刺激時可活化并表達膠質纖維性酸性蛋白質(glial fibrillary acidic protein，GFAP)。前述AQP4通過Kir4.1通道參與K+的虹吸，神經節細胞凋亡的始動環節是細胞內K+濃度下降。有趣的是，AQP4表達增加會使神經元細胞內K+濃度降低，GFAP表達增加，阻礙神經信號轉導。有學者通過建立慢性高眼壓模型來研究AQP4與青光眼的關系發現，AQP4會加速慢性高眼壓過程中的視網膜損傷[49]，這也預示AQP4有可能成為視神經損傷治療的新靶點。

4 AQPs與視神經脊髓炎

視神經脊髓炎(neuromyelitis optic，NMO)是一種主要累及視神經和脊髓的自身免疫性疾病，研究證實NMO與AQP4和AQP1的表達異常密切相關[50-52]。

4.1AQP4與NMO的關系1994年，Hasegawa等[53]在動物體內發現了AQP4抗體，揭示NMO的發病機制：AQP4抗體可與嗜中性粒細胞結合產生細胞毒作用而破壞星型膠質細胞胞膜，還可與谷氨酸轉運體-2結合并形成免疫復合物，同時激活補體、使谷氨酸的轉運被調整，導致少突膠質細胞破壞、髓鞘裂解，最終發生NMO[54]，這也證實了NMO是一種自身免疫性疾病，并為免疫抑制劑在NMO中的應用提供依據。多項臨床研究發現AQP-4 Ab與NMO的關聯性很強，現AQP-4 Ab在臨床中已作為NMO的特征性診斷標志之一，在將來若針對AQP-4 Ab與NMO的相關性進行特異性研究，有望為NMO的藥物研發提供新思路。

4.2AQP1與NMO的關系AQP1在NMO病變易損害區域的星型膠質細胞中廣泛存在，且在典型NMO病灶周圍表達明顯減少[55]。與AQP4在NMO病變區域星型膠質細胞的表達類似的是，AQP1也會在此選擇性減少或轉移到該細胞的內顆粒中[56]；Tzartos等[57]在疑似NMO患者的血清中發現可以檢測到AQP-1 Ab，后續研究發現NMO患者中AQP-1 Ab陽性與AQP-4 Ab陰性的臨床表現相似，據此推測，在AQP-4 Ab陰性NMO患者中，可以考慮對AQP-1 Ab進行檢測，在將來AQP1 Ab可能成為其新型生物標記物。

5 AQPs與視網膜疾病

視網膜是眼球后部最內層組織，其結構精細功能復雜，極易受到內外因素的破壞而發生病變，這里主要介紹糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy，DR)和繼發于各種眼科疾病出現的視網膜水腫。

5.1AQPs與DR DR是糖尿病最常見的慢性并發癥之一，是指糖尿病導致的視網膜微血管損害的一系列典型病變，有研究發現AQP1、AQP4在DR的發生發展中起著重要的作用[58]。

5.1.1AQP1與DR Madonna等[59]發現DR患者的高滲狀態會促進AQP1的表達增加，進而通過滲透調控轉錄因子誘導內皮細胞表達環氧酶，以此促進新生血管的形成。

5.1.2AQP4與DR DR發生發展的關鍵一步是血-視網膜屏障(blood-retinal barrier，BRB)功能發生障礙[60]，研究表明AQP4在此病理過程中起了重要作用，其機制詳見下文。

5.1.3其他AQPs通路與DR 隨著DR病程進展，AQP5、AQP9在視網膜色素上皮細胞中均表達增加，AQP6在外界膜表達下降[61]。由于AQP9可參與乳酸鹽運輸，推測視網膜色素上皮細胞中表達增加的AQP9參與清除視網膜下間隙的乳酸鹽。

5.2AQPs與視網膜水腫視網膜水腫一般繼發于其他眼科疾病出現，如青光眼、DR等。發生機制一方面與視網膜液體正常轉運功能受損有關，另一方面為BRB的功能發生障礙，血漿滲漏至神經上皮層所致。

Müller細胞參與BRB的建立，對視網膜起支持作用，同時和視網膜色素上皮細胞共同介導水的高效轉運[62]。Müller細胞受到高糖或應激刺激時會分泌出血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)等增加血管通透性的因子，同時分泌基質金屬蛋白酶，使血管內皮細胞損傷，發生血管滲漏，造成視網膜水腫[63]。前文已述Müller細胞介導水跨膜轉運功能的物質基礎是AQP4，因此任何造成的AQP4異常表達和影響K+通透性的因素，均可造成視網膜水腫。

6 AQPs與葡萄膜炎

葡萄膜炎包括感染性和非感染性。非感染性又可分為外源性和內源性兩類，內源性與自身免疫反應有關，外源性則見于手術及外傷等。有研究發現在自身免疫性葡萄膜炎(ERU)中，AQP11成為調節量最顯著的蛋白[64]。Deeg等[65]通過建立馬的ERU和視網膜炎癥模型，發現在該模型下AQP11在Müller細胞中表達量顯著降低，但Müller細胞仍然存在，因此AQP11的減少并不是繼發于表達位點的丟失，而是主動從Müller細胞中脫落，研究者推測這可能與神經炎癥相關。進一步研究發現若AQP11的表達量異常，可導致細胞腫脹，繼發視網膜水腫。這也從側面推測葡萄膜炎是一種自身免疫性疾病，應用免疫抑制劑局部治療或許會使患者從中獲益。

7小結和展望

AQPs從1988年被發現以來，許多學者對這個水分子特異性跨膜轉運蛋白進行了很多豐富而深刻的研究，AQPs在眼科疾病中的研究也在逐步深入。作為眼部組織中長期活躍存在的AQPs，對于維持正常的眼部結構及生理功能有著重要的生物學意義，同時也介導著多種眼科疾病的發病過程。隨著對AQPs在生理和病理狀態下表達調控的分子生物學研究的推進，我們將更清楚它在介導病理和病理生理過程中的機制，在未來可通過一定的技術手段對AQPs的表達、結構進行修復及功能改變，有望成為眼科疾病治療的新藥物靶點。有關AQPs家族，仍然有許多奧秘等待我們去探索。