泌尿外科疾病中Uroplakins的研究進展

周 輝，李宜桓，陳書練，羅 旭

Uroplakins(Upk)是一類在脊椎動物體內廣泛分布的完整膜蛋白，主要分布于尿路上皮傘狀細胞層，是尿路斑塊的主要組成部分，因此又稱為尿斑蛋白。Upk主要包括Upk1A、Upk1B、Upk2、Upk3A和Upk3B，其中Upk1A和Upk1B是具有40%同源性的四跨膜蛋白，Upk2和Upk3為單跨膜蛋白。Upk3B在尿路上皮斑塊中的表達水平較低，通常不足Upk3A的10%，但在內臟間皮組織和視網膜色素上皮細胞中大量表達。此外，在胃、腎、前列腺、生殖腺等多種非尿路上皮組織中，亦發(fā)現多種Upk的表達。

Upk的主要功能是形成尿路上皮的血尿屏障，防止膀胱中尿液的水和其他溶質進行跨細胞膜轉運。Upk的破壞和異常表達會損害尿路上皮屏障功能，導致尿路系統異常。大量研究表明，Upk在多種泌尿系統相關疾病的病理和發(fā)病機制中起重要作用。因此，深入了解Upk在泌尿外科相關疾病中的表達和作用，將有助于疾病的進一步診斷與治療。

1 Upk是構建尿路屏障的主要蛋白

生理條件下尿路上皮傘細胞的頂端質膜上被大量的斑塊蛋白覆蓋，這些斑塊的外葉比內葉厚，稱為不對稱單位膜(asymmetric unit membrane, AUM)。AUM蛋白顆粒主要由Upk1A、Upk1B、Upk2和Upk3A構成，呈六邊形排列，直徑為16 nm[1]。在內質網中Upk1A與Upk2組成異二聚體，Upk1B與Upk3A組成異二聚體，并轉運至高爾基體進行下一步合成。Upk2前序列上3個N-糖基化位點中的2個多糖在高爾基體中形成復合多糖，并在反面高爾基體管網狀結構中通過弗林蛋白酶的作用去除，在糖基化修飾和構象變化的作用下組成異四聚體(Upk1A/Upk2-Upk1B/Upk3A)。六個異四聚體組裝成16 nm的環(huán)形二維晶體結構，在高爾基體后囊泡中排列成緊密的半結晶狀斑塊蛋白[2]。在細胞角蛋白的調節(jié)下，斑塊蛋白從高爾基體轉運到頂端質膜，導致高爾基體在細胞中碎裂和重新分布，大量肌動蛋白微管發(fā)生重新排列，細絲從細胞質內消失[3]。AUM通過鉸鏈區(qū)相互連接，賦予了傘細胞層高度的可塑變形性和順應性，從而適應膀胱從充盈到排空過程中經歷的形態(tài)變化。

Upk正確合成尿路斑塊是尿路屏障形成的基礎。Upk基因敲除的小鼠表現為AUM結構改變和屏障功能缺陷。Upk1B基因敲除后的小鼠無法產生Upk1B/3A二聚體，AUM的形成受阻[4]。Upk3基因缺陷的小鼠Upk1B表達上調且無法正常進行糖基化，無法形成正確的AUM結構，其尿路上皮通透性顯著增加，但跨膜阻力表達正常[5]。Upk2基因敲除小鼠的尿路上皮斑塊完全丟失，由于Upk3B的存在，Upk3A基因敲除小鼠的尿路上皮斑塊丟失70%～80%。

2 Upk在泌尿系統發(fā)育中的作用

胚胎期Upk在膀胱、輸尿管和腎盂的尿路上皮中表達，其表達量與尿路上皮斑塊形成的數量一致。研究發(fā)現，源自胚胎期輸尿管芽上皮細胞的Sec10對尿路上皮發(fā)育和屏障功能建立有至關重要的作用，Sec10基因敲除后Upk3表達完全缺失，未觀察到尿路斑塊形成和尿路上皮分化[6]。Upk3基因缺失小鼠表現為腎盂擴張、腎積水，并且可導致原發(fā)性膀胱輸尿管反流(vesicoureteric reflux, VUR)。文獻報道，在Upk3A基因突變的患者中發(fā)現腎發(fā)育不全、泄殖腔畸形和VUR等畸形[7]。Upk2基因突變小鼠因輸尿管內尿路上皮細胞增生出現梗阻性先天性腎病，最終死亡[8]。Upk1B基因敲除小鼠發(fā)生進行性腎積水，約16%出現單側重復腎畸形[4]。因此，Upk缺失和異常可能導致腎臟發(fā)育不良。

尿路上皮和生殖系統具有相同的胚胎起源，因此在多處生殖系統組織中發(fā)現Upk的表達。Upk在人類胚胎生殖竇和尿道中表達，然而隨著男性陰莖、尿道的發(fā)育和包皮、龜頭結構的成形，Upk的表達量逐漸減弱直至消失[9]。在人類女性生殖道中亦未觀察到Upk表達[10]。Upk1A、Upk1B、Upk2和Upk3B在雄性小鼠的前列腺、睪丸、精囊和精子中大量表達[11-12]。組織學分析表明，Upk3B在精子細胞成熟期被特異性激活[13]。Upk基因敲除小鼠的體外受精率和產仔數均下降，提示Upk可能在受精過程中起重要作用[11]。

3 Upk在膀胱癌中的作用

尿路上皮癌占膀胱癌的90%以上，Upk在大多數膀胱尿路上皮癌中表達，而在非尿路上皮癌中不表達。因此，Upk的特異性抗體在臨床上用于鑒定尿路上皮起源的膀胱腫瘤病變。腫瘤組織破壞了正常尿路上皮結構，Upk在血液和尿液中的釋放量明顯增多。在膀胱癌組織中，Upk1A的表達較癌旁組織明顯上升，且與臨床預后不良相關，是影響患者生存率的重要預后因子。在尿路上皮癌細胞株(T24)中，siRNA轉染Upk1A可抑制T24的增殖并促進細胞凋亡[14]。在肝癌細胞中亦發(fā)現相同情況，缺氧下Upk1A與HIF-1α結合從而促進癌細胞的增殖和糖酵解，其中長鏈非編碼RNA Upk1A-AS1起關鍵作用[15]。Upk1B在膀胱癌中表達增高，且與腫瘤轉移、預后不良密切相關，下調Upk1B后可明顯降低癌細胞的增殖、侵襲和轉移能力，可能通過Wnt/β-catenin信號通路發(fā)揮作用[16]。Upk2是尿路上皮細胞譜系標志物，在尿路上皮來源腫瘤的鑒別和診斷中的價值優(yōu)于S100P、GATA3和THBD等[17]。Upk2在尿路上皮癌免疫組化中呈胞膜和胞質內彌漫性表達，在與其他來源腫瘤的鑒別中具有較高的特異性和敏感性[18]。膀胱癌患者的血漿Upk2平均濃度較正常對照組高1.4倍，尿液Upk2平均濃度高3.4倍[19]。在非浸潤性膀胱癌和浸潤性膀胱癌、低級別組和高級別組對比發(fā)現，血漿和尿液的Upk2濃度均無統計學差異。Upk3A在膀胱癌患者血漿和尿液中的表達明顯升高，且在低級別組和高級別組之間差異有顯著性，提示Upk3A濃度在膀胱癌分級中有較高的應用價值[20]。Tsumura等[21]檢測血清中Upk3的濃度，發(fā)現其表達量和肌肉侵襲、淋巴血管侵犯存在顯著相關性，浸潤性膀胱癌的血清Upk3濃度明顯高于非浸潤性膀胱癌。因此，高血清Upk3可能提示膀胱癌患者預后不良。

值得關注的是，Upk在其他腫瘤中亦發(fā)揮重要作用。Upk1A在肺癌[22]、子宮內膜癌、胰腺癌、肝細胞癌[15]中升高，但在食管癌[23]、結直腸癌[24]、胃癌[25]中表達降低。在食管鱗狀細胞癌中，Upk1A的低表達與腫瘤轉移和預后不良相關，同時發(fā)現Upk1A啟動子區(qū)域高甲基化，去甲基化處理后可恢復Upk1A的表達[23]。Upk1B在腎癌組織中表達增加，過表達Upk1B能增強N-α-乙酰基轉移酶10(NAA10)引起的增殖作用[26]。Upk2在乳腺大汗腺癌和浸潤性小葉癌中表達[27]。卵巢Brenner瘤常伴尿路上皮化生，在Brenner瘤可見Upk3表達[28]。根據癌癥基因組圖譜中的基因表達數據，Upk3A在前列腺癌中的表達比膀胱癌中更高[17]。Upk3B是間皮細胞的特異性標志物，在間皮瘤中表達降低[29]。

4 Upk在膀胱炎中的作用

細菌性膀胱炎主要由尿路致病性大腸桿菌(uropathogenic escherichia coli, UPEC)引起，大多數UPEC分離株均表達1型菌毛黏附素(FimH)，FimH能識別糖基化的Upk1A并特異性結合其核苷酸結構序列，從而啟動UPEC對宿主的入侵、定植與增殖，促進尿路上皮細胞內細菌群落的形成。將Upk1A的天冬酰胺連接糖基化位點(Asn169)替換為非糖基化位點(Gln169)后，FimH無法與Upk1A正常結合，UPEC定植與中性粒細胞浸潤較正常小鼠明顯減少[30]。Upk1A胞外環(huán)結構上的糖基化位點可聚集相對分子質量為(2.0～3.0)×104的高甘露糖，是FimH黏附的關鍵。FimH拮抗劑甘露糖苷能有效抑制FimH的黏附作用，從而阻斷UPEC與Upk1A的結合，是治療UPEC感染的有效靶點[31]。FimH還通過酪蛋白激酶Ⅱ誘導Upk3A結構域中的Thr244磷酸化，細胞內Ca2+升高，促進UPEC誘導的細胞凋亡[32]。敲低Upk3后UPEC誘導的細胞凋亡明顯減少，Upk1B可促進Upk3的表達與結合，進一步加劇UPEC的感染程度[33]。敲除Upk1B后，尿路上皮的細菌負荷明顯減少[4]。

間質性膀胱炎(interstitial cystitis, IC)為一種病因不明、以疼痛和下尿路癥狀為主要表現的臨床綜合征，其主要特征是尿路上皮通透性增加、屏障功能受損導致大量炎性物質聚集，并刺激神經元產生疼痛和相關癥狀。Zeng等[34]檢測到IC患者的膀胱組織中Upk1A、Upk1B、Upk2的表達水平顯著降低，而Upk3表達量增加，同時還發(fā)現Upk3的選擇性剪接體Upk3-delta4表達增加。與潰瘍性IC、正常對照組相比，非潰瘍性IC患者膀胱組織中Upk3表達明顯升高。Cho等[35]的研究顯示，在潰瘍性IC患者的非潰瘍部位中Upk3表達明顯升高。非潰瘍性IC在膀胱鏡檢查中缺乏表達，Upk3的表達水平可能在潰瘍性IC和非潰瘍性IC的鑒別具有重要的臨床意義。Upk3增加CD4+T細胞對尿路上皮細胞的自身免疫反應，引起膀胱的炎癥浸潤、超敏反應和相關癥狀。已有實驗通過注射UPK3A 65-84肽誘導IC的表型特征，建立實驗性自身免疫性膀胱炎的動物模型[36]。

出血性膀胱炎往往因腫瘤接受化療或放療引起，環(huán)磷酰胺(cyclophosphamide, CYP)是引起出血性膀胱炎最常見的化療藥物。腹腔注射CYP后，大鼠的尿液中Upk2濃度明顯增加，并出現嚴重血尿。出現明顯血尿的大鼠Upk2濃度高于無明顯血尿的大鼠，提示Upk2的濃度水平可能與血尿的嚴重程度有關[37]。使用腎上腺素進行膀胱內灌注后Upk2的表達水平上升，膀胱黏膜水腫和出血等情況得到緩解。腹腔注射CYP后小鼠膀胱組織中的Upk3A表達水平明顯下降，S-烯丙基半胱氨酸(SAC)是一種有效的尿路保護劑，使用SAC治療后上調了Upk3A的表達水平。

5 展望

隨著近年對Upk結構和功能的研究逐漸深入，Upk在泌尿外科疾病中的作用有了更清楚的認識。Upk是尿路屏障的主要構成蛋白，在病理條件下受表觀遺傳變化的調控。Upk的表達變化與膀胱癌的轉移、分期和預后有密切聯系。Upk可能改變細菌入侵和炎癥浸潤，從而影響膀胱炎的發(fā)生、發(fā)展。目前，越來越多的研究證實Upk在其他組織和疾病中的表達，Upk與多種腫瘤的發(fā)展有密切關系。目前，Upk的研究不再限于尿路上皮炎癥和腫瘤，但國內相關報道較少，Upk在不同系統疾病中的病理改變和分子機制仍值得進一步探討。