水通道蛋白結(jié)構(gòu)及在女性生殖器官中的生理作用

衛(wèi)夢(mèng)南 綜述 劉建 審校

（重慶醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院 產(chǎn)科，重慶 渝中區(qū) 400010）

為維持生命而進(jìn)行的水的輸送是生命必須活動(dòng)。長(zhǎng)期以來普遍認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)外的水分子是以簡(jiǎn)單的跨膜擴(kuò)散方式透過脂質(zhì)雙分子層。近年來，在許多動(dòng)、植物及微生物中相繼發(fā)現(xiàn)類似的專一性運(yùn)輸水的通道，統(tǒng)稱為水通道蛋白(aquaporin，AQP)。它屬于主要內(nèi)源性蛋白(major intrinsic protein，MIP)家族成員之一，是特異性跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)水的通道蛋白，能夠改變細(xì)胞膜對(duì)水的通透性，維持細(xì)胞內(nèi)外水的平衡，在生物體各組織器官中發(fā)揮重要作用。女性生殖器官中的子宮、卵巢、輸卵管部位，卵泡的排卵、月經(jīng)的形成等，都涉及到液體的流動(dòng)以及宮腔或卵泡腔容積的改變。只允許水通過的選擇性通道蛋白即水通道蛋白的存在逐漸清晰。

一、AQPs的發(fā)現(xiàn)和性質(zhì)

1.AQPs的發(fā)現(xiàn)：AQPs是一組廣泛存在于原核和真核生物細(xì)胞膜上選擇性高效轉(zhuǎn)運(yùn)水分子的孔道。第1個(gè)AQPs是1988年由Agre等從紅細(xì)胞膜上分離、純化Rh血型多肽時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)的，是一個(gè)28ku的疏水性膜內(nèi)在蛋白，稱為形成通道的28ku的膜整和蛋白(channel-forming integral membrane protein 28ku，CHIP28)，并于1991年完成了CHIP28的cDNA克隆，1992年在非洲爪蟾卵母細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)中證實(shí)了其水通道功能，確認(rèn)了細(xì)胞膜上存在AQPs的理論。此后，CHIP28經(jīng)人類基因委員會(huì)命名為水通道蛋白1(aquaporin-1，AQP1)，以后又陸續(xù)從哺乳動(dòng)物組織中鑒定出11種AQPs(AQP2～AQP11)，它們與先前克隆的晶體纖維中的MIP有20%～40%的氨基酸序列同源性，所以目前發(fā)現(xiàn)的AQPs屬于MIP家族，后經(jīng)證明MIP也有弱的水通道活性，被命名為AQP0。這些相繼發(fā)現(xiàn)的運(yùn)輸水的通道蛋白被統(tǒng)稱為AQPs。

2.AQPs的分子生物學(xué)特性：迄今為止，哺乳動(dòng)物細(xì)胞膜上已發(fā)現(xiàn)13種AQPs(AQP0～AQP12)[1]。所有已知的動(dòng)物、植物、微生物中的AQPs不同成員之間的基因序列具有一定的同源性，它們含有250～290個(gè)氨基酸。不同AQPs之間的主要差異位于N端和C端，其中，1個(gè)大的外顯子(外顯子1)編碼N端分子，3個(gè)小的外顯子(外顯子2～4)編碼C端分子。AQPs是一種相對(duì)分子量約30KD的糖蛋白，AQPs一級(jí)結(jié)構(gòu)含6個(gè)跨膜區(qū)段和2個(gè)半通道，由疏水蛋白6次跨膜形成5個(gè)環(huán)路(A-E環(huán))，含2個(gè)胞內(nèi)環(huán)(B,D)和3個(gè)胞外環(huán)(A,C,E)，E環(huán)對(duì)外界環(huán)境非常敏感，可激活A(yù)QPs功能，B環(huán)和E環(huán)疏水性，其余環(huán)親水性。

AQPs整個(gè)分子前后兩部分在序列上相似，在膜上呈1800對(duì)稱鏡像結(jié)構(gòu)，接近氨基端和羧基端的B環(huán)和E環(huán)各有由3個(gè)氨基酸(天冬酰氨一脯氨酸一丙氨酸)組成的基元，這是該蛋白家族成員共有的高度同源特征性結(jié)構(gòu)。AQP1、2、5的E環(huán)和AQP3的B環(huán)的萘基酞基氨酸(naphthylphthalamic acid，NPA)序列前均有半胱氨酸，其中E環(huán)的C189為汞抑制部位，并位于水通道核心部位即AQPs“口部”附近的可能性最大，由此推測(cè)AQPs的結(jié)構(gòu)為沙漏模式。B環(huán)和E環(huán)下沉至雙分子層內(nèi)，整個(gè)分子兩部分在NPA處折疊形成狹窄水孔，孔道大小約為一個(gè)單水分子，寬度足以讓水分子魚貫通過，均為汞抑制部位。這一發(fā)現(xiàn)從化學(xué)結(jié)構(gòu)上澄清了水通道蛋白的篩選輸運(yùn)機(jī)制[2]。AQPs的二級(jí)結(jié)構(gòu)由40%的a-螺旋和42%～43%的β片層及轉(zhuǎn)角構(gòu)成；它的三級(jí)結(jié)構(gòu)以四聚體形式存在[3]，每一個(gè)單體都是獨(dú)立的功能性水通道，在膜上處于反向相對(duì)位置的B環(huán)和E環(huán)功能性水選擇性通透十分重要，E環(huán)和B環(huán)呈顯著疏水，它們的任何變異都會(huì)引起水通道活性的下降。

3.AQPs的轉(zhuǎn)運(yùn)功能:AQP家族成員根據(jù)功能特性的差異分為兩個(gè)亞家族：（1）AQP家族，包括 AQP0，AQP1，AQP2，AQP4和 AQP5，有 4O%～5O%的氨基酸同源，對(duì)水的通透性均有高度的選擇性； （2）aquagIyceroporins，包括 AQP3，AQP7，AQP9和AQP10，它們的核苷酸序列相近，對(duì)水的通透選擇性相對(duì)差，對(duì)甘油、尿素等也具有通透性。其他包括 AQP6，AQP8，AQP11和AQP12具有獨(dú)特功能和基因結(jié)構(gòu)(除AQP6)而沒有歸類[4]。水從不同方向接近水孔通道，水分子首先打破自己的氫鍵，再與水孔通道兩個(gè)親水殘基分別形成兩個(gè)相連的氫鍵。水孔通道中Arg-195殘基對(duì)所有陽離子包括H3O+電荷排斥，而NAP結(jié)構(gòu)的兩個(gè)短孔螺旋形成的電偶結(jié)構(gòu)亦可強(qiáng)力阻止陽離子的滲入，這樣就形成了AQPs對(duì)水的專一通透性。

二、AQP在女性生殖器官中的生理作用

1.在子宮上的表達(dá)和功能:AQP1在人類胎盤絨毛膜板的羊膜上皮細(xì)胞及胎膜的羊膜上皮細(xì)胞中均有陽性表達(dá)，主要表達(dá)在羊膜上皮細(xì)胞膜的側(cè)膜。在正常月經(jīng)周期的增生期和分泌期子宮內(nèi)膜均可檢測(cè)到AQP1的mRNA的表達(dá)，AQP1蛋白表達(dá)于子宮內(nèi)膜間質(zhì)的毛細(xì)血管及小血管的內(nèi)皮細(xì)胞。AQP1是血管內(nèi)皮表達(dá)的水通道蛋白，絕大部分都位于細(xì)胞膜脂質(zhì)雙分子層中。AQP1的四聚體結(jié)構(gòu)可能與維持各單體的穩(wěn)定性有關(guān)。

子宮內(nèi)膜腺上皮的AQP2表達(dá)在分泌期高于增生期，以分泌中期最高，這與內(nèi)膜水腫的產(chǎn)生一致。AQP2可能參與人類子宮內(nèi)膜水轉(zhuǎn)運(yùn)，在子宮內(nèi)膜的周期性改變中起重要作用。AQP2的表達(dá)與雌二醇和孕酮的濃度有關(guān)，并受雌激素和孕激素的調(diào)節(jié)。

AQP2在月經(jīng)周期的不同時(shí)期表達(dá)發(fā)生改變，或許對(duì)人類生殖生理非常重要[5]。AQP2的表達(dá)呈周期依賴性，并在腺泡的腺上皮上有表達(dá)，但在間質(zhì)中無表達(dá)，部分血管AQP2染色陽性。在分泌中期，也就是胚胎種植的窗口期，局限于胚胎種植部位，該處血管滲透性急劇增加，與此一致，AQP2在此處血管內(nèi)皮上表達(dá)明顯增加。提示AQP2可能參與內(nèi)膜的水腫，月經(jīng)形成等作用[6]。雌激素對(duì)子宮內(nèi)膜的重要作用是促進(jìn)子宮內(nèi)膜對(duì)水的吸收，雌激素通過雌激素受體a型(ERa)，ERβ發(fā)揮作用，已知雌激素對(duì)生殖的作用主要是通過a受體發(fā)揮作用，敲除a受體的小鼠無生育能力。進(jìn)一步研究表明，雌激素是通過ERa直接調(diào)節(jié)AQP5基因起作用[6]。AQP3和AQP8在子宮上亦有表達(dá)。AQP3主要在腔上皮細(xì)胞表達(dá)，而子宮肌層和腺上皮有部分表達(dá)。AQP3能促進(jìn)水分進(jìn)入腺泡，雌激素能減少宮腔液體的黏性，雌激素的治療使腺上皮細(xì)胞的細(xì)胞膜對(duì)水的通透性明顯增加，雌激素通過上調(diào)AQP3的表達(dá)提高上皮層對(duì)水的通透性[7]。AQP8主要在間質(zhì)細(xì)胞的子宮肌層有表達(dá)，是子宮間質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的唯一AQP，可能有助于水分在該區(qū)域的合理分配。水滲透人子宮組織，從毛細(xì)血管到間質(zhì)細(xì)胞周圍。擴(kuò)散增加，導(dǎo)致血管充血，毛細(xì)血管的通透性增加AQP8可防止水分進(jìn)入子宮肌層，有助于水分在整個(gè)間質(zhì)快速充盈。這些AQP在限制水分進(jìn)入間質(zhì)層防止肌層水腫方面起重要的作用。

2.在卵巢和輸卵管上的表達(dá):AQP2在胰腺、輸卵管和周圍神經(jīng)中也有較弱的表達(dá)，AQP2在輸卵管的表達(dá)位于卵巢皮質(zhì)細(xì)胞膜的頂端或頂端下方。AQP3在卵巢上也有較弱的表達(dá)，主要在原始的卵母細(xì)胞、黃體、子宮內(nèi)層上皮細(xì)胞、輸卵管和宮頸上表達(dá)。在輸卵管內(nèi)，AQP3在非纖毛細(xì)胞和纖毛細(xì)胞上都有表達(dá)，但在纖毛上皮表達(dá)更明顯[8]。AQP4是哺乳動(dòng)物大腦中最重要的水通道。敲除AQP4能降低雌、孕激素的濃度。研究表明，AQP4不僅能調(diào)節(jié)水和離子的轉(zhuǎn)運(yùn)，而且調(diào)節(jié)卵巢激素和神經(jīng)遞質(zhì)的功能[9]，與癲癇的發(fā)作有密切關(guān)系[10]。在促性腺激素釋放激素(GnRH)的刺激下，竇卵泡的形成是一個(gè)快速的過程，卵泡腔擴(kuò)張的速度是前竇卵泡期的50倍。Powers等[11]發(fā)現(xiàn).卵泡確實(shí)能在竇卵泡和卵泡的血供間維持一種選擇性屏障，甚至對(duì)離子都不例外。此外，竇卵泡發(fā)育需要大量水的吸收液，不可能通過多層顆粒細(xì)胞從細(xì)胞外周獲得。因此，進(jìn)入卵泡腔的水有著更直接、相當(dāng)短的途徑通過顆粒細(xì)胞的胞質(zhì)，這個(gè)途徑就是水通道，研究發(fā)現(xiàn)，水分子進(jìn)入卵泡的速率是菊糖的3.5倍。卵泡腔液體的形成是跨細(xì)胞膜完成的，而不是圍繞細(xì)胞外周的滲透完成[12]。

三、展望

AQP在女性生殖器官的生理過程中起到了重要作用。隨著研究的進(jìn)展，AQP將會(huì)為一些與水代謝有關(guān)的婦產(chǎn)科疾病的研究提供新思路，為臨床治療婦產(chǎn)科疾病提供新方法。

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