水－甘油通道蛋白7基因（AQP7）的研究進展

潘 虹，楊東英，陳 宏

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院，陜西省農(nóng)業(yè)分子生物學(xué)重點實驗室，陜西 楊凌712100；2.德州學(xué)院生物系，山東 德州253023）

水通道蛋白家族是一個普遍存在于微生物、植物、及動物界的運輸水分的跨膜蛋白，它不僅可以在滲透梯度的推動下透過細胞膜進行水的運輸，而且其個別家族成員還參與甘油、尿素和某些無機離子的運輸［1］。研究者Peter Agre及其合作者偶然在紅細胞膜上發(fā)現(xiàn)28kD的疏水性跨膜蛋白—水通道蛋白1（AQP1），并在非洲爪蟾卵母細胞表達系統(tǒng)中證實了其水通道功能［2～4］。這一發(fā)現(xiàn)從分子水平揭示了水快速跨膜轉(zhuǎn)運調(diào)節(jié)的基本機制，Peter Agre也因此獲得了2003年諾貝爾化學(xué)獎。迄今為止，在哺乳動物中，經(jīng)分子克隆發(fā)現(xiàn)了13個水通道蛋白家族成員（AQP0－12），按其轉(zhuǎn)運功能劃分為兩個亞家族：即水通道蛋白亞家族（Aquaporin，包括AQP0、AQP1、AQP2、AQP4、AQP5、AQP6、AQP8及AQP11）和水－甘油通道蛋白亞家族（Aquaglyceroporin，包括AQP3、AQP7、AQP9、AQP10及 AQP12）［5］。1997年，水－甘油通道蛋白7基因（AQP7，也叫AQPap7）幾乎同時分別從人類的脂肪組織cDNA和大鼠睪丸組織cDNA中克隆得到［6，7］。之后大量研究發(fā)現(xiàn)，AQP7是脂肪細胞唯一的水甘油通道蛋白［8］，它與機體脂肪細胞、脂肪組織的形態(tài)、生理變化及肥胖的形成密切相關(guān)，還在保持機體能量平衡和葡萄糖穩(wěn)態(tài)方面中發(fā)揮著重要作用，同時與糖尿病、脂肪肝、動脈粥樣硬化等糖脂代謝疾病的發(fā)生有關(guān)。

1 AQP7的結(jié)構(gòu)與分布

人類的AQP7基因定位于9號染色體（9q13），基因全長18kb，由八個外顯子組成，編碼342個氨基酸［9］。AQP7不同于該家族其他基因，它在不同物種之間的保守性很低，人的此基因的氨基酸序列同小鼠和大鼠相比較相似性分別為68%和67%，造成以上保守性低的可能原因是選擇性剪接［9，10］。

AQP7與其它的膜蛋白相同，具有6個公認(rèn)的跨膜片段及3個胞外環(huán)和2個胞內(nèi)環(huán)，氨基和梭基末端位于胞內(nèi)。其蛋白通道的結(jié)構(gòu)里都含有兩個高度保守的天冬氨酸－脯氨酸－丙氨酸序列（Asn－Pro－Ala，NPA），這兩個序列形成一種具有“砂漏”形狀的孔狀通道，供水分子雙向通過，每4個通道又以四聚體的形式橫跨在細胞漿膜上［10］。

研究發(fā)現(xiàn)在哺乳動物中APQ7除在脂肪細胞大量表達外［6］，還在腎臟［11］、睪丸［7］、免疫系統(tǒng)［12］、心臟［13］、內(nèi)耳［14］、骨骼?。?5］、子宮［16］等組織器官中有不同程度的表達。

2 AQP7的主要生物學(xué)功能與調(diào)控

AQP7在白色脂肪和棕色脂肪中大量表達［17］，而白色脂肪是身體最大的儲能器官，全身脂肪95%以上是以甘油三酯的形式儲存。在機體需要能量時，貯存在脂肪細胞內(nèi)的甘油三酯在激素敏感脂肪酶和其他酶的作用下分解為游離脂肪酸及甘油，一起釋放入血液，而AQP7在脂肪中除通透水分外，其主要作用就是將甘油從脂肪細胞內(nèi)運轉(zhuǎn)出來釋放入血液［17，18］。在脂肪細胞中，AQP7主要分布在細胞核的周圍。當(dāng)脂肪分解時，組織腎上腺素釋放增加，再通過AC－cAMP－PKA途徑促進 AQP7從細胞核周圍向細胞膜上轉(zhuǎn)移，形成跨膜的四聚體，進而發(fā)揮介導(dǎo)甘油出胞的作用［18］。

研究發(fā)現(xiàn)，人在劇烈運動過程中，由于能量需求增加，促進脂肪動員，AQP7在脂肪細胞中的表達升高，甘油輸出增加，血漿中甘油濃度增高。人類AQP7基因突變者雖然沒有發(fā)現(xiàn)肥胖表型，但其在劇烈運動后血漿中甘油水平卻并沒有相應(yīng)增加，從而表明AQP7的突變影響了運動后血漿中甘油濃度［9］。此外在對10種靈長類動物（包括人類）之間基因復(fù)制數(shù)量的差異研究中發(fā)現(xiàn)，AQP7特異地在人基因組上有5個重復(fù)，從進化的角度提示AQP7可能與人類高效的甘油轉(zhuǎn)運能力有關(guān)，從而有助于揭示為什么人類進化出長跑耐力［19］。以上研究從另一個角度提示AQP7通過介導(dǎo)甘油轉(zhuǎn)運參與體內(nèi)的能量代謝。AQP7的表達受多種因素的調(diào)節(jié)。當(dāng)脂肪水解加速如禁食、胰島素缺乏等情況下，AQP7 mRNA的水平會伴隨進食而下降，禁食后又會上升。同時發(fā)現(xiàn)，AQP7mRNA的變化與血漿甘油的水平變化平行，但是與血漿中胰島素的水平變化卻相反，這說明胰島素可能會抑制AQP7mRNA的表達［20］。研究者對人類脂肪AQP7基因啟動子結(jié)構(gòu)預(yù)測后發(fā)現(xiàn)PPRE元件和IRE元件，在對其進行功能性突變進一步驗證了轉(zhuǎn)錄因子PPARγ和胰島素對AQP7表達起著重要的調(diào)控作用［9，21］。進一步研究發(fā)現(xiàn)，對3T3－L1細胞分別給予PPARγ外源性配基（TZD）進行干預(yù)后，AQP7mRNA 的表達升高［22，23］。最新研究發(fā)現(xiàn)，在人的腎臟腎近曲小管細胞中，PPARγ激動劑通過糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的蛋白激酶1（Sgk－1）介導(dǎo)的通路對AQP7基因發(fā)揮上調(diào)作用［24］。

3 AQP7基因的研究現(xiàn)狀

3.1 AQP7與肥胖

為了加深對AQP7基因在脂肪代謝中的功能的了解，已經(jīng)有4個研究組采用了不同的敲除策略對不同品系的小鼠進行了AQP7敲除實驗。各個研究組觀察到的敲除鼠的表型也有所不同，其中最明顯的差異在于敲除鼠對肥胖的易感性，有兩個研究組發(fā)現(xiàn)AQP7的缺失與肥胖相關(guān)，而另外兩個敲除鼠中卻未見相關(guān)表型。Hara－Chikuma等［18］發(fā)現(xiàn)16周齡AQP7缺陷小鼠與正常小鼠體重雖沒有明顯差別，但身體相對短小，體內(nèi)脂肪含量是正常小鼠的3.7倍，并且脂肪細胞出現(xiàn)肥大，且發(fā)現(xiàn)AQP7缺陷小鼠對甘油的運輸速度僅為正常小鼠的三分之一，但脂肪水解卻無明顯變化，脂肪細胞中甘油、脂肪酸、甘油三酯明顯升高，而血清中相應(yīng)指標(biāo)卻無明顯差異。以上結(jié)果說明，脂肪細胞的肥大是由于甘油釋放受阻導(dǎo)致在細胞中積累，進一步使脂肪生成增多的緣故。Hibuse等［25，26］也發(fā)現(xiàn)10周之前 AQP7敲除鼠體重與正常小鼠無明顯區(qū)別，但從12周開始卻出現(xiàn)顯著的差異。在供給相同食物的前提下，AQP7缺陷小鼠體重和脂肪質(zhì)量增加的速度較正常小鼠明顯加快，并且脂肪細胞的體積明顯增大，細胞中脂肪積累量也明顯增加，血清甘油含量降低。他們進一步研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脂肪細胞中的甘油輸出受阻時，甘油積累于脂肪細胞中導(dǎo)致甘油激酶的活性上升，使3－磷酸甘油的生成增多，從而生成更多甘油三酯而導(dǎo)致肥胖。此外，Marrades等［27］比較了肥胖者和體瘦者腹部皮下脂肪中AQP7的mRNA表達，發(fā)現(xiàn)肥胖者較體瘦者AQP7的mRNA表達明顯減少。Ceperuelo－Mallafre V 等［28］也發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重肥胖者脂肪細胞中的AQP7的表達水平較輕微肥胖者和體瘦者明顯下降，血液中的甘油含量也明顯偏低。以上研究證明AQP7的表達差異或者AQP7的功能障礙，可能是導(dǎo)致肥胖發(fā)生的一個重要原因。

3.2 AQP7與胰島素抵抗

Matsumura K［29］等進行的 AQP7基因敲除鼠實驗并未發(fā)現(xiàn)肥胖表型，但對其體內(nèi)的代謝異常有新的觀點。AQP 7基因敲除20周齡肥胖小鼠的糖耐量嚴(yán)重受損，血糖異常升高。以及胰島素對脂肪、肝臟和肌肉組織的作用減弱。表現(xiàn)出與成年型肥胖相關(guān)的全身胰島素抵抗的特點。在正常情況下，胰島素抑制AQP7基因的表達。然而在胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)，脂肪組織中AQP7生成持續(xù)增加.因而肝臟葡萄糖生成異常增加，從而打亂葡萄糖平衡。進一步研究證明AQP7作為胰腺β細胞中唯一的水甘油通道蛋白，不僅是介導(dǎo)著一道細胞中甘油和尿素的進出，而且直接或者間接參與胰腺β細胞的刺激分泌，從而影響機體胰島素的產(chǎn)生和分泌，進而影響敲除鼠的體內(nèi)代謝［30～32］。

3.3 AQP7與其他疾病

大量研究證明脂肪中AQP7和肝臟中的AQP9在甘油運輸過程中起著協(xié)同作用，脂肪細胞AQP7將脂肪動員等產(chǎn)生的甘油輸送到血液。而肝臟細胞的AQP9則將血液中甘油攝取進入肝臟，二者協(xié)調(diào)完成了甘油由脂肪細胞到肝臟的運輸過程。但是如果上述兩種通道蛋白功能發(fā)生異常。比如AQP7功能下降或缺乏，而AQP9功能增強，則勢必造成脂肪組織脂肪細胞中甘油無法釋放出而引起脂肪合成增加并引起肥胖的發(fā)生。同時大量的甘油進人肝細胞引起脂肪合成增加，從而導(dǎo)致脂肪肝的形成［33～35］。

心臟作為機體的重要臟器，不僅需要葡萄糖和脂肪酸提供能量，還需要甘油提供能量。AQP7是心臟中唯一的水甘油通道蛋白，研究者在AQP7基因敲除的小鼠身上發(fā)現(xiàn)其心臟的甘油利用率和ATP含量比正常要低，雖然在正常情況下心臟的形態(tài)和功能都無明顯差異，但在負(fù)重實驗中，因為AQP7表達缺失導(dǎo)致心肌細胞甘油釋放受阻，甘油在心肌細胞內(nèi)蓄積，導(dǎo)致心肌細胞肥大，同時心臟可利用的甘油卻減少，導(dǎo)致心肌供能不足，這些因素都有可能導(dǎo)致心室肥厚的發(fā)生甚至心衰的的發(fā)生［36，37］。

還有研究顯示動脈粥樣硬化與AQP7表達障礙也相關(guān)。脂肪細胞AQP7表達障礙會導(dǎo)致三酰甘油的蓄積，脂肪細胞出現(xiàn)功能障礙，進一步會激活ROS系統(tǒng)，促進炎癥細胞釋放炎癥因子，同時引起血管內(nèi)皮細胞遷移增多、血管內(nèi)皮增厚，最終導(dǎo)致動脈粥樣硬化的形成［38］。

3.4 AQP7在家畜上的研究進展

目前，國內(nèi)外對AQP7基因的研究主要集中在人與鼠上，而在家畜上的相關(guān)研究還比較少。國內(nèi)有研究對豬的AQP7基因的多態(tài)性進行檢測發(fā)現(xiàn)6個SNPs，均處于內(nèi)含子，在大白、長白、梅山以及大梅F2代資源家系進行了AQP7基因的基因型頻率和等位基因頻率分布以及多態(tài)性與脂肪沉積性狀的相關(guān)性分析后，結(jié)果證明AQP7基因與豬的某些脂肪沉積性狀都呈顯著和極顯著相關(guān)，進而為瘦肉型豬的標(biāo)記輔助選擇提供了的理論依據(jù)［39］。另外，西門塔爾和夏洛來牛群體中AQP7基因內(nèi)含子和外顯子均檢測到突變，進行關(guān)聯(lián)分析后發(fā)現(xiàn)AQP7基因的遺傳多態(tài)性與一些精液品質(zhì)指數(shù)有顯著相關(guān)，可以作為提高種公牛精液產(chǎn)量與品質(zhì)的候選基因［40，41］。

4 展望

在人以及鼠上的大量研究表明，AQP7基因與糖代謝、脂肪代謝等都有著密切的關(guān)系，還在保持機體能量平衡和葡萄糖穩(wěn)態(tài)方面中發(fā)揮著重要作用。將其作為脂肪沉積候選基因在豬上的研究也進一步驗證了其與家畜脂肪生產(chǎn)性狀相關(guān)。而目前真正對家畜AQP7基因多態(tài)性及其與生產(chǎn)性能的相關(guān)性研究還比較膚淺，特別是對其在脂肪代謝和沉積的調(diào)節(jié)機制方面和家畜育種及生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用尚屬空白。因此將該基因作為家畜脂肪相關(guān)生產(chǎn)性狀候選基因，運用現(xiàn)代分子生物技術(shù)對家畜APQ7基因功能進行探究，以期應(yīng)用到家畜的分子育種中。此外，對AQP7基因功能的深入研究將為人類的一些相關(guān)疾病，包括肥胖、糖尿病、脂肪肝等，提供理論基礎(chǔ)，也為更加有效的治療開辟一個嶄新的思路。

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