肺水通道蛋白的研究進(jìn)展

檀俊濤 王喆 梁良 徐紅萌

水通道蛋白(aquaporin，AQPS)是新近發(fā)現(xiàn)的一組與水通透性有關(guān)的細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，是一種可調(diào)節(jié)進(jìn)出細(xì)胞膜的水通道同源蛋白質(zhì)家族的總稱，它的發(fā)現(xiàn)在分子水平上揭示了水跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)節(jié)機(jī)制。AQPS在維持肺臟的液體平衡中起著重要的作用。本文就肺AQPS的研究進(jìn)展做一綜述。

1 AQPS的結(jié)構(gòu)

1988年Agre發(fā)現(xiàn)了整合膜蛋白28(CH 1P28)后命名為水通道蛋白1(Aquaporin 1，AQP1)。目前為止在哺乳動(dòng)物中已發(fā)現(xiàn)13種AQPS亞型，AQP 0～12。目前對(duì)于AQPS的結(jié)構(gòu)研究已較為明確［1，2］，認(rèn)為2個(gè)穩(wěn)定的天門冬酰胺-輔氨酸-丙氨酸基序的輔氨酸殘基使長α螺旋和短α螺旋固定在水孔的中心，折疊中形成1個(gè)單水孔道。其氨基端和羧基端均位于胞內(nèi)，這些研究證實(shí)了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是AQPS對(duì)水高滲透而不轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子的原因。

2 肺中AQPS的分布

分布于肺組織中的 AQPS有6種(AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8、AQP9)。Kreda 等［3］用原位雜交和免疫熒光技術(shù)檢測(cè)了AQPS在人呼吸道的定位情況，結(jié)果顯示AQP5位于呼吸道上皮表層的柱狀上皮細(xì)胞頂膜和黏膜下腺腺泡細(xì)胞頂膜。AQP4位于纖毛管基底側(cè)細(xì)胞膜和腺體細(xì)胞基底側(cè)細(xì)胞膜。AQP3出現(xiàn)在上皮表層和腺泡的基底細(xì)胞。在終末和遠(yuǎn)端支氣管中，其表達(dá)有從基底細(xì)胞到表層細(xì)胞遷移的趨勢(shì)。AQP5和AQP4表達(dá)于肺泡Ⅰ型上皮細(xì)胞。AQP1主要表達(dá)在呼吸道旁毛細(xì)血管、淋巴管及胸膜臟層的間皮細(xì)胞上，也有少量分布于肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞頂膜面上。AQP8和AQP9在肺組織定位尚不清楚。這樣的立體分布使得肺組織各個(gè)解剖層均有AQPS分布，從而參與不同部位水分子轉(zhuǎn)運(yùn)。

3 肺水通道蛋白的生理功能

AQPS在肺組織液體轉(zhuǎn)運(yùn)中關(guān)系緊密，它調(diào)節(jié)肺水平衡，在肺泡和肺間質(zhì)及肺毛細(xì)血管間的水跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮著重要作用，尤其對(duì)清除肺泡內(nèi)多余的液體起著主導(dǎo)作用［4］。美國加州大學(xué)心血管研究所Verkman試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)AQP1或AQP5基因缺失的小鼠，肺泡毛細(xì)血管間的水通透性下降10倍，AQP1、AQP4基因敲除小鼠降低14～16倍［5］，而兩者共同敲除后水的通透能力可以下降30 倍［6，7］，說明 AQP1、AQP5 在肺組織內(nèi)水轉(zhuǎn)運(yùn)及肺水平衡調(diào)節(jié)起重要的作用。AQP1缺失小鼠胸膜腔內(nèi)液體吸收速率是正常的25%［8］這些發(fā)現(xiàn)均表明AQP1及AQP5在小鼠肺的發(fā)育演變過程中液體清除方面起了重要作用。?；刍鄣龋?］觀察到正常胎肺組隨孕周增加(孕28+2周～孕37+4周)AQP5 mRNA表達(dá)量有上升趨勢(shì);異常胎肺組中局部肺不張組織(孕31+4周)AQP5 mRNA表達(dá)量最高，肺發(fā)育不全患兒(孕28+6周)AQPAQPS mRNA表達(dá)量最低，孕31周較孕27+2周的肺水腫胎肺AQP5 mRNA表達(dá)量高。提示AQP5為肺發(fā)育成熟的標(biāo)志因子之一，隨胎兒逐漸發(fā)育成熟AQP5的表達(dá)量增加可增強(qiáng)對(duì)肺泡液的吸收，從而減輕或避免肺水腫的發(fā)生。上述研究證明AQPS具有轉(zhuǎn)運(yùn)或協(xié)同水轉(zhuǎn)運(yùn)的能力。

4 AQPS的調(diào)節(jié)

AQPS的調(diào)節(jié)大致可以分為兩種:第一種是通過調(diào)節(jié)AQPS的活性來調(diào)節(jié)其功能。有學(xué)者研究表明:AQPS磷酸化為cAMP依賴性，即在某些因素作用下，腺苷酸環(huán)化酶被激活，使細(xì)胞內(nèi)cAMP增加，進(jìn)而活化蛋白激酶A(PKA)或蛋白激酶C(PKC)，PKA或PKC催化水通道蛋白上的絲氨酸磷酸化，從而增加膜對(duì)水的通透性［10］。第二種是通過改變細(xì)胞上AQPS的含量來調(diào)節(jié)跨膜水流動(dòng)。類固醇可在轉(zhuǎn)錄水平誘導(dǎo)大鼠胎肺和成年肺表達(dá)AQP1，皮質(zhì)類固醇使胎肺AQP1mRNA表達(dá)增加6倍，并在AQP1啟動(dòng)子中發(fā)現(xiàn)糖皮質(zhì)激素反應(yīng)件，提示內(nèi)分泌激素可調(diào)節(jié)AQPS表達(dá)。

5 AQPS與肺部關(guān)疾病

5.1 AQPS與肺部感染 Towne等［10］利用某種呼吸道腺病毒感染小鼠造成的病毒性肺炎。發(fā)現(xiàn)AQP1和AQP5在鼠肺中的表達(dá)降低，提示AQPS的減少可能是肺水在肺間質(zhì)聚集的重要原因。這是首次研究顯示AQPS與肺部感染、水腫有關(guān)。

5.2 AQPS與哮喘 董春玲等［11］證實(shí)了AQP5降低會(huì)導(dǎo)致哮喘時(shí)肺水在毛細(xì)血管與肺泡間轉(zhuǎn)運(yùn)失衡，進(jìn)一步提示地塞米松極可能通過提高AQP5水平以加快肺泡內(nèi)液體的清除，從而減輕肺組織的水腫程度。發(fā)揮其減輕哮喘炎癥作用。唐順廣等［12］研究發(fā)現(xiàn)，AQP1參與了哮喘急性炎癥期的發(fā)病機(jī)制，在哮喘急性期炎癥滲出、液體異常流動(dòng)中起重要作用。AQP3可能在保持氣道表面的液體平衡并且對(duì)防止細(xì)菌入侵、起到重塑作用。AQP4可能參與了哮喘條件下粘液分泌的調(diào)控，AQP5與氣道高反應(yīng)性、氣流受限、調(diào)節(jié)氣道水穩(wěn)態(tài)有關(guān)。

5.3 AQPS與機(jī)械性肺損傷 劉洋等［13］發(fā)現(xiàn)AQP5表達(dá)下調(diào)參與了機(jī)械通氣誘發(fā)大鼠肺水腫的發(fā)生。林飛等［14］認(rèn)為在胸科手術(shù)單肺通氣過程中，AQP1在調(diào)節(jié)肺內(nèi)液體平衡中起到明顯作用，可能參與了機(jī)械通氣至急性肺損傷的發(fā)病過程，而AQP4與其無明顯相關(guān)。

5.4 AQPS與急性肺損傷 王晴等［15］研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)毒素所致急性肺損傷中幼鼠肺組織AQP1表達(dá)明顯下調(diào)。杜惠妍等［16］推測(cè)通過促進(jìn)肺組織中AQP1及AQP5的表達(dá)可能會(huì)減輕急性肺損傷和肺出血的發(fā)生，為預(yù)防和治療新生兒出血提供新的方法。高巨等［17］通過建立臨床二次打擊大鼠模型發(fā)現(xiàn)大鼠在失血性休克和內(nèi)毒素打擊下，肺組織AQP1和AQP5的表達(dá)水平顯著下調(diào)，其表達(dá)水平與肺水腫和肺損傷的嚴(yán)重程度密切相關(guān)。并首次證實(shí)烏司他丁能顯著抑制二次打擊大鼠肺組織AQP1和AQP5mRNA的下調(diào)，促進(jìn)肺泡腔和間質(zhì)水腫液的吸收。

5.5 AQPS與肺癌 目前大量研究證實(shí)，許多腫瘤組織、細(xì)胞系及腫瘤微血管內(nèi)皮細(xì)胞中高度表達(dá)AQP1［18，19］，隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)水通道蛋白在某些惡性腫瘤中存在異常表達(dá)［20］。在肺腺癌組織中AQP1大量表達(dá)于腫瘤的血管內(nèi)皮細(xì)胞以及腫瘤細(xì)胞膜上、胞漿內(nèi)。AQP1蛋白陽性細(xì)胞表達(dá)率與肺腺癌分化程度有關(guān)，分化程度越低，陽性細(xì)胞表達(dá)率越高，但有淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移者比無淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移者陽性率高。劉錦源等［21］也證實(shí)了這一點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)AQP1大量表達(dá)于肺腺癌組織中的腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞中，其在蛋白水平的表達(dá)量亦較正常組織明顯增多，證實(shí)AQP1可以使腫瘤血管滲透性增加，促進(jìn)水在腫瘤細(xì)胞間的快速轉(zhuǎn)運(yùn)，使血管內(nèi)皮細(xì)胞前部偽足的頂端內(nèi)部因肌動(dòng)蛋白裂解和離子攝入產(chǎn)生局部滲透壓梯度，增加局部靜水壓引起細(xì)胞膜突伸，促進(jìn)腫瘤血管生成。AQP1大量表達(dá)于腫瘤細(xì)胞膜、細(xì)胞漿，或許能夠改變腫瘤上皮內(nèi)的滲透壓。有助于腫瘤細(xì)胞體積及外形的改變，向周圍基質(zhì)浸潤。肺腺癌組織AQPS表達(dá)與淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移相關(guān).有淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移者比無淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移者陽性率高;同時(shí)發(fā)現(xiàn)AQPl表達(dá)與腫瘤分化程度呈負(fù)相關(guān)。即分化程度越低，蛋白表達(dá)水平越高。AQPS參與了促進(jìn)癌細(xì)胞遷移的可能機(jī)制，體外實(shí)驗(yàn)顯示，癌細(xì)胞上表達(dá)AQPS可以增強(qiáng)其遷移能力，在體內(nèi)顯示增強(qiáng)其局部浸潤、外生性生長及轉(zhuǎn)移［22］。目前AQPS在腫瘤組織的表達(dá)及其與腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移的關(guān)系是研究熱點(diǎn)之一。

水通道的發(fā)現(xiàn)，使人們能夠在分子水平研究水的轉(zhuǎn)運(yùn)。每種水通道在體內(nèi)的特異分布預(yù)示了不同水通道的特異作用。隨著對(duì)AQPS的深入研究，不僅可對(duì)體內(nèi)水轉(zhuǎn)運(yùn)的生理學(xué)現(xiàn)象提供分子水平的解釋，而且還將促進(jìn)人類對(duì)包括肺部疾病(如肺部感染、哮喘、急性肺損傷、肺部腫瘤等)在內(nèi)的疾病的發(fā)病機(jī)制產(chǎn)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，從而為尋找臨床治療肺部疾病的有效方法提供了新的理論依據(jù)，提示應(yīng)用AQPS的抑制劑或抗AQPS抗體將會(huì)是預(yù)防或治療肺部疾病的新手段。

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