水通道蛋白9與消化系統(tǒng)疾病

冉 呂綜述，梅浙川審校（重慶醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院消化內(nèi)科，重慶 400010）

水通道蛋白是一組對水有高選擇性的跨膜轉(zhuǎn)運蛋白，廣泛分布在機體各組織，在水的分泌吸收、細胞內(nèi)外水平衡等過程中起著重要作用。水通道蛋白9（AQP9）是水通道蛋白家族成員之一，是1998年發(fā)現(xiàn)的一種新的水通道蛋白亞型，現(xiàn)就AQP9的基本特點，在消化道的分布、表達，與疾病的關(guān)系作一綜述。

1 AQP9的發(fā)現(xiàn)

水通道蛋白是20世紀90年代初發(fā)現(xiàn)的一類介導自由水被動跨生物膜轉(zhuǎn)運的小分子膜蛋白，是存在于哺乳動物和植物細胞膜上的特異孔道，一般認為該孔道只通透水，對甘油和尿素有一定的選擇性。自1988年Agre等在鑒定人類Rh血型抗原時偶然發(fā)現(xiàn)了一種紅細胞膜上的新28ku蛋白，即后來被命名的AQP1以來，目前已經(jīng)確定13種（AQP0～12）水通道蛋白家族成員。這13種AQP在通透水的功能上有著相似之處，但因表達部位不同，而發(fā)揮著特異性的生理功能。

AQP9是1997年Kuriyame等在進行人類脂肪組織基因序列系統(tǒng)分析過程中，發(fā)現(xiàn)的一種在脂肪組織特異表達的新基因，之后在白細胞、肝臟、睪丸、脾、腦等器官也有發(fā)現(xiàn)。AQP9無論在結(jié)構(gòu)、分布以及功能等方面，與其他AQP相比都具有其獨特性。

2 AQP9基本特點

2.1 分子結(jié)構(gòu) AQP cDNA含有2 890個核苷酸分子，其核苷酸序列已經(jīng)通過實驗證實。AQP9基因由6個外顯子和5個內(nèi)含子組成。6個外顯子分別編碼398、127、138、119、218、1 958位氨基酸序列，外顯子6含有一個終止密碼和一個聚腺苷酸信號（AATAAA）。5個內(nèi)含子長度分別為10、5.5、1.5、4.0、4.8kb，比其他AQP的內(nèi)含子大得多。AQP9相對分子質(zhì)量小，為300×103左右，對水和多種中性溶質(zhì)通透。而AQP3和AQP7也是由6個外顯子和5個內(nèi)含子組成，其內(nèi)含子比AQP9小，只對水、甘油、尿素具有通透性。AQP1、AQP2、AQP4、AQP5的基因由4個外顯子和3個內(nèi)含子組成，它們只對水通透。

AQP9是一種糖蛋白，其基本結(jié)構(gòu)為跨越細胞膜6次的單肽鏈，每個單肽鏈由295個氨基酸組成31×103的單體，其天冬酰胺位置具有糖基化位點，在體外翻譯時產(chǎn)生28×103單一條帶，在絲氨酸位置有一蛋白激酶C磷酸化位點，無蛋白激酶A位點。在AQP家族中，不同AQP cDNA有高度同源性，內(nèi)部同源性最高的含有2個天冬酰胺－脯氨酸－丙氨酸（NPA）基元，NPA為AQP家族成員共有的特征性結(jié)構(gòu)。每個AQP氨基端結(jié)構(gòu)相似，而羧基端結(jié)構(gòu)各有特點，提示氨基端結(jié)構(gòu)決定了AQP功能的共性，羧基端結(jié)構(gòu)構(gòu)成了各成員功能的特異性［1］。

AQP9高級結(jié)構(gòu)是由同源四聚體組成，各單體均含有6個跨膜的ɑ螺旋，每個ɑ螺旋形成基本的含水孔，具有獨立的水通透活性。四個單聚體組成中心有明顯孔隙的結(jié)構(gòu)，每個四聚體都含有四個向外伸長圍繞中心孔隙排列的結(jié)構(gòu)域，代表四個水孔。Walz等認為該聚體在膜上的組裝是維持AQP穩(wěn)定性及正常功能所必需的。

2.2 遺傳性特性 原位免疫熒光實驗觀察到，人類AQP9基因位于染色體15q22.1－22.2。人類AQP9和鼠AQP9有76%同源，和AQP3有47%同源，和AQP7有41%同源，和AQP1僅有28%同源［2］。

2.3 化學特性 AQP9的分子結(jié)構(gòu)和對水的通透性與其他水通道蛋白類似，它不僅僅是一個水通道，還可以通透多種小分子，如脲、多羥基化合物、嘌呤、嘧啶、多元醇、甘油、尿素等，并且對尿素的通透可提高90倍，所以AQP9也被稱為“廣泛選擇性通道”［2］。但是AQP9對氨基酸、血糖、Na＋、K＋、Cl－、單羧基類不具有通透作用。

3 AQP9在消化系統(tǒng)的表達

目前，研究證實至少有9種水通道蛋白在胃腸道表達。AQP1在從食管到結(jié)腸的整個消化道黏膜下層和固有層的小血管小腸的中央乳糜管內(nèi)皮以及唾液腺、胰腺導管、肝膽管上皮都有分布。AQP2分布于末端結(jié)腸上皮的頂質(zhì)膜。AQP3分布于從口腔到胃以及結(jié)腸到肛門段的消化道黏膜上皮，并且在結(jié)腸表達明顯多于小腸。AQP4在胃、小腸、結(jié)腸都有表達。AQP5在胰腺外分泌部的小導管上皮細胞、唾液腺漿液細胞、幽門腺和十二指腸腺的腺泡細胞的頂質(zhì)膜和基側(cè)膜表達［3］。AQP7在小腸及結(jié)腸表達［4］。AQP8在大鼠十二指腸、近端空腸、近端結(jié)腸、直腸以及唾液腺、胰腺、肝臟都有表達，胃和遠段結(jié)腸也有少量表達。Mobasheri等［5］報道在十二指腸和空腸中，新發(fā)現(xiàn)的水通道蛋白亞型AQP10表達豐富。免疫組化技術(shù)定位顯示，AQP9在大鼠消化道不同部位的分布和表達強度存在差異性，由強到弱依次為：近端小腸、遠端小腸、近端結(jié)腸、胃腺及遠端結(jié)腸、食管及前胃，與各部位的水電解質(zhì)轉(zhuǎn)運活躍程度一致，這提示AQP9分布及強度與消化道各段吸收、分泌能力以及代謝活動強弱有關(guān)。AQP9在肝臟中主要分布于肝細胞竇狀隙質(zhì)膜上。近來研究發(fā)現(xiàn)，AQP9在大鼠肝臟上的表達與性別相關(guān)，雄性大鼠在肝臟上的表達高于雌性大鼠，但年齡和食譜對AQP9的表達和分布均沒有影響。AQP9對尿素有很高的通透性，肝臟是尿素生成和排出的器官，提示AQP9在肝臟可能是一個尿素通道，并且與尿素的清除相關(guān)［6］。由于AQP9對甘油和尿素有很高的通透性，它可能是吸收甘油的入口以及尿素和肝細胞產(chǎn)生代謝物的出口。研究表明，當大鼠饑餓時，肝臟吸收甘油作為糖異生的底物，在大鼠持續(xù)禁食之后，AQP9在肝臟中的表達增加，而重新進食后AQP9的表達逐漸下降。由此可見，AQP9在肝臟葡萄糖糖異生中起到了重要作用。另外，AQP9介導的水轉(zhuǎn)運位于竇狀隙血液與肝細胞內(nèi)部之間，可能和AQP8共同參與了小管的膽汁分泌［7］。

4 AQP9與消化系統(tǒng)疾病

4.1 AQP9與功能性便秘 在結(jié)腸內(nèi)，升結(jié)腸內(nèi)容物為稀便，橫結(jié)腸內(nèi)容物為軟便，降結(jié)腸內(nèi)容物為成形便。因此，結(jié)腸有吸收水分的功能。研究表明，AQP9主要位于結(jié)腸黏膜腔面杯狀細胞和腺體內(nèi)部分杯狀細胞的基底側(cè)。通過蛋白質(zhì)印跡技術(shù)發(fā)現(xiàn)，右半結(jié)腸比左半結(jié)腸表達少，這說明AQP9在左半結(jié)腸有分泌黏液的作用；并且發(fā)現(xiàn)便秘患者右半結(jié)腸AQP9無明顯變化，左半結(jié)腸表達明顯降低，可能正是因為這個原因，便秘患者出現(xiàn)排便困難癥狀［1］。

4.2 AQP9與肝癌 在我國，原發(fā)性肝癌的發(fā)病率是歐美國家的5倍以上，每年約有11萬人死于肝癌，占我國癌癥病死率的第二位，占全世界肝癌病死率的45%，目前對肝癌的徹底治療仍是一個大的難題［8］。最新的腫瘤分子生物學認為，水通道蛋白可能會是針對腫瘤細胞生存、侵襲和轉(zhuǎn)移的一種新的藥物靶點。通過免疫組化、蛋白質(zhì)印跡分析實驗等方法研究發(fā)現(xiàn)，AQP9在原發(fā)性肝細胞癌和非癌組織中均有高表達，但其表達水平在不同的病理類型中有較大差異［9］。在非肝細胞癌中多為高表達，而在癌組織中表達水平出現(xiàn)不同程度的下降［10］；其表達水平與原發(fā)性肝細胞癌的腫瘤細胞分化程度之間顯著性相關(guān)，即AQP9的表達水平隨著腫瘤細胞的分化程度下降而下降。這些結(jié)果表明AQP9的表達可能在原發(fā)性肝細胞癌的發(fā)生過程中產(chǎn)生了作用，并提示AQP9的表達情況有助于判斷原發(fā)性肝細胞癌的預后［11］。此外，由于其對嘌呤、嘧啶、尿素等非帶電中性物質(zhì)具有轉(zhuǎn)運活性，包括對5－Fu具有通透性；某些學者認為AQP9還有可能成為肝癌患者進行藥物治療的新的作用靶點［9］。

4.3 AQP9與非酒精性脂肪肝（NAFLD） 隨著生活水平的提高和生活方式的改變，NAFLD已成為嚴重威脅人們身心健康的常見疾病，在我國的發(fā)病率不斷升高［12］。水甘油通道蛋白是水通道蛋白家族的一個亞家族，對水甘油等小分子溶質(zhì)有選擇性跨膜轉(zhuǎn)運作用。AQP9作為水甘油通道蛋白的一員在血竇面肝細胞膜表達非常豐富，它是肝臟上惟一的甘油通道。用油酸誘導肝細胞脂肪變性的研究發(fā)現(xiàn)，AQP9mRNA及蛋白表達較正常肝組織增強，同時脂肪變細胞增多，游離脂肪酸、甘油、三酰甘油含量明顯增加［13］。推測是隨著AQP9表達增加，通過AQP9進入肝細胞內(nèi)的甘油增加，在甘油激酶的作用下轉(zhuǎn)化為3－磷酸甘油增多，同時促進游離脂肪酸吸收增加，最終導致三酰甘油合成增加，故肝細胞脂肪蓄積，發(fā)生脂肪變性。因此，AQP9介導的脂代謝異?？赡苁歉渭毎咀冃缘闹匾獧C制［6］。

4.4 AQP9與肝外膽汁淤積 通過對大鼠行膽道結(jié)扎術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，術(shù)后AQP9mRNA在肝細胞基底外側(cè)膜表達明顯減少，而在細胞內(nèi)膜表達顯著增加。推測是由于AQP9是肝細胞基底外側(cè)膜的惟一水通道，它能促進整個肝細胞基底膜水的正弦運動；而肝細胞分泌的膽汁需要水滲透推動跨細胞運輸，當膽管阻塞時，基底膜滲透水通透性下降，因此大量的膽汁堆積在肝細胞［14］。

5 展 望

隨著分子生物學的迅速發(fā)展，AQP9的分子結(jié)構(gòu)、作用機制以及消化系統(tǒng)的表達越來越明確，但AQP9的研究還有許多有待拓寬的領(lǐng)域，它不僅能為某些疾病狀態(tài)提供理論上的解釋，而且可為臨床相關(guān)疾病的治療提供新的思路和方法。

［1］ 楊會峰，袁維堂.水通道蛋白3與水通道蛋白9在結(jié)腸黏膜的表達及意義［J］.醫(yī)藥論壇雜志，2007，28（6）：12－14.

［2］ Carbrey JM，Gorelick－Feldman DA，Kozono D，et al.Aquaglyceroporin AQP9：solute permeation and metabolic control of expression in liver［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，2003，100（5）：2945－2950.

［3］ Matsuzaki T，Tajika Y，Ablimit A，et al.Aquaporins in the digestive system［J］.Med Electron Microsc，2004，37（2）：71－80.

［4］ Hard IA，Wallace L，E，et al.Aquaporin expression is

down regulated in a murine model of colitis and in pa－tients with ulcerative colitis，Crohn′s disease and infectious colitis［J］.Cell Tissue Res，2004，318（2）：313－323.

［5］ Mobasheri A，Shakibaei M，Marples D.Immunohistochemical localization of aquaporin 10in the apical membranes of the human ileum：apotential pathway for luminal water and small solute absorption［J］.Histochem Cell Biol，2004，121（6）：463－471.

［6］ 趙豐瑩，梅浙川.水通道蛋白9在培養(yǎng)肝細胞脂肪變性模型中的表達及意義［J］.重慶醫(yī)科大學學報，2008，33（8）：934－937.

［7］ 秦佳敏，梅浙川.消化系統(tǒng)水通道蛋白［J］.第三軍醫(yī)大學學報，2005，27（15）：1612－1614.

［8］ Blum HE，Spangenberg HC.Hepatocellular carcinoma：an update［J］.Arch Iran Med，2007，10（3）：361－371.

［9］ 曹學峰，苗雄鷹.水通道蛋白9在人肝癌組織中的表達及意義［D］.中南大學，2010：1－476.

［10］ Jablonski EM，Mattocks MA，Sokolov E，et al.Decreased aquaporin expression leads to increased resistance to apoptosis in hepatocellular carcinoma［J］.Cancer Lett，2007，250（1）：36－46.

［11］ Monzani E，Shtil AA，La Porta CA.The water channels，new druggable targets to combat cancer cell survival，invasiveness and metastasis［J］.Curr Drug Targets，2007，8（10）：1132－1137.

［12］ Cohen JC，Horton JD，Hobbs HH.Human fatty liver disease：old questions and new insights［J］.Science，2011，332（6037）：1519－1523.

［13］ 邱烈旺，顧陸昀，呂琳，等.水甘油通道蛋白在非酒精性脂肪變性肝細胞模型中的表達及意義［J］.第三軍醫(yī)大學學報，2012，34（7）：622－626.

［14］ Calamita G，F(xiàn)erri D，Gena P，et al.Altered expression and distribution of aquaporin－9in the liver of rat with obstructive extrahepatic cholestasis［J］.Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol，2008，295（4）：G682－G690.

［15］ Zhu AX.Development of sorafenib and other molecularly targeted agents in hepatocellular carcinoma［J］.Cancer，2008，112（2）：250－259.