腦水腫的AQP4 調(diào)節(jié)機(jī)制研究進(jìn)展

李 敏，陳少軍，陳學(xué)群，杜繼曾 綜述

(浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)系，浙江 杭州 310058)

腦水腫是腦組織中水份的異常過(guò)度集聚而引發(fā)的腦腫脹，發(fā)生腦水腫時(shí)腦體積增大、顱內(nèi)壓增高。很多大腦疾病、機(jī)體處于嚴(yán)重的全身感染或者急性缺氧狀況時(shí)都會(huì)導(dǎo)致腦水腫的發(fā)生。研究表明，水通道蛋白(aquaporins，AQPs)與腦水腫的發(fā)生密切相關(guān)。水通道蛋白是一種通透水的特殊膜蛋白。自1992年P(guān)eter Agre發(fā)現(xiàn)第一個(gè)水通道蛋白(AQP1)以來(lái)，迄今在哺乳動(dòng)物組織中已發(fā)現(xiàn)13 種水通道蛋白(AQP0～AQP12)，在不同的組織器官中調(diào)節(jié)水分的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，對(duì)機(jī)體的水平衡的維持起重要作用。在哺乳動(dòng)物腦中最主要的水通道蛋白是AQP4，其與腦脊液的產(chǎn)生和重吸收有關(guān)，因此AQP4 是腦水腫發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵分子。

1 AQP4 的結(jié)構(gòu)與功能

AQP4 最早由Hasegawa(1994年)從大鼠肺中克隆出來(lái)，是水通道蛋白家族成員之一。AQP4 基因定位于人染色體18q11.2 與q12.1之間的連接處，由4個(gè)外顯子組成，編碼由301個(gè)氨基酸組成的蛋白質(zhì)。每個(gè)AQP4 蛋白單體都是6次跨膜，其N(xiāo) 端和C 端均位于胞內(nèi)，有5個(gè)環(huán)(A、B、C、D、E 環(huán))，包括3個(gè)細(xì)胞外環(huán)(A、C、E)和2個(gè)細(xì)胞內(nèi)環(huán)(B、D)(圖1A)。2個(gè)保守的精氨酸-脯氨酸-丙氨酸基序(NPA)位于B環(huán)和E 環(huán)，為AQP 家族成員共有的特征性結(jié)構(gòu)(圖1B)，研究證實(shí)該結(jié)構(gòu)在水分子轉(zhuǎn)運(yùn)中起重要作用。2個(gè)NPA 環(huán)從雙分子層相對(duì)面折疊進(jìn)入膜中，在雙分子層中線處交叉重疊，形成一個(gè)直徑約0.38 nm(稍大于一個(gè)水分子直徑)的通道，這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為沙漏模式，可使水分子順滲透壓梯度單線通過(guò)。AQP4 四級(jí)結(jié)構(gòu)是由4個(gè)具有獨(dú)立活性的單體組成的四聚體，每個(gè)單體形成獨(dú)立的水通道，同時(shí)4個(gè)單體之間形成的通道還存在阻斷粒子的結(jié)構(gòu)(圖1C)。根據(jù)翻譯起始位置的不同，AQP4 分為3 種亞型，Mz(含364個(gè)氨基酸)、M1(含323個(gè)氨基酸)和M23(含有301 氨基酸)亞型(圖1A)。其中，M23 在腦中含量最豐富，M1 水通透性最高。Furman 等發(fā)現(xiàn)，M1 型和M23 型以一定比例結(jié)合形成，電鏡下以正交排列在星形膠質(zhì)細(xì)胞中，其中M23 亞型是主要成分。正常情況下M1 型與M23 型結(jié)合的比例是較恒定的，但是在M23 突變后可以發(fā)生變化，改變質(zhì)膜的通透性。近年研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)原代培養(yǎng)的大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞用AQP4 亞型特異性的RNA 干擾(RNA interference，RNAi)后，有很大比例的M23 亞型來(lái)源于M1 亞型mRNA 的翻譯，并且AQP4 M1 亞型mRNA 的5'非翻譯區(qū)(5'UTR)通過(guò)多位點(diǎn)遺漏掃描機(jī)制(multiple-site leaky scanning mechanism)，一個(gè)框外的上游開(kāi)放閱讀框(ORF)以及一個(gè)重起始機(jī)制調(diào)控M1/M23的比例。

圖1 水通道蛋白AQP4 結(jié)構(gòu)及磷酸化位點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of AQP4 structure and phosphorylation sites

在免疫組化分析腦中AQP4 主要存在于腦星形膠質(zhì)細(xì)胞、毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞、室管膜上皮細(xì)胞、鄰近軟腦膜的膠質(zhì)細(xì)胞及脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞中，覆蓋超過(guò)95%的腦毛細(xì)血管表面，而在神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)均未見(jiàn)表達(dá)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，AQP4 在活化的小膠質(zhì)細(xì)胞中有表達(dá)。免疫組化方法檢測(cè)AQP4 在斑馬魚(yú)感覺(jué)器官中有表達(dá)，提示AQP4 可能參與斑馬魚(yú)感覺(jué)細(xì)胞的水平衡和離子運(yùn)輸。除了參與調(diào)節(jié)水平衡和離子穩(wěn)態(tài)，AQP4 還參與膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的細(xì)胞遷移、侵襲和附著。對(duì)AQP4 在小鼠神經(jīng)垂體上分布的研究提示AQP4 可能參與垂體細(xì)胞在滲透調(diào)節(jié)中的感受器效應(yīng)。AQP4 在大腦的大量分布以及在星形膠質(zhì)細(xì)胞上的分布呈明顯的極性，即在靠近血管內(nèi)皮細(xì)胞的星形膠質(zhì)細(xì)胞終足上大量表達(dá)，提示AQP4 是膠質(zhì)細(xì)胞與腦脊液及血管之間水轉(zhuǎn)運(yùn)和調(diào)節(jié)的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，在維持大腦水平衡中起重要作用，是腦水腫中重要的靶蛋白。

2 AQP4 的調(diào)節(jié)

AQP4 的快速短時(shí)程調(diào)節(jié)主要包括AQP4蛋白磷酸化和AQP4 在細(xì)胞內(nèi)的分布;長(zhǎng)時(shí)程調(diào)節(jié)主要有AQP4 表達(dá)變化、AQP4 蛋白在膜上不同的正交空間排列(orthogonal array)方式，以及AQP4 與其他蛋白如抗肌萎縮蛋白之間的相互作用。

2.1 短時(shí)程調(diào)節(jié)

2.1.1 磷酸化調(diào)節(jié) Ser180 位于胞質(zhì)內(nèi)D環(huán)，很多實(shí)驗(yàn)表明Ser180 參與PKC 介導(dǎo)的對(duì)于AQP4 磷酸化的調(diào)控，而PKC 的激活會(huì)導(dǎo)致AQP4 水通透性的快速降低。轉(zhuǎn)染AQP4 的LLC-PK1 細(xì)胞中加入PKC 的激活劑二丁酸佛波醇酯(phorbol 12，13-dibutyrate，PDBu)后，細(xì)胞的通透性顯著降低，同時(shí)32P 標(biāo)記觀察到AQP4 磷酸化增加，但是Ser180 位點(diǎn)突變可以逆轉(zhuǎn)PKC 的抑制作用。此外，PKC 的激活增加膠質(zhì)瘤細(xì)胞AQP4 磷酸化，降低膠質(zhì)瘤細(xì)胞水通透性。除了Ser180 位點(diǎn)，PKC 激活劑同樣也可以活化AQP4 的一些其他磷酸化位點(diǎn)(如Ser267 和Thr273)。但是，目前沒(méi)有直接證據(jù)顯示與腦水腫直接相關(guān)的原代星形膠質(zhì)細(xì)胞中內(nèi)源AQP4 可以被PKC 磷酸化，從而降低細(xì)胞的水通透性。

許多研究表明，Ser111 位點(diǎn)磷酸化可以增加AQP4 的水通透性。Gunnarson 證明，鈣調(diào)蛋白通過(guò)磷酸化AQP4 的Ser111 位點(diǎn)，從而增加細(xì)胞的通透性，但是鈣調(diào)蛋白并不直接磷酸化Ser111 位點(diǎn)，而是通過(guò)激活一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)產(chǎn)生的NO，以及下游PKG 的活化對(duì)AQP4 磷酸化起調(diào)節(jié)作用。在腎臟上皮細(xì)胞和爪蟾卵母細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，AQP4 的Ser111 位點(diǎn)還能被PKA 磷酸化，并且可以增加細(xì)胞的水通透性。因此，Ser111的磷酸化也是增加AQP4 水通透性的一個(gè)潛在的藥理學(xué)靶點(diǎn)。AQP4 的Ser111 位點(diǎn)是一個(gè)能同時(shí)被PKG 和PKA 磷酸化的位點(diǎn)。AQP4 的Ser111 位點(diǎn)在星形膠質(zhì)細(xì)胞系中被PKG 磷酸化，在腎臟上皮細(xì)胞中被PKA 磷酸化，是否可以同時(shí)被兩種蛋白激酶磷酸化導(dǎo)致AQP4 的水通透性增加有待考證。近年研究表明，人類(lèi)AQP4 蛋白Asp184 位點(diǎn)突變與AQP4 水通透性有關(guān)。全反射顯微鏡觀察非洲爪蟾卵母細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)Asp184 位點(diǎn)突變不改變AQP4 表達(dá)水平和膜定位，但是能引起細(xì)胞水通透性的急劇降低。

2.1.2 胞內(nèi)分布調(diào)節(jié) 有研究發(fā)現(xiàn)，組胺處理轉(zhuǎn)染AQP4 的人類(lèi)胃壁細(xì)胞系(HGT-1)激活PKA 介導(dǎo)AQP4 磷酸化伴隨著AQP4 內(nèi)在化。AQP4 三種亞型水通透性是M1 ＞Mz ＞M23，在PKC 被激活后，表達(dá)這三種亞型蛋白的卵母細(xì)胞都出現(xiàn)由于AQP4 內(nèi)在化而引起的水通透性下降，其中M23 對(duì)PKC 的調(diào)節(jié)更為敏感，內(nèi)在化速度更快。這些發(fā)現(xiàn)提示了PKA和PKC 可能通過(guò)對(duì)AQP4 在細(xì)胞上的分布進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而影響細(xì)胞的水通透性。

2.2 長(zhǎng)時(shí)程調(diào)節(jié)

2.2.1 表達(dá)水平調(diào)節(jié) AQP4 在腦中的表達(dá)水平隨發(fā)育過(guò)程而改變。不少研究發(fā)現(xiàn)，AQP4 的mRNA 及蛋白水平在低氧和其他應(yīng)激中發(fā)生變化。低氧下調(diào)大鼠原代星形膠質(zhì)細(xì)胞AQP4 蛋白表達(dá)。液體沖擊性損傷(fluid percussion injury，F(xiàn)PI)能夠顯著誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞膜上AQP4 蛋白表達(dá)，而氧化和硝化應(yīng)激(oxidative/nitrative stress，ONS)、促分裂素原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPK)、線粒體通透性轉(zhuǎn)換作用(mitochondrial permeability transition，mPT)、核轉(zhuǎn)錄因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)、Na-K-Cl 聯(lián)合轉(zhuǎn)運(yùn)子(Na，K，Clcotransporter，NKCC)參與AQP4 的上調(diào)。PKC 的激活下調(diào)大鼠原代星形膠質(zhì)細(xì)胞AQP4 蛋白表達(dá)，而凝血酶可能通過(guò)PKC 途徑降低原代星形膠質(zhì)細(xì)胞AQP4 的蛋白表達(dá)。Tanaka 等發(fā)現(xiàn)，ET-1 通過(guò)ETB 受體下調(diào)原代星形膠質(zhì)細(xì)胞中AQP4 mRNA 和蛋白水平，提示ET-1 可以通過(guò)對(duì)AQP4 的水平調(diào)節(jié)從而影響星形膠質(zhì)細(xì)胞水通透性。

2.2.2 正交空間排列方式 AQP4 參與構(gòu)成膜正交排列整列結(jié)構(gòu)，冰凍灼刻電子顯微圖(freeze fracture electron micrographs，F(xiàn)FEM)顯示，星形膠質(zhì)細(xì)胞終足足突處的膜上有許多規(guī)則排列的立方體柱狀結(jié)構(gòu)的顆粒。這些顆粒形成特殊的圖形，稱(chēng)之為正交排列陣顆粒(orthogonally arrays of paticle，OAP)，參與調(diào)節(jié)血腦屏障對(duì)于水分子和離子的通透性，還起到調(diào)節(jié)細(xì)胞外間隙的作用。研究顯示，與AQP4亞型M1 形成的四聚體相比，M23 四聚體構(gòu)成的顆粒的膜內(nèi)間隙更大，而M23 與M1 雜合四聚體形成的顆粒膜內(nèi)間隙介于二者之間。提示可以通過(guò)影響AQP4 翻譯起始位點(diǎn)調(diào)節(jié)OAP的大小從而調(diào)節(jié)細(xì)胞的水通透性。

2.2.3 蛋白相互作用 抗肌萎縮蛋白成員之一的α-syntrophin 蛋白可能對(duì)AQP4 的定位和調(diào)節(jié)起重要作用。α-syntrophin 敲除小鼠的星形膠質(zhì)細(xì)胞終足AQP4 減少。在急性低鈉血癥引發(fā)的腦水腫中，α-syntrophin 敲除小鼠大腦水腫的程度顯著低于野生型小鼠，提示α-syntrophin參與AQP4 的表達(dá)和定位。

3 腦水腫中AQP4 的調(diào)節(jié)

AQP4 的調(diào)節(jié)的直接效應(yīng)是細(xì)胞膜通透性的改變。腦水腫主要分為血管源性腦水腫和細(xì)胞毒性腦水腫。血管源性腦水腫是指由于血管上皮細(xì)胞之間的緊密連接被破壞，血腦屏障(blood brain barrier，BBB)通透性增加，血液中大量液體進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)的細(xì)胞外間隙，即血腦屏障被破壞。血管源性腦水腫主要發(fā)生于創(chuàng)傷、腫瘤、炎癥和低氧等情況;而細(xì)胞毒性腦水腫發(fā)生在血腦屏障完整的情況下，主要是由于星形膠質(zhì)細(xì)胞代謝紊亂從而影響了膜上鈉鉀泵的功能，引發(fā)大量水分子進(jìn)入細(xì)胞，從而導(dǎo)致細(xì)胞水腫。細(xì)胞毒性腦水腫主要發(fā)生于中毒、創(chuàng)傷、低氧等情況。應(yīng)激或各種疾病中發(fā)生的腦水腫常常血管源性腦水腫和細(xì)胞毒性同時(shí)存在，只是每種情況下其中一種水腫占主導(dǎo)地位。許多證據(jù)表明，AQP4是腦水腫過(guò)程的主要參與者。無(wú)論是血管源性腦水腫的消退還是細(xì)胞毒性腦水腫的發(fā)生都依賴(lài)于AQP4 的開(kāi)關(guān)和功能表達(dá)。因此，腦水腫的發(fā)生與否、發(fā)展以及嚴(yán)重程度很大程度上取決于AQP4 的調(diào)節(jié)。

3.1 血管源性腦水腫中AQP4 的調(diào)節(jié) BBB是由血管內(nèi)皮細(xì)胞和環(huán)繞著內(nèi)皮細(xì)胞的星形膠質(zhì)細(xì)胞終足所組成的。BBB 提供了一個(gè)在血管和大腦組織之間的高度選擇性的屏障，維持血管微環(huán)境來(lái)穩(wěn)定整個(gè)大腦的穩(wěn)態(tài)。正常機(jī)體中大腦細(xì)胞間隙液體的產(chǎn)生和清除是平衡的，但病理狀況會(huì)導(dǎo)致BBB 破壞，液體集聚，顱內(nèi)壓(intracranial pressure，ICP)升高，導(dǎo)致腦水腫的產(chǎn)生。血管源性腦水腫最主要的特點(diǎn)是BBB 的破壞和繼發(fā)的血管內(nèi)液滲漏到大腦實(shí)質(zhì)的胞外間隙中。新近研究表明，腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-alpha，TNF-α)介導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄因子P65 亞基的435 位點(diǎn)蘇氨酸的磷酸化，破壞了內(nèi)皮細(xì)胞間的緊密連接，從而參與了癲癇持續(xù)狀態(tài)誘發(fā)的血管源性腦水腫。由于血管源性腦水腫是BBB 的破壞，液體的滲漏而非細(xì)胞功能紊亂，所以AQP4 可能并不參與血管源性腦水腫的形成。研究證明，在血管源性腦水腫中AQP4 可以加速液體的重吸收。通過(guò)分別向野生型和AQP4 敲除小鼠大腦實(shí)質(zhì)灌注等量人工腦脊液(cerebrospinal fluid，CSF)后發(fā)現(xiàn)，AQP4 敲除小鼠腦中水分和ICP 隨時(shí)間降低明顯減慢。在三種血管源性腦水腫模型(皮層凍傷、腫瘤移植、腦膿腫)中，同樣條件處理野生型和AQP4 敲除型小鼠可以造成等同的ICP，代表BBB 破壞程度相等;而在消退過(guò)程中AQP4 敲除小鼠腦內(nèi)水含量和ICP 隨時(shí)間的消退均明顯減慢，提示血管源性腦水腫的清除過(guò)程需要AQP4 的參與。Tourdias 等也發(fā)現(xiàn)，炎癥誘發(fā)的大鼠血管源性腦水腫的消退期AQP4 轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平均顯著升高，說(shuō)明AQP4 和血管源性腦水腫的消退有關(guān)。

機(jī)體通過(guò)AQP4 自身的開(kāi)放和關(guān)閉控制水的進(jìn)出來(lái)直接快速調(diào)節(jié)腦水腫，而AQP4 的開(kāi)關(guān)主要由AQP4 的磷酸化來(lái)調(diào)控。AQP4 有很多的磷酸化位點(diǎn)(圖1A)，其中Ser180 和Ser111 是參與AQP4 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的主要位點(diǎn)。PKC 的激活劑佛波醇酯能下調(diào)非洲爪蟾和腎臟上皮細(xì)胞的AQP4 水通透性，這種作用是通過(guò)PKC 磷酸化AQP4 S180 位點(diǎn)引起的，PKC觸發(fā)的AQP4 水通透性下降很可能是一個(gè)關(guān)閉水通道的作用。很多的短時(shí)調(diào)節(jié)都是通過(guò)細(xì)胞膜上的激素受體所介導(dǎo)的，主要是G 蛋白偶聯(lián)受體(G-protein coupled receptor，GPCR)。大多數(shù)的GPCR 激活后的胞內(nèi)信號(hào)通路都是cAMP-PKA和PLC-PKC 通路。GPCR 的配體和激活劑包括一些激素和兒茶安酚類(lèi)物質(zhì)。血管加壓素(vasopressin，AVP)參與大腦水分調(diào)節(jié)，可以激活兩種受體V1 和V2。V1 受體主要是PLC-PKC 通路，V2 受體是cAMP-PKA 通路。AVP 誘導(dǎo)的水通透性的變化主要都是通過(guò)V1受體。腦缺血、腦腫瘤和創(chuàng)傷等能夠誘發(fā)血管源性腦水腫，而這些病理情況下腦內(nèi)AVP 水平均升高，同時(shí)這些病理狀況中腦水腫的早期階段AQP4 的表達(dá)顯著下降。有研究發(fā)現(xiàn)，AVP 通過(guò)其GPCR 的1 型受體激活PKC，使AQP4 的S180 位點(diǎn)修飾改變，從而使AQP4 內(nèi)在化，降低卵母細(xì)胞水通透性。新近研究發(fā)現(xiàn)，AVP 的V1 受體的拮抗劑SR49059 能夠重新激活A(yù)QP4 的表達(dá)減輕創(chuàng)傷引起的腦水腫。以上研究提示腦缺血、腦腫瘤和創(chuàng)傷病理狀況下釋放增多的AVP 可能通過(guò)V1 受體關(guān)閉AQP4 以及降低AQP4 的表達(dá)量，從而阻礙其清除水腫的功能。

血管源性腦水腫的水腫液清除主要通過(guò)細(xì)胞外間隙和膠質(zhì)細(xì)胞界膜至腦室和蛛網(wǎng)膜下腔，另外還通過(guò)膠質(zhì)細(xì)胞終足和毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞入血，而AQP4 正是在大腦這些區(qū)域大量表達(dá)。AQP4 的開(kāi)放和表達(dá)升高有利于加速水腫的消退，可在一定程度減輕血管源性腦水腫。

3.2 細(xì)胞毒性腦水腫中AQP4 的調(diào)節(jié) 細(xì)胞毒性腦水腫的特點(diǎn)是血腦屏障完整，只是細(xì)胞自身的急性水腫，主要是星形膠質(zhì)細(xì)胞的水腫。星形膠質(zhì)細(xì)胞的腫脹是早期腦損傷的重要標(biāo)志，是對(duì)腦缺血、低氧、創(chuàng)傷的反應(yīng)。水中毒是研究細(xì)胞毒性腦水腫的模型，水中毒時(shí)水腫主要發(fā)生在圍繞著神經(jīng)元的星形膠質(zhì)細(xì)胞終足處。在大腦損傷患者的腦組織中也發(fā)現(xiàn)了膠質(zhì)細(xì)胞終足的特征性腫脹。在全身性滲透壓改變后，大量分布AQP4 的星形膠質(zhì)細(xì)胞選擇性的水腫提示了AQP4 可能參與細(xì)胞毒性腦水腫的形成。為了進(jìn)一步確定AQP4 在星形膠質(zhì)細(xì)胞水腫中的作用，對(duì)AQP4 敲除的原代小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞低滲誘導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)AQP4 敲除的原代小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞的水通透性比野生型降低了9倍。Yang 等通過(guò)轉(zhuǎn)基因方法過(guò)表達(dá)小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞AQP4 蛋白，發(fā)現(xiàn)在腹膜注射去氨加壓素(desmopressin，DDAVP)的水中毒模型中，AQP4 過(guò)表達(dá)的轉(zhuǎn)基因小鼠細(xì)胞毒性腦腫脹更為快速。在低氧處理大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞模擬低氧腦缺血的模型中，相比于AQP4 敲除型星形膠質(zhì)細(xì)胞，野生型細(xì)胞會(huì)更快速的腫脹，腫脹后細(xì)胞體積比AQP4 敲除細(xì)胞更大，提示AQP4 在促進(jìn)水分進(jìn)入星形膠質(zhì)細(xì)胞中起著重要作用。以上這些都說(shuō)明AQP4 是重要的水轉(zhuǎn)運(yùn)通道，參與細(xì)胞毒性腦水腫的形成。在細(xì)胞毒性腦水腫中AQP4 能夠加速水分進(jìn)入細(xì)胞，也可能加速水腫細(xì)胞中水分的清除。有研究報(bào)道，檢測(cè)野生型和AQP4 敲除型星形膠質(zhì)細(xì)胞在等滲和低滲溶液中的變化情況，發(fā)現(xiàn)野生型星形膠質(zhì)細(xì)胞腫脹和皺縮的速率都比AQP4 敲除型更快。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，低氧誘導(dǎo)野生型和AQP4 敲除型星形膠質(zhì)細(xì)胞腫脹，復(fù)氧后二者腫脹的消退時(shí)間一致，但野生型星形膠質(zhì)細(xì)胞的腫脹程度是AQP4 敲除型的1.3 倍，提示AQP4 可以加速低氧誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞水腫的清除。但目前沒(méi)有研究直接證明AQP4 野生型和敲除型細(xì)胞是否有不同的清除速率。

低氧、缺血和中毒誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性腦水腫與腦細(xì)胞的能量代謝密切相關(guān)。ATP 是細(xì)胞膜的鈉鉀泵運(yùn)轉(zhuǎn)的能源，以上三種病理狀況都會(huì)影響ATP 合成，導(dǎo)致鈉鉀泵的失調(diào)，使細(xì)胞內(nèi)離子濃度和滲透壓升高。滲透壓是細(xì)胞腫脹的源動(dòng)力，AQP4 除了可以被其他蛋白調(diào)節(jié)外，其本身的表達(dá)也對(duì)滲透壓反應(yīng)。在慢性滲透壓變化刺激后，AQP4 在神經(jīng)垂體的垂體細(xì)胞膜上表達(dá)增多，提示缺氧、缺血、中毒等導(dǎo)致ATP 合成減少，鈉鉀泵失調(diào)使細(xì)胞胞內(nèi)高滲，細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓變化可能通過(guò)上調(diào)AQP4 表達(dá)加速水分流入，形成細(xì)胞毒性腦水腫。同時(shí)有研究表明，鈉鉀泵通過(guò)AQP4 的K27 和W30 位點(diǎn)和AQP4 相聯(lián)系，AQP4、鈉鉀泵和mGluR 復(fù)合物可能和大腦的水穩(wěn)態(tài)有關(guān)，因此病理狀態(tài)下鈉鉀泵的失調(diào)可能會(huì)影響AQP4 的水通透性。此外，鈣失衡也是細(xì)胞毒性腦水腫的重要原因。正常狀態(tài)下細(xì)胞內(nèi)外Ca極高的濃度差依賴(lài)鈣泵來(lái)維持，在大腦缺氧缺血時(shí)，鈣泵失調(diào)Ca進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，一方面升高細(xì)胞內(nèi)離子濃度，改變滲透壓，另一方面還可激活Ca依賴(lài)的磷脂酶，使膜磷脂分解，形成一系列包括白三烯在內(nèi)的生物活性物質(zhì)。半胱氨酸白三烯受體2 (cysteinyl leukotriene receptor 2，CysLT 2)可通過(guò)激活ERK1/2 和p38 MAPK 通路介導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞中AQP4 的上調(diào)參與氧-葡萄糖剝奪和恢復(fù)(oxygen-glucose deprivation and recovery，OGD/R)模型誘導(dǎo)的缺血腦水腫。研究發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)在腦梗死和缺血損傷區(qū)域表達(dá)，低氧通過(guò)p38/MAPK 通路誘導(dǎo)小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生iNOS 和NO。Gunarson 等發(fā)現(xiàn)，NO能夠激活PKG 磷酸化AQP4 的S111 位點(diǎn)引起星形膠質(zhì)細(xì)胞水腫。因此缺血缺氧可能通過(guò)小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的NO 對(duì)AQP4 進(jìn)行調(diào)節(jié)引起細(xì)胞毒性腦水腫。

AQP4 的敲除、敲低或關(guān)閉能降低細(xì)胞毒性腦水腫的發(fā)生。但有研究發(fā)現(xiàn)，定向敲低星形膠質(zhì)細(xì)胞AQP4 使細(xì)胞膜通透性降低的同時(shí)也造成了細(xì)胞生長(zhǎng)抑制，而AQP4 敲除大鼠皮層星形膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)和生長(zhǎng)特征并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯改變。因此降低AQP4 的功能可以避免和減輕細(xì)胞毒性腦水腫，但敲低AQP4 并不能直接作為避免水腫發(fā)生的方法。

4 結(jié)論

AQP4 是參與大腦水平衡的重要蛋白。機(jī)體通過(guò)對(duì)AQP4 表達(dá)水平的長(zhǎng)時(shí)程調(diào)節(jié)和多個(gè)磷酸化位點(diǎn)的短時(shí)程快速調(diào)節(jié)控制AQP4 的開(kāi)關(guān)，以調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞功能和對(duì)水的通透性，參與腦水腫的形成與消退。以上這些因素對(duì)水通道通透性的調(diào)節(jié)具有相似或者相反作用，提示生理及病理的多種刺激影響細(xì)胞的AQP4，而對(duì)AQP4 通透性的調(diào)節(jié)則是開(kāi)放和關(guān)閉之間的時(shí)空結(jié)合。AQP4 的Ser180 和Ser111 位點(diǎn)及其他一些潛在的磷酸化位點(diǎn)的磷酸化調(diào)節(jié)機(jī)制可能是快速調(diào)節(jié)腦水腫的重要機(jī)制。腦水腫發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的AQP4 分子開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)制是目前的研究熱點(diǎn)。

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