水通道蛋白對(duì)動(dòng)物適旱性作用的研究進(jìn)展

于偉江 張建萍

(塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)塔里木盆地生物資源保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾 843300)

水是生命之源。水分參與了生物從出生到衰老死亡過(guò)程中幾乎所有的生命活動(dòng)。對(duì)于干旱區(qū)的生物來(lái)說(shuō)水更為珍貴，如何能高效地利用有限的水資源決定著其生命能否繼續(xù)下去。水通道蛋白(Aquaporin，AQP)是一族細(xì)胞膜上高效轉(zhuǎn)運(yùn)水分子的特異孔道蛋白，其種類和表達(dá)與水的分泌、吸收及細(xì)胞內(nèi)外水的平衡有非常密切的關(guān)系［1］。水通道蛋白構(gòu)成水分轉(zhuǎn)運(yùn)的特異性通道，能增強(qiáng)細(xì)胞膜對(duì)水分的通透性。

1 水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)及命名

1988年，Agre等在鑒定人紅細(xì)胞Rh血型抗原物質(zhì)時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了一種分子質(zhì)量(Mr)為28 kDa的整合膜蛋白。氨基酸測(cè)序發(fā)現(xiàn)該蛋白和眼晶狀體主體內(nèi)在蛋白(major intrinsic protein，MIP)具有高度同源性，因此有了暫時(shí)的名稱通道膜整合蛋白CHIP(Channel－like integral membrane protein)。并根據(jù)其Mr命名該蛋白為:形成通道的28 kDa膜整合蛋白，簡(jiǎn)稱 CHIP28［2］。1991 年，他們完成了CHIP28的cDNA分子克隆，闡明了其cDNA的分子組成［3］。在功能鑒定時(shí)，他們將體外反轉(zhuǎn)錄合成的CHIP28 cDNA注入非洲爪蟾卵母細(xì)胞中，在低滲溶液中觀察卵母細(xì)胞的膨脹度，發(fā)現(xiàn)表達(dá)了該基因的卵母細(xì)胞體積迅速增加，并于5 min內(nèi)破裂［3］。為進(jìn)一步確定CHIP28的功能，研究人員又將其重構(gòu)于人工合成的脂質(zhì)體，通過(guò)獲得的活化能及滲透系數(shù)的數(shù)據(jù)表明，該脂質(zhì)體對(duì)水表現(xiàn)出極高的通透性，但不通透其它小分子［4］?；贑HIP28這些明確的水轉(zhuǎn)運(yùn)功能，有人推薦使用“水孔蛋白(aquaporin)”這一名稱。1997年，該蛋白被基因組命名委員會(huì)正式命名為Aquaporin－1(AQP1)。Agre本人由于這項(xiàng)奠基性的工作被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。隨著研究的不斷深入，不斷有新的AQP被發(fā)現(xiàn)，迄今為止，在哺乳動(dòng)物體內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)13種水通道蛋白(AQP0～AQP12)，統(tǒng)稱為 aquaporin(AQP)［5］。這 13 種 AQP在通透水的功能上有著相似之處，但由于表達(dá)部位不同，因而又各自發(fā)揮著特異的生理功能。

2 水通道蛋白的分子結(jié)構(gòu)

哺乳動(dòng)物水通道蛋白的分子大小在26 000 000～34 000 000范圍之內(nèi)，其氨基酸序列同源性為19% ～52%［6］。因AQP是一類保守的疏水小分子整合膜蛋白，各種亞型三維結(jié)構(gòu)相似，常以AQP1的結(jié)構(gòu)作為代表。人AQP1基因位于第10號(hào)染色體，褐家鼠AQP1基因位于第4號(hào)染色體。AQP1的單體是一條由269個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成的肽鏈，該單肽鏈在細(xì)胞膜上往返形成6個(gè)跨膜的α螺旋，并在胞內(nèi)外形成5個(gè)環(huán)(A～E loop)。A、C及E環(huán)位于胞外，B和D環(huán)及肽鏈的N端和C端都位于胞內(nèi)。目前，被人們廣為接受的AQP1單體分子的三維結(jié)構(gòu)為“沙漏”模式［6］:肽鏈中的B環(huán)和E環(huán)具有高度保守的NPA(Asn－Pro－Ala)特征性序列，分別位于細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的疏水B環(huán)和E環(huán)向脂質(zhì)雙分子層中打折，兩個(gè)NPA序列在折疊中形成一個(gè)供水分子通過(guò)的孔道。插入突變NPA區(qū)域后AQP1的水通道功能就喪失了，說(shuō)明NPA區(qū)域具有重要的功能意義［7］。幾乎所有AQP分子的B環(huán)和E環(huán)上都存在高度保守的NPA特征性序列。然而也存在例外情況:在AQP11和AQP12中僅發(fā)現(xiàn)E環(huán)上具有NPA序列，另一個(gè)在 B環(huán)上的 NPA序列分別由 NPC(Asn－Pro－Cys)和 NPT(Asn－Pro－Thr)替代［8］。對(duì)AQP1晶體學(xué)數(shù)據(jù)分析表明，水孔蛋白由4個(gè)亞基組成四聚體(圖1A)，每個(gè)亞基都有6個(gè)跨膜α螺旋組成(圖1B和C)。每個(gè)水孔蛋白亞基單獨(dú)形成一個(gè)供水分子運(yùn)動(dòng)的中央孔，孔的直徑稍大于水分子的直徑，約0.28 nm，水孔長(zhǎng)約2 nm。研究發(fā)現(xiàn)，水分子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)是通過(guò)水孔蛋白亞基的中心通道實(shí)現(xiàn)的，不是通過(guò)四聚體的中央孔洞(4個(gè)亞基銜接處的中心縫隙)［9］。盡管現(xiàn)在還沒(méi)有完全揭示為何AQP1在對(duì)水分子快速通過(guò)的同時(shí)能有效阻止質(zhì)子的通過(guò)，表現(xiàn)出對(duì)水分子的特異通透性，但已有的數(shù)據(jù)表明，這種特異性與兩個(gè)半跨膜區(qū)NPA序列有關(guān)。AQP1中央孔的孔徑無(wú)法通過(guò)比水分子大的物質(zhì)，而兩個(gè)NPA中的Asn殘基所帶的正電荷也排斥了質(zhì)子的通過(guò)，因此，AQP1是一個(gè)高度特異的親水通道。

3 水通道蛋白的分布及生理功能

應(yīng)用免疫電鏡、免疫組織化學(xué)、反轉(zhuǎn)錄PCR、實(shí)時(shí)熒光定量PCR、原位雜交、免疫印跡等方法，發(fā)現(xiàn)水通道蛋白廣泛分布于機(jī)體的組織細(xì)胞中，尤其在與液體分泌和吸收有關(guān)的上皮細(xì)胞及內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá)較多。在哺乳動(dòng)物體內(nèi)AQP的13種亞型，即AQP0～AQP12(表1)。依據(jù)它們的基因結(jié)構(gòu)和通透性，將它們劃分為3組:傳統(tǒng)水通道蛋白(包括AQP0～2、AQP4～6及 AQP10)、甘油水通道蛋白(包括 AQP3、AQP7及 AQP9)和未明確分類的AQP8、AQP11 及 AQP12［11］。

圖1 水通道蛋白的分子結(jié)構(gòu)［10］

表1 水通道蛋白成員的組織分布及功能

4 水通道蛋白與動(dòng)物的適旱性

每種AQP都有其獨(dú)特的組織分布和細(xì)胞表達(dá)位置，以滿足機(jī)體對(duì)水分的需要。在肺的水代謝方面，Ma等［12］和 Bai等［13］發(fā)現(xiàn)與野生型小鼠相比，AQP1或AQP5基因敲除小鼠肺內(nèi)水轉(zhuǎn)運(yùn)被抑制高達(dá)90%，AQP1和AQP5基因共同敲除小鼠肺內(nèi)水轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)一步被抑制50%，這些結(jié)果說(shuō)明AQP在肺泡水分轉(zhuǎn)運(yùn)中起重要作用。King等［14］研究證明AQP1是肺血管通透性的決定因素。Song等［15］證明AQP5基因敲除小鼠其氣道粘膜下腺分泌液減少。Yasui等［16］發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)期間，大鼠肺 AQP1、AQP4及AQP5 mRNA表達(dá)量增加，提示這些AQP可能與清除肺水有關(guān)。

在腎水代謝方面，Ma等［17］發(fā)現(xiàn)與野生型小鼠相比，AQP1基因敲除小鼠表現(xiàn)出多飲和多尿的癥狀，若限制飲水則會(huì)引起機(jī)體嚴(yán)重脫水，同時(shí)尿濃縮能力也嚴(yán)重受損。Chou等［18］離體實(shí)驗(yàn)證明，AQP1缺失將導(dǎo)致腎臟近曲小管和亨勒袢降支細(xì)段通透性降低，重吸收水分的能力降低。AQP2是腎臟重吸收水分濃縮尿液從而調(diào)節(jié)機(jī)體水平衡的主要分子基礎(chǔ)，AQP2只存在于集合管(CD)中，在其他部位未見(jiàn)表達(dá)，而CD是尿液分泌最后的決定性部位，這決定了AQP2對(duì)腎臟水調(diào)節(jié)獨(dú)特的作用。Sasaki等［19］研究發(fā)現(xiàn)缺水口渴可使AQP2 mRNA在腎臟的表達(dá)量增加。Tsumura等［20］發(fā)現(xiàn)多飲水影響AQP2基因的轉(zhuǎn)錄而導(dǎo)致其表達(dá)下降。AQP3分布于腎皮質(zhì)到腎乳頭的整個(gè)CD系統(tǒng)中，AQP4則主要表達(dá)于主細(xì)胞的基底膜。AQP3和AQP4共同對(duì)由AQP2轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的水分起分散作用。Kim等［21］研究發(fā)現(xiàn)與野生型小鼠相比，AQP3基因敲除小鼠的飲水量和尿量增加12倍以上，出現(xiàn)嚴(yán)重尿崩癥和尿濃縮障礙的癥狀。

在消化道的水代謝方面，每天在人類的消化道的液體轉(zhuǎn)運(yùn)量有8～10 L之多，而且至少有7種水通道在消化道上皮表達(dá)。Ma等［22］發(fā)現(xiàn)就盲腸糞便中水分含量，AQP4基因敲除小鼠和野生型小鼠之間沒(méi)有差別，但排瀉的糞便中的水分含量差異顯著，AQP4基因敲除小鼠排瀉的糞便中的水分含量明顯升高。Wang等［23］在體結(jié)腸灌流實(shí)驗(yàn)證明，AQP4基因敲除小鼠，其結(jié)腸上皮水的通透性明顯降低，證明AQP4參與結(jié)腸液體中水分的重吸收。這些研究表明，AQP的表達(dá)與肺泡水分轉(zhuǎn)運(yùn)、尿的濃縮、排泄糞便中水分含量的多少等都有緊密的關(guān)系。然而，AQP在野生動(dòng)物適應(yīng)干旱環(huán)境中的作用尚未見(jiàn)報(bào)道。

干旱區(qū)野生動(dòng)物的生存環(huán)境極度干旱。自然選擇是生物進(jìn)化的驅(qū)動(dòng)力。面對(duì)壓力環(huán)境，生物會(huì)進(jìn)化為不同環(huán)境下所特有的分類群或生存特征［24］。這種針對(duì)壓力環(huán)境所產(chǎn)生的適應(yīng)性反應(yīng)可以導(dǎo)致加快生物譜系的進(jìn)化或者特定壓力敏感蛋白的進(jìn)化。因此環(huán)境壓力可以加速特定壓力敏感蛋白的進(jìn)化速率，產(chǎn)生針對(duì)特定環(huán)境的新功能或?qū)υ泄δ艿募訌?qiáng)，可提高動(dòng)物對(duì)這種壓力環(huán)境的適合度［25］。正如Yang等［26］發(fā)現(xiàn)青藏高原的高原鼠兔(Ochotona curzoniae)在寒冷壓力的作用下，其瘦素蛋白(leptin)發(fā)生了適應(yīng)性的功能進(jìn)化，產(chǎn)生了新的功能或加強(qiáng)了原有功能。筆者的前期研究工作發(fā)現(xiàn)，塔里木盆地的塔里木兔(Lepus yarcandensis)在干旱壓力的作用下，其腎臟AQP1和AQP2的表達(dá)比家兔強(qiáng)，并且表達(dá)的部位也更加廣泛，這有利于增強(qiáng)塔里木兔腎臟對(duì)水的重吸收能力，以保存體水。該研究結(jié)果表明，塔里木兔腎臟水通道蛋白對(duì)其適應(yīng)干旱缺水的環(huán)境，具有重要作用。綜上所述，鑒于干旱區(qū)野生動(dòng)物干旱缺水的生存環(huán)境及AQP在動(dòng)物水代謝調(diào)節(jié)中的關(guān)鍵作用，推測(cè)在干旱區(qū)野生動(dòng)物中，AQP可能作為一種干旱敏感蛋白，在動(dòng)物對(duì)干旱環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)過(guò)程中起到了重要的作用。

致謝:中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所王德華研究員對(duì)本文的撰寫(xiě)提供了有益幫助，在此表示衷心的感謝。

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