水通道蛋白1與膠質(zhì)瘤的最新研究進(jìn)展*

何 佳 李文良 谷 峰 馬勇杰

水通道蛋白1（Aquaporin-1，AQP1）是一種高度保守的膜結(jié)合蛋白，具有特異性跨膜運(yùn)輸水分子的功能，分子大小為28 kDa，基因定位于人染色體7p14［1］。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，AQP1主要表達(dá)在脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞，具有水通道和調(diào)控c-GMP離子通道的雙重作用，參與腦脊液的形成［2］。膠質(zhì)瘤起源于神經(jīng)上皮組織，是最常見的原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤。依據(jù)組織學(xué)來源，膠質(zhì)瘤可分為星形膠質(zhì)細(xì)胞瘤、少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤、少突星形膠質(zhì)細(xì)胞瘤和室管膜瘤，多數(shù)低級(jí)別的星形膠質(zhì)細(xì)胞瘤可以發(fā)展為惡性膠質(zhì)瘤。惡性膠質(zhì)瘤的表型特征是腫瘤快速增長、葡萄糖高消耗、腫瘤內(nèi)壞死和缺氧、微血管增生豐富、血-腦屏障的破壞。研究表明，AQP1表達(dá)在星形膠質(zhì)細(xì)胞瘤細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞中，并且隨著腫瘤級(jí)別的升高AQP1表達(dá)增加［3-4］。進(jìn)一步研究表明，AQP1與腫瘤血管新生、腫瘤相關(guān)腦水腫的發(fā)生及腫瘤轉(zhuǎn)移密切相關(guān)［5-7］。本文綜述了近年來有關(guān)AQP1與膠質(zhì)瘤的研究進(jìn)展，闡釋AQP1的分子結(jié)構(gòu)、表達(dá)以及在膠質(zhì)瘤中的功能。

1 AQP1的分子結(jié)構(gòu)

AQP1在細(xì)胞膜上主要以四聚體形式存在，每個(gè)單體是1條含269個(gè)氨基酸殘基的肽鏈，其作為一個(gè)獨(dú)立的功能單位，通過中心位置的通道完成水分子的轉(zhuǎn)運(yùn)。肽鏈跨膜折疊形成6個(gè)長α螺旋結(jié)構(gòu)域，構(gòu)成了基本骨架，這些疏水跨膜區(qū)由5條襻環(huán)（A-E loop）相連接，其中B環(huán)、D環(huán)及肽鏈的羧基、氨基末端位于胞內(nèi)，A環(huán)、C環(huán)和E環(huán)定位于質(zhì)膜外側(cè)［8］。B環(huán)和E環(huán)各自折疊成短α螺旋嵌入脂質(zhì)雙分子層，該α螺旋含有高度保守的天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸（NPA）序列，構(gòu)成運(yùn)水通道的核心部位，并與6個(gè)α螺旋中靠近四聚體中心的4個(gè)螺旋構(gòu)成完整通道，即為AQP1的“沙漏模型”（hourglass model）。每個(gè)孔道的直徑約為3.8 nm，恰好允許1個(gè)水分子通過，水分子排列成1條直線進(jìn)入形似啞鈴狀狹窄的通道，通道中的極性與偶極力幫助水分子以適當(dāng)?shù)慕嵌韧ㄟ^，而通道中的陽離子區(qū)域幾乎嚴(yán)格排斥其他所有離子。因此，AQP1能選擇性地通過大量的水，而不允許其他離子或分子通過［9］。

2 AQP1在腦組織及膠質(zhì)瘤中的表達(dá)

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，AQP1主要定位于腦室的脈絡(luò)叢，也分布于海馬、室管膜和軟腦膜［10］。研究表明，AQP1主要表達(dá)在脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞的頂面，在基底面、側(cè)面、胞質(zhì)和脈絡(luò)叢血管的內(nèi)皮細(xì)胞也有少量表達(dá)［11-13］?？茖W(xué)家通過將小鼠腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞同星形膠質(zhì)細(xì)胞共同培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)原代內(nèi)皮細(xì)胞很少表達(dá)AQP1，而傳代后AQP1表達(dá)上調(diào)，同時(shí)血-腦屏障的表型特征逐漸削弱，表明星形膠質(zhì)細(xì)胞抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)微血管內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)AQP1［14］。在星形膠質(zhì)細(xì)胞瘤、室管膜瘤和少突星形膠質(zhì)細(xì)胞瘤中均檢測到 AQP1 的表達(dá)［5，15］。目前研究發(fā)現(xiàn)，在星形膠質(zhì)細(xì)胞瘤中，AQP1表達(dá)于微血管內(nèi)皮細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞，并且隨著腫瘤級(jí)別的升高，AQP1表達(dá)增加，對(duì)于低級(jí)別星形膠質(zhì)細(xì)胞瘤，AQP1僅分布在腫瘤細(xì)胞的胞膜上，而高級(jí)別星形膠質(zhì)細(xì)胞瘤，AQP1還分布在腫瘤細(xì)胞的胞質(zhì)中［3-4］。與腫瘤中心壞死區(qū)的癌細(xì)胞相比，靠近外周的腫瘤細(xì)胞AQP1表達(dá)升高［6］。對(duì)于高級(jí)別星形膠質(zhì)細(xì)胞瘤，AQP1在癌旁組織的表達(dá)較腫瘤內(nèi)部更加明顯，而低級(jí)別膠質(zhì)瘤正好相反［5］。在星形膠質(zhì)細(xì)胞瘤的癌旁組織，AQP1表達(dá)在反應(yīng)性星形細(xì)胞內(nèi)，表現(xiàn)出圍繞微血管的集落分布［5-6］。無論在腫瘤內(nèi)部還是癌旁組織，均可觀察到AQP1在血管周圍的表達(dá)，然而有趣的是，高級(jí)別膠質(zhì)瘤血管周圍AQP1的表達(dá)不包括增生的內(nèi)皮細(xì)胞。此外，Endo等［16］將3種膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系分別植入小鼠皮下和顱窗后發(fā)現(xiàn)AQP1的表達(dá)與腫瘤植入小鼠體內(nèi)的位置有關(guān)。

近年來有報(bào)道指出，pH依賴的B-PDF、雌性激素、肽聚糖均調(diào)節(jié)AQP1在腹膜間皮細(xì)胞的表達(dá)［17-19］。給予腎內(nèi)髓集合管上皮細(xì)胞高滲條件時(shí)，發(fā)現(xiàn)激活絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）途徑能夠誘導(dǎo)AQP1的表達(dá)。但這些因素和途徑在何種程度上調(diào)節(jié)AQP1在膠質(zhì)瘤中的表達(dá)研究很少。在培養(yǎng)的膠質(zhì)肉瘤細(xì)胞9L中檢測出5個(gè)潛在的調(diào)控AQP1表達(dá)的因素，即地塞米松、血小板源性生長因子、氯化鈉、缺氧、D-葡萄糖（非L-葡萄糖）和果糖，并觀察到AQP1 mRNA表達(dá)的增加全部以劑量依賴性的方式進(jìn)行。給予膠質(zhì)母細(xì)胞系缺氧處理后發(fā)現(xiàn)，HIF-1 α參與缺氧誘導(dǎo)的AQP1表達(dá)，并且觀察到血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）的上調(diào)，表明缺氧誘導(dǎo)的AQP1上調(diào)可能導(dǎo)致細(xì)胞膜水通透性的增加。進(jìn)一步研究表明，AQP1表達(dá)與糖酵解水平有關(guān)，在缺氧條件下也是通過增加糖酵解水平調(diào)控AQP1的表達(dá)，而不是缺氧本身調(diào)控［20-21］。

3 AQP1在膠質(zhì)瘤中的作用

3.1 血管生成

新生血管不僅為腫瘤提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)，還可以分泌多種生長因子促進(jìn)腫瘤生長。研究表明，在黑色素瘤細(xì)胞中敲除AQP1后植入小鼠皮下或顱內(nèi)，發(fā)現(xiàn)腫瘤微血管密度明顯減少，并出現(xiàn)大量壞死，表明抑制AQP1可以延緩腫瘤血管的生成，抑制腫瘤細(xì)胞遷移［22］。研究發(fā)現(xiàn)，AQP1在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中高表達(dá)，且其分布呈現(xiàn)出明顯的差異性，即AQP1在腫瘤浸潤區(qū)域的血管周圍高表達(dá)，而在腫瘤中心壞死區(qū)域表達(dá)較低，盡管在低級(jí)別膠質(zhì)瘤AQP1僅表達(dá)在一些膠質(zhì)瘤細(xì)胞，但AQP1在鄰近腫瘤浸潤區(qū)域表達(dá)的模式仍然存在。在膠質(zhì)瘤中心壞死灶周圍，微血管呈現(xiàn)腎小球樣的形態(tài)，在腫瘤外周則呈分枝狀結(jié)構(gòu)，膠質(zhì)瘤主要沿著血管侵襲周圍組織，從血液獲得充足的營養(yǎng)物質(zhì)并清除代謝產(chǎn)物，而AQP1表達(dá)在微血管周圍的膠質(zhì)瘤細(xì)胞，說明AQP1的表達(dá)可能與膠質(zhì)瘤血管新生有關(guān)［6］。然而，AQP1介導(dǎo)膠質(zhì)瘤血管生成的機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

3.2 膠質(zhì)瘤相關(guān)水腫

膠質(zhì)瘤相關(guān)水腫（GRE）是膠質(zhì)瘤常見的并發(fā)癥，包括腫瘤周圍水腫和腫瘤內(nèi)部水腫，隨著腫瘤級(jí)別的增高，水腫發(fā)生率增加，水腫的發(fā)生加重了瘤體占位效應(yīng)，妨礙外周正常組織的功能，影響患者發(fā)病率和死亡率，此外，瘤旁水腫的形成能夠松弛膠質(zhì)瘤組織，從而增強(qiáng)膠質(zhì)瘤的侵襲能力［23］。研究表明，腫瘤周圍水腫的發(fā)生是由于血-腦屏障受損，膠質(zhì)瘤破壞血-腦屏障結(jié)構(gòu)，使血漿進(jìn)入細(xì)胞間質(zhì)，導(dǎo)致血管性腦水腫［24］。除此之外，相比正常腦組織，膠質(zhì)瘤微血管的通透性增加，AQP1表達(dá)在膠質(zhì)瘤微血管內(nèi)皮細(xì)胞，可能有利于瘤旁水腫的產(chǎn)生［24-26］。研究發(fā)現(xiàn)，AQP1表達(dá)情況與膠質(zhì)瘤級(jí)別、癌旁水腫程度呈正相關(guān)，表明AQP1可能參與血管性腦水腫的形成［5，24］。但是AQP1參與膠質(zhì)瘤相關(guān)水腫形成的病理生理機(jī)制仍不清楚。

3.3 細(xì)胞遷移

遷移是腫瘤細(xì)胞的一種基本特性，是腫瘤細(xì)胞浸潤和轉(zhuǎn)移的前提，其過程主要包括細(xì)胞前端伸出偽足，偽足與細(xì)胞外基質(zhì)形成新的細(xì)胞黏著，細(xì)胞體收縮，細(xì)胞尾端與周圍基質(zhì)解離。Saadoun等［22］發(fā)現(xiàn)，敲除AQP1的小鼠腫瘤血管生成與內(nèi)皮細(xì)胞遷移能力明顯降低，并推測水通道蛋白依賴的細(xì)胞遷移可能是一個(gè)普遍的細(xì)胞現(xiàn)象；細(xì)胞在遷移過程中，通過細(xì)胞膜突起快速的形成和收縮而不斷調(diào)整自身體積，以適應(yīng)外部狹小的空間，并推動(dòng)著細(xì)胞向前運(yùn)動(dòng)。AQP1能夠與Lin7/β-catenin結(jié)合［27］，引起肌動(dòng)蛋白重組形成質(zhì)膜突起，同時(shí)介導(dǎo)水分子快速跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入偽足，通過促進(jìn)質(zhì)膜突起的快速更新和增加水的滲透性而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的遷移［22，28］。研究發(fā)現(xiàn)，敲除AQP1的膠質(zhì)瘤細(xì)胞系其細(xì)胞遷移能力明顯下降，表明AQP1可能促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞在腦內(nèi)的遷移；此外，鏡檢遷移中的細(xì)胞發(fā)現(xiàn)熒光標(biāo)記的AQP1主要定位在細(xì)胞的前端，提示AQP1在遷移過程中的作用［29］。Rouzaire-Dubois等［7］將小鼠膠質(zhì)瘤細(xì)胞中的AQP1降表達(dá)后發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞在不等滲環(huán)境下快速調(diào)節(jié)細(xì)胞體積的能力下降，進(jìn)一步證實(shí)AQP1可能通過水的快速跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)整細(xì)胞自身體積，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞的遷移。

此外，研究表明腫瘤微環(huán)境的酸化能夠促進(jìn)腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移，并可能在腫瘤放療、化療和其他非手術(shù)治療耐受性方面發(fā)揮作用［30］。膠質(zhì)瘤細(xì)胞能夠進(jìn)行高效率的有氧糖酵解，導(dǎo)致在常氧狀態(tài)下仍能產(chǎn)生大量乳酸［31］，造成細(xì)胞外環(huán)境的酸化，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。AQP1作為機(jī)體中重要的水通道蛋白，可能在細(xì)胞內(nèi)向細(xì)胞外轉(zhuǎn)運(yùn)多余H+的過程中發(fā)揮作用［32-33］，提示AQP1在膠質(zhì)瘤轉(zhuǎn)移過程中的又一作用。

4 展望

AQP1主要通過轉(zhuǎn)運(yùn)水分子在腫瘤血管生成、腫瘤相關(guān)水腫及腫瘤浸潤轉(zhuǎn)移中發(fā)揮作用，并隨著腫瘤級(jí)別的增高，AQP1表達(dá)增加，對(duì)于低級(jí)別膠質(zhì)瘤，AQP1表達(dá)在膠質(zhì)瘤細(xì)胞膜和微血管內(nèi)皮細(xì)胞上，而在高級(jí)別膠質(zhì)瘤中，AQP1強(qiáng)烈表達(dá)在腫瘤細(xì)胞的胞膜和胞質(zhì)中，在微血管內(nèi)皮細(xì)胞上則沒有表達(dá)，AQP1這種在各級(jí)別膠質(zhì)瘤中不同的表達(dá)模式仍需進(jìn)一步探討。血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）在星形膠質(zhì)細(xì)胞瘤中的表達(dá)明顯高于正常腦組織，有學(xué)者認(rèn)為VEGF可能誘導(dǎo)AQP1的表達(dá)，從而促進(jìn)腫瘤血管的生成［5］；HIF-1α主要表達(dá)在圍繞腫瘤中心的壞死缺氧區(qū)并增加AQP1的表達(dá)［6］，缺氧誘導(dǎo)的AQP1表達(dá)上調(diào)可能增加細(xì)胞膜水的通透性，與組織缺氧引起的腫瘤內(nèi)水腫有關(guān)，給予膠質(zhì)母細(xì)胞系缺氧處理后發(fā)現(xiàn)，HIF-1α參與缺氧誘導(dǎo)的AQP1表達(dá)，并且觀察到血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）的上調(diào)，表明缺氧誘導(dǎo)的AQP1上調(diào)可能導(dǎo)致細(xì)胞膜水通透性的增加［21］，與此同時(shí)，AQP1的上調(diào)可能通過擴(kuò)散氧分子的功能增加組織含氧量進(jìn)而減輕微血管增生、組織凋亡和壞死［34］。因此，可以通過建立動(dòng)物模型來進(jìn)一步探討AQP1與膠質(zhì)瘤相關(guān)水腫的關(guān)系。

此外，研究發(fā)現(xiàn)AQP1啟動(dòng)子中包含皮質(zhì)激素結(jié)合元件，臨床應(yīng)用皮質(zhì)類固醇治療腦水腫的作用機(jī)制可能與AQP1在腦腫瘤的過度表達(dá)有關(guān)。另一項(xiàng)研究證實(shí)，芳基磺酰胺通過抑制AQP1的表達(dá)而減少小鼠損傷模型中腦水腫的發(fā)生，因此，AQP1可能成為膠質(zhì)瘤藥物治療新靶點(diǎn)。最新研究表明，AQP1通過lin7/β-catenin促進(jìn)人黑色素瘤細(xì)胞和人血管內(nèi)皮細(xì)胞的遷移，推斷AQP1可能通過lin7/β-catenin影響肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞遷移［27］，然而目前細(xì)胞內(nèi)AQP1的激活以及下游作用的機(jī)制仍未明確，需要進(jìn)一步探討研究。

盡管AQP1在不同疾病中的作用已被初步揭示，但是其在膠質(zhì)瘤的研究還需要更深入的研究和探討。

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