水通道蛋白與神經(jīng)變性疾病

方鑫

水通道蛋白（aquaporins，AQP）是一種位于細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)，在人體組織中廣泛分布，其主要作用是控制水分子的跨細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)。大腦內(nèi)發(fā)現(xiàn)的 AQP有 AQP1、AQP2、AQP3、AQP4、AQP5、AQP7、AQP8、AQP9、AQP11［1］。腦內(nèi)表達(dá)較多的水通道蛋白主要是 AQP4、AQP1和 AQP9［2］。其中，AQP4是腦內(nèi)最重要AQP，在靠近腦毛細(xì)血管的星形膠質(zhì)細(xì)胞、突觸周圍間隙和郎飛氏結(jié)均有表達(dá)，AQP4可清除神經(jīng)元活動(dòng)中釋放的K＋；AQP1在脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞中表達(dá)，參與腦脊液形成；AQP9存在于星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元亞群，參與大腦能量代謝［2］。AQP在視神經(jīng)脊髓炎、癲癇、腦水腫等神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用已有較多研究。目前AQP與神經(jīng)變性疾病方面的研究受到越來(lái)越多的關(guān)注，神經(jīng)變性疾病主要以進(jìn)行性認(rèn)知障礙和運(yùn)動(dòng)障礙為臨床表現(xiàn)，在全世界范圍內(nèi)有數(shù)百萬(wàn)人受累［3］。本文對(duì)近年來(lái)AQP在常見(jiàn)神經(jīng)變性疾病，如肌萎縮側(cè)索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）、帕金森病（Parkinson disease，PD）和阿爾茨海默病（Alzheimer disease，AD）相關(guān)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 ALS

ALS是累及上、下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的進(jìn)行性、致死性神經(jīng)變性疾病，一般在確診后3～5年中死亡。目前有觀點(diǎn)認(rèn)為運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的功能障礙和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元死亡與星形膠質(zhì)細(xì)胞及膠質(zhì)細(xì)胞環(huán)境改變密切相關(guān)。AQP4是哺乳動(dòng)物大腦主要的AQP，其主要定位于星形膠質(zhì)細(xì)胞質(zhì)膜。Nicaise等［4］發(fā)現(xiàn)AQP4mRNA和蛋白水平在超氧化物歧化酶（SOD1）突變轉(zhuǎn)基因大鼠模型疾病末期的脊髓灰質(zhì)特異性高表達(dá)，脊髓灰質(zhì)中上調(diào)的AQP4圍繞分布在血管和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元胞體周圍，而在白質(zhì)則未發(fā)現(xiàn)這種變化。另外，血－腦脊液屏障內(nèi)側(cè)的星形膠質(zhì)細(xì)胞終足富含AQP4和內(nèi)向整流鉀通道（Kir）4.1這兩種通道蛋白。AQP4和Kir4.1兩種通道蛋白具有維持血－腦脊液屏障星形膠質(zhì)細(xì)胞的功能，在突變型SOD1（G93A）轉(zhuǎn)基因大鼠模型的腦干和皮層AQP4上調(diào)，同時(shí)Kir4.1表達(dá)減少，這表明星形膠質(zhì)細(xì)胞維持水和鉀平衡的功能受損，從而影響血－腦脊液屏障、破壞神經(jīng)元的微環(huán)境，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元功能障礙和死亡［5］。另一方面，AQP4在ALS患者骨骼肌表達(dá)減少，有研究顯示大鼠失神經(jīng)支配的肌肉AQP4表達(dá)出現(xiàn)明顯且迅速的下降，表明再生階段骨骼肌中AQP4的表達(dá)需要由神經(jīng)傳送［6］。到目前為止，ALS骨骼肌中AQP4的功能還不完全清楚，AQP4與肌肉病理之間的相關(guān)性研究方面的資料較少，有待進(jìn)一步研究。

2 PD

PD是第二大神經(jīng)變性疾病，在中老年人群多見(jiàn)，65歲以上人群PD患病率約為1%，PD的年發(fā)病率為（13.5～13.9）／10萬(wàn)人，75～85歲人群患病率為3100／10萬(wàn)，大于85歲人群患病率為4300／10萬(wàn)［7］。中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元選擇性丟失為PD的特征性病理改變。有研究顯示，在1－甲基－4－苯基－1，2，3，6－四氫吡啶（1－methyl－4－phenyl－1，2，3，6－tetrahydropyridine hydrochloride，MPTP）誘導(dǎo)的PD小鼠模型，MPTP給藥后AQP4缺失的星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖和膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（GDNF）蛋白合成被抑制；與野生型小鼠相比，缺乏AQP4的突變小鼠對(duì)MPTP誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性更敏感［8］。AQP4通過(guò)降低活性氧簇（ROS）的產(chǎn)生及減少其相關(guān)藥物代謝酶細(xì)胞色素P4502E1（CYP2E1）的表達(dá)，從而逆轉(zhuǎn)1－甲基－4－苯基吡啶（1－methyl－4－phenylpyridinium，MPP＋）和脂多糖誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞損害而發(fā)揮保護(hù)機(jī)體細(xì)胞的作用［9］。Subburaman 等［10］發(fā)現(xiàn)，與健康對(duì)照相比，PD患者血液來(lái)源的AQP4mRNA表達(dá)減少，且AQP4mRNA表達(dá)在PD不同階段無(wú)明顯變化。Küppers等［11］研究多巴胺對(duì)紋狀體來(lái)源的原代星形膠質(zhì)細(xì)胞體外增殖的影響，采用siRNA技術(shù)基因敲除AQP4后，發(fā)現(xiàn)由多巴胺誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖減少，由此推測(cè)調(diào)控AQP4可能成為一種治療PD膠質(zhì)增生的策略，AQP4能調(diào)控膠質(zhì)增生，減少膠質(zhì)瘢痕形成。但是亦有研究結(jié)果顯示AQP4基因敲除小鼠體外星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖無(wú)變化，甚至還有研究發(fā)現(xiàn)以siRNA干預(yù)體外培養(yǎng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖減少70%左右，因此，多巴胺具有調(diào)控AQP4表達(dá)的作用尚需要體內(nèi)研究來(lái)進(jìn)一步證實(shí)［3］。

3 AD

AD是老年人最常見(jiàn)的神經(jīng)變性疾病，病情呈進(jìn)行性發(fā)展，以癡呆、認(rèn)知功能障礙為主要臨床表現(xiàn)。AD的特征性病理改變?yōu)槔夏臧吆蜕窠?jīng)原纖維纏結(jié)，其中老年斑的主要成分為β淀粉樣蛋白（Aβ）。有研究顯示，AD大腦存在離子和水平衡障礙，而且AQP1和AQP4在AD腦內(nèi)均存在異常表達(dá)，Aβ沉積可能通過(guò)干擾星形膠質(zhì)細(xì)胞的水通道功能引起腦組織中水平衡異常［3］。目前有觀點(diǎn)認(rèn)為血－腦脊液屏障破壞參與了AD的病理進(jìn)程，而星形膠質(zhì)細(xì)胞是血－腦脊液屏障的重要組成部分，星形膠質(zhì)細(xì)胞層粘連蛋白丟失使得AQP4和緊密連接蛋白表達(dá)減少，導(dǎo)致血－腦脊液屏障的破壞［12］。Pérez等［13］發(fā)現(xiàn)，采用免疫組化方法可見(jiàn)在AD早期星形膠質(zhì)細(xì)胞AQP1表達(dá)上調(diào)，免疫熒光雙標(biāo)和共聚焦顯微鏡發(fā)現(xiàn)，AQP1在膠質(zhì)纖維酸性蛋白（GFAP）星形膠質(zhì)細(xì)胞表面免疫反應(yīng)陽(yáng)性，從而將AQP1表達(dá)定位于星形膠質(zhì)細(xì)胞。Hoshi等［14］通過(guò)免疫組化分析發(fā)現(xiàn)AQP1陽(yáng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞在AD大腦皮質(zhì)比健康對(duì)照組顯著增多，其分布靠近Aβ42或Aβ40陽(yáng)性的老年斑。但AQP1陽(yáng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞在Aβ豐富的腦區(qū)極少觀察到，半定量評(píng)估發(fā)現(xiàn)AQP1水平與Aβ42水平呈負(fù)相關(guān)。Hoshi等［14］還發(fā)現(xiàn) AQP4分布與 Aβ42陽(yáng)性或Aβ40陽(yáng)性的老年斑有關(guān)聯(lián)，AQP4圍繞Aβ40陽(yáng)性血管表達(dá)，且其表達(dá)水平是可變的。該研究結(jié)果表明AQP1陽(yáng)性反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞可能改變Aβ在AD大腦內(nèi)的沉積，而且Aβ沉積過(guò)程亦可能會(huì)改變AQP4在星形膠質(zhì)細(xì)胞的表達(dá)。

綜上可見(jiàn)，AQP轉(zhuǎn)運(yùn)水分子，參與機(jī)體神經(jīng)變性疾病的生理和病理生理過(guò)程。迄今為止AQP在常見(jiàn)神經(jīng)變性疾病中作用的相關(guān)研究較少，尚無(wú)脊髓小腦變性、Huntington病及球脊肌萎縮癥等神經(jīng)變性疾病與AQP的相關(guān)性研究，處于有待進(jìn)一步探索的階段。

［1］Benga O，Huber VJ.Brain water channel proteins in health and disease［J］.Mol Aspects Med，2012，33（5－6）：562－578.

［2］Zelenina M.Regulation of brain aquaporins［J］.Neurochem Int，2010，57（4）：468－488.

［3］Foglio E，Rodella LF.Aquaporins and neurodegenerative diseases［J］.Curr Neuropharmacol，2010，8（2）：112－121.

［4］Nicaise C，Soyfoo MS，Authelet M，et al.Aquaporin－4overexpression in rat ALS model［J］.Anat Rec （Hoboken），2009，292（2）：207－213.

［5］Bataveljic D，Nikolic L，Milosevic M，et al.Changes in the astrocytic aquaporin－4and inwardly rectifying potassium channel expression in the brain of the amyotrophic lateral sclerosis SOD1（G93A）rat model［J］.Glia，2012，60（12）：1991－2003.

［6］Benga I，Benga O.Implications of water channel proteins in selected neurological disorders：epilepsies，muscular dystrophies，amyotrophic lateral sclerosis，neuromyelitis optica，Parkinson’s disease，and spongiform encephalopathies［J］.Mol Aspects Med，2012，33（5－6）：590－604.

［7］Schapira AH，Olanow CW，Greenamyre JT，et al.Slowing of neurodegeneration in Parkinson’s disease and Huntington’s disease：future therapeutic perspectives［J］.Lancet，2014，384（9942）：545－555.

［8］Fan Y，Kong H，Shi X，et al.Hypersensitivity of aquaporin 4－deficient mice to 1－methyl－4－phenyl－1，2，3，6－tetrahydropyrindine and astrocytic modulation［J］.Neurobiol Aging，2008，29（8）：1226－1236.

［9］Hao C，Liu W，Luan X，et al.Aquaporin－4knockout enhances astrocyte toxicity induced by 1－methyl－4－phenylpyridiniumion and lipopolysaccharide via increasing the expression of cytochrome P4502E1［J］.Toxicol Lett，2010，198（2）：225－231.

［10］Subburaman TT，Vanisree AJPD.Oxidative pathology and AQP4mRNA expression in patients of Parkinson’s disease in Tamil Nadu［J］.Ann Neurosci，2011，18（3）：109－112.

［11］Küppers E，Gleiser C，Brito V，et al.AQP4expression in striatal primary cultures is regulated by dopamine—implica－tions for proliferation of astrocytes［J］.Eur J Neurosci，2008，28（11）：2173－2182.

［12］Yao Y，Chen ZL，Norris EH，et al.Astrocytic laminin regulates pericyte differentiation and maintains blood brain barrier integrity［J］.Nat Commun，2014，5：3413.

［13］Pérez E，Barrachina M，Rodriguez A，et al.Aquaporin expression in the cerebral cortex is increased at early stages of Alzheimer disease［J］.Brain Res，2007，1128（1）：164－174.

［14］Hoshi A，Yamamoto T，Shimizu K，et al.Characteristics of aquaporin expression surrounding senile plaques and cerebral amyloid angiopathy in Alzheimer disease［J］.J Neuropathol Exp Neurol，2012，71（8）：750－759.