肺水通道蛋白與支氣管哮喘

丁偉偉 馬 嘯 李澤庚

·綜述 講座·

肺水通道蛋白與支氣管哮喘

丁偉偉 馬 嘯 李澤庚

肺水通道蛋白；支氣管哮喘

水通道蛋白(aquaporins,AQPs)是一組與水的跨膜轉(zhuǎn)運及通透性有關(guān)的細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運蛋白的總稱，參與調(diào)節(jié)水的跨膜轉(zhuǎn)運、維持機(jī)體水液代謝平衡。目前為止，在哺乳動物當(dāng)中共發(fā)現(xiàn)13種AQPs，分別被命名為AQP0-12，其中分布于肺組織的有6種，分別為AQP1、3、4、5、8和AQP9，稱之為肺水通道蛋白[1-3]。近年來的研究表明，肺水通道蛋白的異常表達(dá)與支氣管哮喘炎性細(xì)胞浸潤、氣道高反應(yīng)性、氣道黏液分泌及氣道重塑等有著密切聯(lián)系，其參與了哮喘發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)歸等多個環(huán)節(jié)[4-6]。

1 肺水通道蛋白的結(jié)構(gòu)、分布及生物學(xué)功能

1.1 肺水通道蛋白的結(jié)構(gòu)特點 肺水通道蛋白是一組介導(dǎo)水跨膜轉(zhuǎn)運的蛋白質(zhì)家族，其高級結(jié)構(gòu)由同源四聚體所組成，空間結(jié)構(gòu)有一個特征性的表現(xiàn)即：中心區(qū)域為單分子水通道孔徑，此單分子水通道孔徑由兩個高度保守的天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸序列(又稱為NPA模序)反復(fù)折疊構(gòu)成，三維結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為“沙漏”樣特征，能夠介導(dǎo)水分子、離子以及氣體分子跨膜轉(zhuǎn)運。其中，AQP1、AQP4、AQP5和AQP8為單純的水通道蛋白家族(又稱之為傳統(tǒng)的水通道蛋白)，其只介導(dǎo)水分子跨膜轉(zhuǎn)運；而AQP3和AQP9為水-甘油跨膜轉(zhuǎn)運的蛋白通道，除了能夠介導(dǎo)水的跨膜轉(zhuǎn)運之外還可以介導(dǎo)甘油、尿素和一些小分子化合物轉(zhuǎn)運，肺水通道蛋白的特殊空間結(jié)構(gòu)為其發(fā)揮生物學(xué)功能提供了保障[7-9]。

1.2 肺水通道蛋白的分布 AQP1、AQP5在整個呼吸道均有表達(dá)，AQP3、AQP4主要在上呼吸道當(dāng)中表達(dá)，而AQP8、9則表達(dá)于呼吸道黏膜下腺[10]。Kreda等[11]應(yīng)用原位雜交和免疫熒光技術(shù)進(jìn)一步明確了其細(xì)胞定位，其中AQP1主要表達(dá)于呼吸道旁毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞、氣道上皮細(xì)胞頂膜面、支氣管黏膜下腺上皮細(xì)胞、淋巴管及胸膜臟層的上皮細(xì)胞上，也有少量分布于肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞頂膜面上；AQP3表達(dá)于大氣道上皮細(xì)胞表層和腺泡的基底細(xì)胞膜上；AQP4位于氣道上皮、肺泡內(nèi)皮細(xì)胞、Ⅰ型肺泡上皮細(xì)胞、纖毛管基底側(cè)細(xì)胞膜和腺體細(xì)胞基底側(cè)細(xì)胞膜；AQP5位于呼吸道上皮表層的柱狀上皮細(xì)胞頂膜和黏膜下腺腺泡細(xì)胞頂膜以及上氣道的分泌上皮細(xì)胞。同時，肺水通道蛋白的分布還有一個顯著性特點，即在同一細(xì)胞定位上無兩種以上的AQPs重迭分布，這說明了各AQPs在不同層次、不同水平上發(fā)揮作用，調(diào)節(jié)機(jī)體水液代謝平衡。

1.3 肺水通道蛋白的生物學(xué)功能 肺水通道蛋白在肺組織水液代謝平衡，協(xié)調(diào)肺泡和肺間質(zhì)以及肺毛細(xì)血管間的水跨膜轉(zhuǎn)運等方面發(fā)揮著重要作用，其主要生物學(xué)功能包括參與出生時肺泡液體的吸收，急性、亞急性肺損傷時肺水容量的調(diào)節(jié)及吸入氣體的濕化、氣道表面液體容量的調(diào)節(jié)、氣道液體的吸收等。Verkman等[12]使用AQP1和(或)AQP5基因敲除的小鼠研究時發(fā)現(xiàn)，AQP1或AQP5單獨缺失時，肺泡毛細(xì)血管間水的通透性下降14～16倍，而兩者同時缺失時水的通透能力則下降30倍，這表明AQP1、AQP5在調(diào)控肺組織內(nèi)水的轉(zhuǎn)運及平衡等方面起著重要的作用。孫文江等[13]研究表明AQP4的異常表達(dá)與腦組織損傷后的繼發(fā)性腦水腫關(guān)系密切，AQP4參與并介導(dǎo)了腦組織水的轉(zhuǎn)運，其在調(diào)控水液代謝方面發(fā)揮著重要作用。

2 肺水通道蛋白在支氣管哮喘發(fā)生發(fā)展中的作用

2.1 肺水通道蛋白與氣道炎癥反應(yīng) 支氣管哮喘是由多種細(xì)胞及細(xì)胞組分參與的氣道慢性炎癥性疾病，其中氣道慢性炎癥反應(yīng)是支氣管哮喘發(fā)生發(fā)展的病理基礎(chǔ)，炎癥反應(yīng)引起的滲出、氣道黏液異常分泌均與肺水通道蛋白的異常表達(dá)密切相關(guān)[14,15]。Towne等[16]研究發(fā)現(xiàn)AQP1和AQP5在呼吸道腺病毒感染導(dǎo)致的病毒性肺炎小鼠肺組織中表達(dá)降低，首次證明了肺水通道蛋白與肺部感染、炎癥反應(yīng)等有關(guān)。同樣，Yamamura等[17]研究表明腫瘤壞死因子-α和白細(xì)胞介素-4能夠下調(diào)小鼠肺組織AQP5的表達(dá)，進(jìn)一步表明AQP5與炎癥反應(yīng)有關(guān)，為AQP5參與肺部炎癥反應(yīng)提供了直接證據(jù)。唐順廣等[18]的研究證實，AQP1在哮喘急性期的過度表達(dá)與炎癥反應(yīng)、水分泌增多相一致，提示AQP1參與了哮喘急性炎癥期的發(fā)病機(jī)制。金嫦娥等[19]研究表明地塞米松能夠通過增加AQP4在肺組織的表達(dá)而減輕哮喘癥狀，間接說明了AQP4和哮喘炎癥有關(guān)。

2.2 肺水通道蛋白與氣道高反應(yīng)性 支氣管哮喘是由環(huán)境因素和遺傳因素所共同引起，近年來的遺傳學(xué)研究表明人及小鼠的AQP5基因與氣道高反應(yīng)性相關(guān)基因在基因定位上存在交叉現(xiàn)象，這提示AQP5與氣道高反應(yīng)性可能存在相關(guān)性；進(jìn)一步的研究表明，與野生型相比，AQP5基因敲除的小鼠經(jīng)膽堿類藥物刺激后氣道反應(yīng)性顯著提高，這就直接證明了AQP5減少能夠增加氣道的反應(yīng)性，促進(jìn)哮喘的發(fā)生[20]。Krane等[21]研究表明，AQP5缺失型鼠與野生型相比，其氣道對乙酰膽堿或乙酰甲膽堿反應(yīng)更為敏感，更容易引起氣道痙攣，但AQP5所導(dǎo)致的氣道高反應(yīng)性的機(jī)制仍不清楚。此外，遺傳易感性是導(dǎo)致哮喘發(fā)生的內(nèi)在因素，綜合分析AQP5基因定位上的特點以及AQP5在氣道高反應(yīng)性當(dāng)中的作用，可以推測AQP5是哮喘的易感基因之一，或許可作為篩選哮喘易感人群的指標(biāo)之一，這為今后支氣管哮喘的遺傳性研究提供了新的方向和線索。

2.3 肺水通道蛋白與氣道黏液高分泌 和正常人相比，哮喘患者氣道黏液分泌有著明顯差異。首先，支氣管哮喘患者氣道黏液量分泌的增多，包括基礎(chǔ)分泌量的增加和黏液吸收的減少；其次，氣道黏液成分的改變，包括氣道黏液當(dāng)中黏蛋白含量的增多、水鹽比例失衡等。

Chen等[22]研究證實呼吸道黏膜下腺細(xì)胞SPC-A1中，RNA干擾AQP5之后，黏蛋白5AC(MUC5AC)的基因表達(dá)顯著提高119.2%，這說明AQP5在抑制MUC5AC方面發(fā)揮著重要作用，能夠有效抑制黏蛋白的表達(dá)。Shen等[23]使用細(xì)菌脂多糖刺激呼吸道黏膜下腺細(xì)胞之后，細(xì)胞當(dāng)中的AQP5蛋白表達(dá)顯著下降，而MUC5AC顯著升高，并且發(fā)現(xiàn)p38及JNK信號通路可能參與了AQP5及MUC5AC的調(diào)節(jié)。吳葆菁等[24]研究顯示，急性過敏性哮喘小鼠肺組織中AQP5的表達(dá)與黏液蛋白的分泌呈正相關(guān)，說明AQP5對黏液蛋白的分泌起著重要的調(diào)節(jié)作用，通過干預(yù)AQP5的方法或可以減少氣道黏液的分泌，有利于恢復(fù)氣道的通氣功能，減緩哮喘的臨床癥狀。

2.4 肺水通道蛋白與氣道重塑 氣道重塑是導(dǎo)致支氣管哮喘遷延不愈、反復(fù)發(fā)作的重要因素，也是支氣管哮喘臨床治療的難題，因此，如何減緩或者逆轉(zhuǎn)氣道重塑的發(fā)生成為近年來研究的熱點。Saadoun等[25]在豚鼠哮喘模型當(dāng)中發(fā)現(xiàn)外周血嗜酸性粒細(xì)胞(EOS)AQP1的表達(dá)較肺泡灌洗液中EOS的AQP1的表達(dá)顯著提高，這說明EOS有可能通過增加表達(dá)AQP1來加速向肺黏膜下組織的遷移，進(jìn)而介導(dǎo)氣道重塑的發(fā)生。Kaneko等[26]研究發(fā)現(xiàn)微血管的缺氧損傷能夠刺激AQP1在微血管內(nèi)皮細(xì)胞的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)血管再生及氣道重塑的發(fā)生。Cao等[27]研究認(rèn)為AQP3高表達(dá)于人體皮膚的肌纖維母細(xì)胞上，當(dāng)人體傷口愈合時，可以加速肌纖維母細(xì)胞從傷口周圍向傷口遷移，促進(jìn)傷口修復(fù)，這為AQP3參與氣道重塑提供了直接證據(jù)。

3 展望

肺水通道蛋白的異常表達(dá)參與了支氣管哮喘發(fā)生發(fā)展的多個環(huán)節(jié)，并扮演著重要角色、發(fā)揮著重要作用。然而，誘導(dǎo)支氣管哮喘發(fā)病的因素是通過何種途徑導(dǎo)致了肺水通道蛋白的異常表達(dá)以及肺水通道蛋白又是如何介導(dǎo)了支氣管哮喘的發(fā)生，其分子生物學(xué)作用機(jī)制目前還不是十分清楚。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷提高和對肺水通道蛋白的深入研究，如RNA干擾技術(shù)、肺水通道蛋白特異性阻斷劑等，人們對肺水通道蛋白與支氣管哮喘的關(guān)系必將產(chǎn)生新的認(rèn)識。同時，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷提高和人們對肺水通道蛋白研究的不斷深入，也必將為開發(fā)更加有效的支氣管哮喘臨床治療藥物提供新的理論依據(jù)和思路。

[1] Gomes D,Agasse A,Thiebaud P,et al.Aquaporins are multifunctional water and solute transporters highly divergent in living organisms[J]. Biochim Biophys Acta, 2009, 1788(6):1213-1228.

[2] Zelenina M,Zelenin S,Aperia A.Water channels(aquaporins)and their role of postnatal adaptation[J].Pediatr Res,2005,57(5):47-53.

[3] Benga G. On the definition, nomenclature and classification of water channel proteins(aquaporins and relatives)[J].Mol Asp Med,2012,33(5-6):514-517.

[4] Ablimit A,Hasan B,Lu W,et al.Changes in water channel aquaporin 1 and aquaporin 5 in the small airways and the alveoli in a rat asthma model[J].Micron, 2013,45(2):68-73.

[5] Ben Y,Chen J,Zhu R,et al.Upregulation of AQP3 and AQP5 induced by dexamethasone and ambroxol in A549 cells[J].Respir Physiol Neurobiol,2008, 161(2):111-118.

[6] Popescu BF,Bunyan RF,Guo Y, et al.Evidence of aquaporin involvement in human central pontine myelinolysis[J].Acta Neuropathol Commun,2013,1(1):40-45.

[7] Dong C,Wang G,Li B,et al.Anti-asthma agents alleviate pulmonary edema by upregulating AQP1 and AQP5 expression in the lungs of mice with OVA-induced asthma[J].Respir Physiol Neurobiol,2012,181(1):21-28.

[8] Ueno-lio T,Shibakura M,Lio K,et al.Effect of fudosteine, a cysteine derivateive, on airway hyperresponsiveness, inflammation and remodeling in a murine model of asthma[J].Life Sci,2013,92(21):1015-1023.

[9] Rose MC,Voynow JA.Respiratory tract mucin genes and mucin glycoproteins in health and disease[J].Physiol Rev,2006, 86:245-278.

[10]Perez Di Giorqio J,Soto G,Alleva K,et al.Prediction of aquaporin function by integrating evolutionary and functional analyses[J].J Membr Biol,2014, 247(2):107-125.

[11]Kreda SM,Gynn MC,Fensternacher DA,et al.Expression and localization of epithelial aquaporins in the adult human lung[J].Am J Respir Cell Mol Biol,2001, 24(3):224-234.

[12]Verkman AS.Role of aquaporins in lung liquid physiol-ogy[J].Respir Physiol Neurobiol,2007,159(3):324-330.

[13]孫文江,方健,劉家傳,等.水通道蛋白-4在兔腦爆炸傷后腦組織中的表達(dá)[J].安徽醫(yī)學(xué),2013,34(4):379-381.

[14]張克昌,李維春.支氣管哮喘患兒體內(nèi)嗜酸性粒細(xì)胞及IL-13、TGF-β1的檢測[J].安徽醫(yī)學(xué),2011,32(12):1970-1972.

[15]Ablimit A,Hasan B,Lu WJ,et al.Changes in water channel aquaporin 1 and aquaporin 5 in the small airways and the alveoli in a rat asthma model[J].Micron, 2013, 45(4):68-73.

[16]Towne JE,Krane CM,Bachurski CJ,et al.Tumor necrosis factor-α inhibits aquaporin-5 expression in mouse lung epithelial cells[J].J Biol Chem,2001,276(22):18657-18662.

[17]Yamamura Y,Motegi K,Kani K,et al.TNF-α inhibits aquaporin5 expression in human salivary gland acinar cells via suppression of histone H4 acetylation[J].J Cell Mol Med,2012,16(8):1766-1775.

[18]唐順廣,周瑞祥,賁素琴，等.急性哮喘小鼠肺組織水通道蛋白1的表達(dá)及乙酰唑胺對其表達(dá)的影響[J].中國哮喘雜志,2009,3(5):326-337.

[19]金嫦娥,徐永建,劉建.地塞米松對支氣管哮喘大鼠氣道組織中水通道蛋白4表達(dá)的影響[J].中華結(jié)核和呼吸雜志,2009,32(8):625-626.

[20]Shen Y,Wang Y,Chen Z,et al.Role of aquaporin 5 in antigen-induced airway inflammation and mucous hyperproduction in mice[J].J Cell Mol Med, 2011,15(6):1355-1363.

[21]Krane CM,Fortner CN,Hand AR,et al.Aquaporin5-deficient mouse lungs are hyperresponsive to cholinergic stimulat-ion[J].Proc Natl Acad Sci USA, 2001,98(24):14114-14119.

[22]Chen Z,Wang X,Gao L,et al.Regulation of MUC5AC mucin secretion by depletion of AQP5 in SPC-A1 cells[J].Biochem Biophys Res Commun, 2006,342(3):775-781.

[23]Shen Y,Chen Z,Wang Y,et al.Aquaporin5 expression inhibited by LPS via p38/JNK signaling pathways in SPC-A1 cells[J].Respir Physiol Neurobiol,2010,171(3):212-217.

[24]吳葆菁,朱軍,檀衛(wèi)平,等.地塞米松對急性過敏性哮喘小鼠肺AQP5表達(dá)的影響[J].南方醫(yī)科大學(xué)學(xué)報,2008,28(9):1670-1673.

[25]Saadoun S,Papadopoulos MC,Hara-Chikuma M,et al.Impairment of angiogenesis and cell migration by targeted aquaporin1 gene disruption[J].Natrue,2005,434(7034):129-146.

[26]Kaneko K,Yaqui K,Tanaka A,et al.Aquaporin1 is required for hypoxia-inducible angiogenesis in human retinal vascular endothelial cells[J].Microvasc Res,2008,75(3):297-301.

[27]Cao C,Sun Y,Healey S,et al.EGFR-mediated expression of aquaporin-3 is involved in human skin fibroblast migrat-ion[J].Biochem,2006,400(2):225-234.

(2014-11-16 收稿 2015-01-26修回)

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10.3969/j.issn.1000-0399.2015.06.042