水通道蛋白與胃腸道疾病關(guān)系研究進展

趙凱科，鄭 立，毛智斌，劉太宇,*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)牧醫(yī)工程學(xué)院,河南鄭州 450000;2.河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院,河南鄭州 450000)

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水通道蛋白與胃腸道疾病關(guān)系研究進展

趙凱科1，鄭 立2，毛智斌1，劉太宇1,2*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)牧醫(yī)工程學(xué)院,河南鄭州 450000;2.河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院,河南鄭州 450000)

水通道蛋白作為一種高度水透性的膜蛋白，廣泛存在于動、植物的細胞膜上。它不僅對機體的水平衡具有重要的作用，而且臨床許多疾病的發(fā)生都與它的異常表達密切相關(guān)，因此，論文就水通道蛋白在胃腸道中的分布及與胃腸道疾病的關(guān)系做一綜述，以期為防治胃腸道疾病藥物的發(fā)展提供參考。

水通道蛋白；胃腸道；分布；疾病

長期以來，普遍認為水分子轉(zhuǎn)運是以簡單擴散的方式透過脂質(zhì)雙分子層來完成的，但是擴散的速度非常慢。然而，大量研究表明，哺乳動物的許多組織需要更快速的轉(zhuǎn)運細胞內(nèi)外水分子，且部分細胞(紅細胞、腎小管上皮細胞)對水的通透性明顯高于其他組織，因此，科學(xué)家們設(shè)想生物器官的細胞膜上可能存在快速轉(zhuǎn)運水的跨膜蛋白。水通道蛋白(aquaporins,AQPs)是一類結(jié)構(gòu)和功能類似的選擇性介導(dǎo)水分子高效轉(zhuǎn)運的膜蛋白，目前，在哺乳動物組織中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)13種水通道蛋白(AQP0～12)[1-2]。研究表明，水通道蛋白在消化系統(tǒng)中廣泛表達，水通道蛋白1、3、4、8、9在遠端小腸和近端結(jié)腸高表達，提示胃腸道水的吸收和分泌與水通道蛋白的分布密切相關(guān)[3-4]。許多胃腸道疾病如腹瀉、胃炎、便秘、胃癌等疾病發(fā)生發(fā)展的本質(zhì)是胃腸道水代謝動態(tài)平衡的紊亂，因此，水通道蛋白在胃腸道的異常表達與疾病的發(fā)生密切相關(guān)。Guttman J A等[5]研究表明，改變AQP2、AQP4在小鼠腸道的分布可引起小鼠腹瀉；Ikarashi N等[6]研究發(fā)現(xiàn)，AQP3在瀉藥硫酸鎂引起小鼠腹瀉中起著至關(guān)重要的作用，可調(diào)節(jié)結(jié)腸糞便中的含水量。本文就水通道蛋白在胃腸道的分布及與胃腸道疾病的關(guān)系進行闡述。

1 AQPs的概述及分類

1988年，Agre B M等[7]首次從人類紅細胞和腎小管中純化分離出一種分子質(zhì)量為28ku的內(nèi)在蛋白，將其命名為類通整合蛋白(channel-like integral membrance protein,CHIP28)，1992年，Preston等通過試驗證實CHIP28具有極強的水通透性，后被基因組委員會定名為AQP1。之后各國科學(xué)家針對水通道蛋白的結(jié)構(gòu)與功能、在體內(nèi)各組織的分布等進行深入研究，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)13種水通道蛋白(AQP0～12)，這些蛋白相互之間具有19%～52%氨基酸序列同源性[8]。AQPs廣泛分布在動物、植物、微生物的細胞膜上，對機體內(nèi)各部位液體轉(zhuǎn)運及分泌起重要作用。蛋白質(zhì)的功能是通過其結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的，目前，人們對AQPs的結(jié)構(gòu)進行了大量的研究，已經(jīng)非常明確[9]，AQPs是一組各亞型之間蛋白序列和三維結(jié)構(gòu)非常相似的高度保守的疏水蛋白質(zhì)，在雙磷脂膜中，4個AQP1分子在細胞膜中構(gòu)成一個四聚體，每個水蛋白通道單體的中心存在1個只允許1個水分子通過的孔道，其氨基端和羧基端位于胞內(nèi)，這些結(jié)構(gòu)決定AQPs對水高滲透而不轉(zhuǎn)運質(zhì)子[10]。水分子的轉(zhuǎn)運不需要消耗能量，水通道蛋白處于持續(xù)開放狀態(tài)，水通道兩側(cè)的滲透壓決定水分子通過水通道的移動方向，從滲透壓低的一側(cè)向滲透壓高的一側(cè)移動。

根據(jù)水通道蛋白對物質(zhì)轉(zhuǎn)運的專一性，將其分為兩個亞家族：一類為專一的水選擇性通道蛋白，包括AQP1、2、4、5、6，其在基因結(jié)構(gòu)上類似，且只允許水分子通過；另一類是水-甘油通道蛋白，主要有AQP3、7、9、10，除對水分子通透外，對尿素、甘油、嘌呤等中性小分子也具有通透性。AQP8在基因結(jié)構(gòu)上與上述兩個亞族都不同，且對水和中性小分子都有通透性，可能成為水通道蛋白的第3個亞族。

2 水通道蛋白在胃腸道中的分布、表達及功能

水通道蛋白是一種內(nèi)在跨膜蛋白，在低能量下，允許水快速通過上皮細胞，廣泛存在于原核和真核生物細胞膜上。水通道蛋白在哺乳動物的多種組織中均有表達，尤其在與體液分泌和吸收密切相關(guān)的上皮細胞和內(nèi)皮細胞內(nèi)高效表達，而消化系統(tǒng)是機體內(nèi)體液分泌和吸收最活躍的組織，因此，水通道蛋白在消化系統(tǒng)水運輸中起著重要的作用，其在消化系統(tǒng)中的分布及與消化系統(tǒng)疾病的關(guān)系備受關(guān)注。消化系統(tǒng)的主要功能是對食物的消化吸收，為機體提供物質(zhì)能量，其由消化腺及消化道兩部分組成。而胃腸道是消化道中營養(yǎng)吸收的主要器官，因此水通道蛋白在胃腸道中的正常表達對其有重要的調(diào)節(jié)作用，目前，通過免疫組化、real-time PCR、免疫熒光、原位雜交等方法[11]已經(jīng)證實至少有7種水通道蛋白在胃腸道分布表達，主要有AQP1、AQP2、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8、AQP9。這些AQPs在胃腸道生理病理發(fā)生發(fā)展過程中起著重要的作用。

AQP1主要分布在胃腸道黏膜下層和固有層淋巴管的內(nèi)皮細胞上，其在唾液腺、胰腺導(dǎo)管上也有分布[12]，與唾液腺的分泌、膽汁濃縮、結(jié)腸水分吸收等都密切相關(guān)。AQP1在從食管到結(jié)腸的整個消化道均有表達，尤其在小腸中段、回腸和近端結(jié)腸上皮細胞表達尤為明顯。AQP1可能促進水腫的形成和消除，并在腸道脂肪的消化吸收中起到重要作用。此外，AQP1還可調(diào)節(jié)耳內(nèi)的水平衡。

AQP2存在表達于腎臟集合管和遠曲小管細胞，其中在腦、睪丸、內(nèi)耳的內(nèi)淋巴囊上皮細胞也有一定的分布表達[13]，是目前唯一在胞內(nèi)和頂質(zhì)膜存在受激素調(diào)控的水通道蛋白。接受血管加壓素作用后，可通過囊泡與頂質(zhì)膜的融合使AQP2轉(zhuǎn)移到細胞膜上，增加細胞膜的水通透性。此外，AQP2可參與正常聽覺的維持，并對腎臟的水平衡起著調(diào)節(jié)作用。

AQP3主要分布在遠端結(jié)腸細胞頂部與胃賁門腺黏膜上皮細胞的基底外側(cè)膜。AQP3在回腸、胃底腺壁細胞、小腸中段上皮細胞高表達，然而在盲腸、空腸、食管上皮細胞低表達。在結(jié)腸中，AQP3不僅促使結(jié)腸細胞對水的吸收，也可增強其對尿素和甘油的轉(zhuǎn)運。此外，血管活性腸肽、心鈉素、腦鈉素可上調(diào)AQP3的增加對水的通透性，并在組織損傷后屏障修復(fù)功能中起關(guān)鍵性作用[14]。

AQP4主要分布在胃底腺壁細胞的基側(cè)膜及有選擇的分布在小腸隱窩細胞的基底側(cè)膜，然而在結(jié)腸全段均有分布。AQP4在胃底腺壁細胞、回腸、近端結(jié)腸高表達，在食管、空腸幾乎不表達。AQP4對保持胃黏膜完整起到重要的作用[15]，也可促進結(jié)腸對水的滲透，參與結(jié)腸對水的轉(zhuǎn)運及結(jié)腸液體的分泌[16]。

AQP5主要分布在淚腺、唾液腺及肺組織中，而在外分泌腺的上皮細胞、角膜上皮細胞的頂質(zhì)膜和肺泡上皮細胞也有分布。AQP5在支氣管黏膜下腺中漿液腺泡上皮細胞的頂質(zhì)膜和肺泡Ⅰ型細胞高表達，而在腎臟、小腸、腦等部位幾乎不表達。AQP5參與水轉(zhuǎn)運，可以促進由于滲透壓的改變而引起水的快速轉(zhuǎn)運，而在快速清除肺泡內(nèi)液方面也起到重要的作用，還參與腺體分泌，并與氣道高反應(yīng)性有關(guān)，同時是肺泡上皮細胞分化的標志。

AQP8分布在十二指腸、空腸、近端結(jié)腸吸收上皮細胞的頂質(zhì)膜。原位分子雜交技術(shù)結(jié)果顯示AQP8在空腸、近端結(jié)腸、十二指腸均高表達，在胃和遠端結(jié)腸微量表達。AQP8參與空腸和結(jié)腸大量水分子的轉(zhuǎn)運，并對其起重要作用，此外，AQP8在肝細胞膽汁的分泌方面也起到一定作用。

原位雜交試驗及免疫組化檢測發(fā)現(xiàn)AQP9主要分布在肝實質(zhì)細胞的竇狀隙表面以及腸道表面，在近端小腸、遠端小腸、近端結(jié)腸呈高表達，AQP9在腸道的分布、表達與腸道各部位吸收分泌功能及水電解質(zhì)轉(zhuǎn)運程度有一定的關(guān)系[17]。此外，AQP9參與腸內(nèi)保護腸黏膜及促進腸內(nèi)容物運動的黏液的合成與分泌，對膽汁的轉(zhuǎn)運也起到重要的作用。

3 水通道蛋白與胃腸疾病的關(guān)系

3.1 腹瀉

水通道蛋白在正常的生理狀態(tài)下，維持著腸道水分子吸收和分泌的平衡，當出現(xiàn)嚴重腹瀉時，水通道蛋白通過表達量增加或減少來調(diào)節(jié)細胞內(nèi)外水分的吸收并且參與腸道液體的分泌。Cao M等[3]用輪狀病毒攻毒法致小鼠腹瀉模型，Western blot結(jié)果顯示，腹瀉組小鼠AQP1、AQP3、AQP4、AQP8在空腸的表達與正常小鼠組比較基本無變化，然而在結(jié)腸的表達顯著降低，提示水通道蛋白在結(jié)腸的異常表達與腹瀉密切相關(guān)。Corporation H P等[18]發(fā)現(xiàn)大黃單寧可通過減少腹瀉小鼠結(jié)腸上皮細胞頂端和側(cè)黏膜AQP2，AQP3的mRNA和蛋白質(zhì)表達來減輕腹瀉癥狀。Yamamoto T等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在過敏性腹瀉中，近端結(jié)腸AQP4、AQP8的表達明顯下調(diào)。Ikarashi N等[20]發(fā)現(xiàn)在結(jié)腸中使用硫酸鎂引起的分泌性腹瀉，AQP3表達升高，促進對水的滲透。這些研究結(jié)果顯示不同的腹瀉類型促使機體調(diào)節(jié)方式不同，也進一步表明AQP1、AQP3、AQP4和AQP8在結(jié)腸的表達異常均可引起腹瀉。其可能的作用機制有：①在一些因素的作用下，水通道蛋白活性發(fā)生改變或具有功能性的水蛋白通道數(shù)目發(fā)生變化；②在轉(zhuǎn)錄水平上進行調(diào)控，促使水通道蛋白mRNA和蛋白表達量發(fā)生變化，同時也有可能通過對鈉鉀三磷酸腺苷酶和蛋白激酶C的調(diào)控來影響水通道蛋白的表達。

3.2 便秘

水通道蛋白在結(jié)腸上皮細胞中不僅具有吸收水分子的功能，同時也具有分泌黏液保護和潤滑腸道的作用。當前普遍認為水通道蛋白表達異?？梢鹚值倪^度吸收及腸黏液分泌減少，進而引起便秘的發(fā)生。Ishihara E等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠模型中，AQP1免疫神經(jīng)源性顯著增高，說明AQP1在糖尿病胃腸道障礙(便秘)中起著重要的作用。錢海華等[22]研究顯示，通便顆粒中、高劑量能不同程度的減少AQP3和AQP8的表達，進而改善便秘大鼠的排便功能。提示可能由于通便顆粒減少AQP3和AQP8的表達后，減緩了腸腔內(nèi)的水分子進入血管內(nèi)，進而改善了腸腔內(nèi)分泌環(huán)境。AQP9在左半結(jié)腸的表達明顯高于右半結(jié)腸，AQP9在左半結(jié)腸有分泌黏液的作用，研究發(fā)現(xiàn)便秘患者左半結(jié)腸AQP9表達顯著降低，表明AQP9的異常表達與便秘關(guān)系密切[23]。由上述研究可得出，AQP1、AQP3和AQP9在各個相應(yīng)部位的異常表達可引起便秘，同時也為治療便秘提供了新的切入點。

3.3 結(jié)腸炎與結(jié)腸癌

結(jié)腸炎是由于鹽類、水分吸收與分泌發(fā)生紊亂引起的，而維持水分子的吸收與分泌是水通道蛋白的主要功能。因此，研究水蛋白通道對結(jié)腸炎的影響具有重要的意義。Ricanek P等[24]報道，潰瘍性結(jié)腸炎患者，其AQP8mRNA的表達水平顯著降低，結(jié)果顯示腸道炎癥和水/溶質(zhì)體內(nèi)平衡之間有密切關(guān)系，而AQP可能在病理生理學(xué)中發(fā)揮重要作用。Hardin J A等[25]對不同類型的結(jié)腸炎模型研究發(fā)現(xiàn)，水通道蛋白的表達明顯下調(diào)與炎癥活性的大小及結(jié)腸黏膜的損傷有一定關(guān)系。結(jié)腸腫瘤生長過程中，新陳代謝會加快，表現(xiàn)出對水分子的需求增加，造成了水通道蛋白表達異常。Fischer H等[26]和李建強等[27]發(fā)現(xiàn)，AQP8在結(jié)腸癌組織中極少表達，可作為結(jié)腸上皮細胞正常分化的標志。并通過體外過表達AQP8發(fā)現(xiàn)，其具有抑制HT-29細胞生長，促進HT-29凋亡的作用。上述研究表明，水通道蛋白不僅參與結(jié)腸炎與結(jié)腸癌的分泌代謝，對治療結(jié)腸腫瘤也有一定作用。同時也說明無論是結(jié)腸炎還是結(jié)腸癌，都會通過改變腸腔的內(nèi)環(huán)境影響水通道蛋白的表達，這也為水通道蛋白作為潛在靶點治療結(jié)腸炎和結(jié)腸癌提供了依據(jù)。

4 展望

隨著分子生物學(xué)及基因工程的迅速發(fā)展，人們對AQPs的分布與功能、分子結(jié)構(gòu)、作用機制、表達及調(diào)節(jié)等的研究已經(jīng)取得一定的進展，而人們對水通道蛋白功能的異常紊亂引起的一系列疾病也逐漸受到重視。深入研究AQPs，對于闡明某些AQPs代謝疾病的發(fā)病機理可起到一定的作用，并對今后研制出相應(yīng)的藥物奠定理論基礎(chǔ)；同時對于某些其他疾病(如腦水腫，高血壓，心腎功能衰竭，青光眼等)發(fā)病機制的認識還起到促進作用，也就為臨床治療提供了更為有效的途徑和方法。另外，大量研究表明,水通道蛋白功能異常表達與腫瘤的生長及轉(zhuǎn)移有密切的關(guān)系，因此，研究調(diào)控水通道蛋白相關(guān)的藥物在治療腫瘤方面可以成為一個新的突破點。對于AQPs的分布與代謝疾病的分子致病機制有待進一步研究，這將對以后相關(guān)疾病的治療提供更多的理論依據(jù)與廣闊的途徑和方法，并使其廣泛應(yīng)用于臨床和其他領(lǐng)域。

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Progress on Relationship between Aquaporins and Gastrointestinal Disease

ZHAO Kai-ke1,ZHENG Li2,MAO Zhi-bin1,LIU Tai-yu1,2

(1.CollegeofAnimalScienceandVeterinaryMedicine，HenanAgriculturalUniversity，Zhengzhou，Henan，450000，China；2.HenanUniversityofAnimalHusbandryandEconomy,Zhengzhou，Henan，450000，China)

Aquaporins(AQPs) as a high water permeability of membrane protein,exists widely in plant and animal cell membranes.It not only has an important effect on the water balance,but also many clinical diseases are closely related to its abnormal expression.Therefore,in order to provide ideas for drug development of gastrointestinal tract diseases,the distribution of AQPs in the gastrointestinal tract and the relationship with the gastrointestinal tract diseases were reviewed in this article.

aquaporins(AQPs); gastrointestinal tract；distribution; disease

2015-05-27

鄭州重點科技攻關(guān)項目(2012ZZKJ006);河南省重大科技專項(121100111000)；鄭州牧專博士啟動資金(2009DF003)

趙凱科(1989-)，男，河南駐馬店人，碩士研究生，主要從事反芻動物營養(yǎng)生理學(xué)研究。*通訊作者

Q55;S856.4

A

1007-5038(2016)01-0077-04