水通道蛋白在腦水腫發(fā)生中的作用

崔小鵬,趙貴芳,齊 玲*

(吉林醫(yī)藥學(xué)院:1.2015級(jí)臨床本科2班,2.病理學(xué)與病理生理學(xué)教研室，吉林 吉林 132013)

腦水腫是腦內(nèi)水分增加導(dǎo)致腦容積增大的一種病理現(xiàn)象，腦出血、腦外傷和腦缺血等諸多腦疾病均會(huì)引起腦水腫發(fā)生。腦水腫是腦部疾病致命的并發(fā)癥之一，但頑固性腦水腫的治療效果不佳。水通道蛋白(aquaporin，AQP)是一類與水通透有關(guān)的細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。在腦內(nèi)，它負(fù)責(zé)調(diào)控腦組織水分的進(jìn)出。迄今為止，科學(xué)家在哺乳動(dòng)物至少發(fā)現(xiàn)13種AQP家族成員，7種分布在腦組織中，其中AQP4在腦組織中含量最高[1]。研究發(fā)現(xiàn)，AQP4與腦水腫關(guān)系密切，在腦水腫的形成與消除方面起到了十分重要的作用[2]。因此AQP4的表達(dá)調(diào)節(jié)機(jī)制及對(duì)腦水腫的作用機(jī)制的研究十分重要。

1 AQP4的表達(dá)調(diào)節(jié)機(jī)制

AQP的表達(dá)調(diào)控方式包括長(zhǎng)期調(diào)節(jié)和短期調(diào)節(jié)[3]，長(zhǎng)期調(diào)節(jié)是由低氧、滲透壓等產(chǎn)生的時(shí)間較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)機(jī)制，而短期調(diào)節(jié)是主要以磷酸化調(diào)節(jié)為主的短時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)制。

1.1 AQP4的磷酸化調(diào)節(jié)

磷酸化調(diào)節(jié)是一種發(fā)生在翻譯之后的修飾性調(diào)節(jié)，通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)磷酸化蛋白至細(xì)胞膜以促進(jìn)磷酸化蛋白進(jìn)入細(xì)胞，并指導(dǎo)磷酸化蛋白在細(xì)胞內(nèi)降解[4]。研究發(fā)現(xiàn)，AQP4上有多個(gè)磷酸化位點(diǎn)，其中Ser180和Ser111兩個(gè)殘基主要參與了AQP4的磷酸化調(diào)節(jié)[5]。

1.1.1Ser180殘基磷酸化調(diào)節(jié)

Ser180殘基是蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)對(duì)AQP4磷酸化的靶位點(diǎn)，位于AQP4單體胞內(nèi)的D環(huán)上，能介導(dǎo)PKC、激活PKC從而抑制AQP4的功能。ZELENINA等[6]發(fā)現(xiàn)，PKC活化劑無(wú)法抑制Ser180殘基變異的AQP4。MOELLER等[7]發(fā)現(xiàn)，在AQP4表達(dá)的豬腎小管細(xì)胞中，若提前使用佛波醇酯(PKC抑制劑)則能抵消佛波酯和多巴胺引起AQP4水通透性快速下降的趨勢(shì)，同時(shí)PKC激動(dòng)劑的長(zhǎng)時(shí)間孵育也能導(dǎo)致AQP4的內(nèi)化，但短期應(yīng)用則沒(méi)有觀察到該結(jié)果。對(duì)此，YUKUTAKE等[8]認(rèn)為PKC的長(zhǎng)時(shí)間活化除作用在Ser180位點(diǎn)之外，也會(huì)影響其他PKC的磷酸化位點(diǎn)。但即便如此，PKC的活化仍然是導(dǎo)致AQP4通道水通透性降低的重要因素?？傊甋er180殘基磷酸化能降低AQP4的水通透性。

1.1.2Ser111殘基的磷酸化調(diào)節(jié)

Ser111殘基的磷酸化能提高AQP4的水通透性。在GUNNARSON等[9]的急性鉛中毒模型中發(fā)現(xiàn)：星形膠質(zhì)細(xì)胞膜在轉(zhuǎn)染AQP4 cDNA后水通透性得到提高，鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶Ⅱ(calmodulin-dependent protein kinaseⅡ,CaMKⅡ)抑制劑能夠逆轉(zhuǎn)這一改變，但是對(duì)于Ser111殘基變異的AQP4水通透性則不受影響。以上現(xiàn)象說(shuō)明：CaMKⅡ增加AQP4的水通透性是通過(guò)作用在Ser111殘基實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)一種氨基酸殘基排列同AQP4蛋白分子中的96～123位置相同的肽，這種肽并不與CaMKⅡ反應(yīng)，而是與由CaMKⅡ磷酸化一氧化氮合酶產(chǎn)生的蛋白激酶G發(fā)生磷酸化，這就說(shuō)明Ser111殘基被蛋白激酶G磷酸化是通過(guò)CaMKⅡ完成的。

1.2 氧化應(yīng)激調(diào)節(jié)

研究發(fā)現(xiàn)，氧化應(yīng)激損傷機(jī)制對(duì)AQP4表達(dá)的調(diào)控十分復(fù)雜，可以經(jīng)由多種轉(zhuǎn)錄因子使AQP4表達(dá)上調(diào)[10]。氧化應(yīng)激可以迅速誘導(dǎo)C-Jun和C-Fos兩個(gè)早期基因的表達(dá)，之后由它們形成蛋白激酶1并作用在促分裂原活化的蛋白激酶信號(hào)通路使AQP4基因上調(diào)。氧化應(yīng)激也可作用在核因子kB(調(diào)節(jié)炎性反應(yīng))以調(diào)節(jié)AQP4表達(dá)。AQP4基因的啟動(dòng)子內(nèi)有抗氧化反應(yīng)元件,MAO等[11]發(fā)現(xiàn)蘿卜硫素(NRF2的一種激活劑)可以上調(diào)AQP4的表達(dá)，所以氧化應(yīng)激還可以通過(guò)NRF2激活抗氧化反應(yīng)元件基因來(lái)調(diào)控AQP4的表達(dá)。通過(guò)HSU等[12]的研究發(fā)現(xiàn)P38蛋白和胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶信號(hào)通路可以激活半胱氨酸白三烯受體2，因此氧化應(yīng)激可以通過(guò)半胱氨酸白三烯誘導(dǎo)AQP4表達(dá)，特別提及，AQP4表達(dá)的上調(diào)能直接影響腦水腫的發(fā)生率。

1.3 蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)作用

肌營(yíng)養(yǎng)不良蛋白-糖蛋白復(fù)合體影響AQP4在腦內(nèi)的表達(dá)，根據(jù)DMYTRENKO等[13]對(duì)α-互養(yǎng)蛋白缺失的小鼠研究發(fā)現(xiàn)，它們的星形膠質(zhì)細(xì)胞膜上的AQP4存在錯(cuò)誤定位現(xiàn)象。在小腦和大腦皮質(zhì)處，緊鄰血管的終足細(xì)胞膜上的表達(dá)明顯下降，但在鄰近神經(jīng)氈的細(xì)胞膜上，表達(dá)明顯超出正常水平，這樣的錯(cuò)誤定位現(xiàn)象在肌營(yíng)養(yǎng)不良蛋白缺失的小鼠上也能觀察得到。α-肌營(yíng)養(yǎng)不良蛋白聚糖是在細(xì)胞外基質(zhì)中由聚集蛋白形成的一種結(jié)合蛋白，屬于類肝素硫酸蛋白聚糖，參與血腦屏障的形成與維護(hù)[14]。另有研究表明，聚集蛋白能夠增加細(xì)胞膜上AQP4的密度,并參與星型膠質(zhì)細(xì)胞終足細(xì)胞膜上正交排列結(jié)構(gòu)的形成[15]。特別提及，AQP4主要分布在毛細(xì)血管周圍的星形膠質(zhì)細(xì)胞足突上，AQP4的密度可以直接影響水的通透性，即直接造成腦水腫。

1.4 精氨酸加壓素調(diào)節(jié)AQP4

到目前為止，精氨酸加壓素對(duì)AQP4的調(diào)節(jié)作用存在一些分歧,其對(duì)AQP4的作用有兩種相反的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。TAYA等[16]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在顱腦外傷模型中，使用精氨酸加壓素V1a受體拮抗劑可以降低AQP4的表達(dá)作用，從而減輕腦水腫程度。OKUNO等[17]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，精氨酸加壓素V1a受體拮抗劑能夠抑制并降低缺血再灌注后AQP4的上調(diào)。LIU等[18]也發(fā)現(xiàn)了AQP4上調(diào)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這兩種相反實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可能是由于給藥時(shí)間不同產(chǎn)生的差異[5]。因此這種調(diào)節(jié)作用的相關(guān)機(jī)制還有待更深的研究。

2 腦疾病與AQP4

2.1 血管源性腦水腫與AQP4

血管源性腦水腫在腦水腫中最為常見(jiàn)，產(chǎn)生原因大多是血管內(nèi)皮損傷后導(dǎo)致通透性增加，血液從血管向外滲出引起周圍的腦組織變性水腫，腦腫瘤和腦膿腫是血管源性腦水腫的典型。血腦屏障的結(jié)構(gòu)破壞后，血清蛋白和等滲液等在細(xì)胞外空間異常聚集，所以說(shuō)，血管源性水腫實(shí)質(zhì)屬于細(xì)胞間隙的充液性腫脹。PAPADOPOULOS等[19]提出，在血管源性腦水腫中，AQP4可以促進(jìn)液體的重吸收。同時(shí)在一些凍傷模型中也發(fā)現(xiàn)，將小鼠的AQP4基因剔除后，小鼠腦組織含水量和顱內(nèi)壓均明顯高于野生型小鼠，這說(shuō)明AQP4在清除血管源性水腫中發(fā)揮著重要的作用。

2.2 創(chuàng)傷性腦損傷與AQP4

根據(jù)YAO等[20]的研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠創(chuàng)傷性腦損傷模型中，對(duì)小鼠敲除AQP4基因并建立對(duì)照組后發(fā)現(xiàn)，未敲除AQP4基因的小鼠腦損傷后在6 h內(nèi)損傷側(cè)腦組織的水含量迅速升高，而敲除AQP4基因的小鼠增加緩慢。透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，敲除AQP4基因后的小鼠毛細(xì)血管管腔周圍及星形膠質(zhì)細(xì)胞足突水腫區(qū)面積比正常小鼠的小。但是Evans blue染料滲出量相當(dāng)，證明AQP4的缺乏對(duì)腦外傷的作用不大。YAO等[20]認(rèn)為這可能是由于此次水腫屬于細(xì)胞毒性與血管源性并存，并且血管源性占主導(dǎo)地位，特別提及，在多位學(xué)者的研究結(jié)果中，細(xì)胞毒性水腫時(shí)AQP4表達(dá)是上調(diào)的。所以當(dāng)細(xì)胞毒性與血管源性這兩種水腫方式并存時(shí)，細(xì)胞毒性水腫會(huì)中和血管源性水腫中AQP4對(duì)腦外傷的作用，使結(jié)果發(fā)生偏差。同時(shí)推測(cè)，如果在單純血管源性腦水腫中，AQP4的缺乏會(huì)對(duì)腦外傷產(chǎn)生非常大的作用。

2.3 腦腫瘤與AQP4

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤中，幾乎都存在腦水腫。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為腫瘤組織侵襲生長(zhǎng)破壞病灶區(qū)血腦屏障結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致水和血漿成分漏出血管外[21]。同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn)腫瘤組織內(nèi)AQP4表達(dá)較低,甚至不表達(dá)，反而在腫瘤組織周圍AQP4表達(dá)顯著。由于原因及形成機(jī)制尚不清晰，在此不做贅述。

PAPADOPOULOS等[22]在小鼠腦內(nèi)誘發(fā)腫瘤腦水腫實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，同樣植入黑色素瘤細(xì)胞后被敲除AQP4基因的小鼠顱內(nèi)壓更高，腦水腫程度更重。WARTH等[23]在研究不同級(jí)別的膠質(zhì)瘤后發(fā)現(xiàn)，在膠質(zhì)瘤膠質(zhì)細(xì)胞中AQP4的表達(dá)是隨腦水腫的加重而上調(diào)，與患者生存狀態(tài)和膠質(zhì)瘤的級(jí)別沒(méi)有關(guān)系，這就說(shuō)明了AQP4在血管源性腦水腫中有保護(hù)作用。另外在TAN等[24]的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：伴水腫良性腦膜瘤組織的AQP4的陽(yáng)性表達(dá)率高于無(wú)水腫良性腦膜瘤的組織，直接證明了腦膜瘤周圍組織水腫的形成過(guò)程有AQP4的參與?？缟掀るx子的轉(zhuǎn)運(yùn)形成滲透梯度再加上鈉鉀ATP酶的協(xié)同定位，通過(guò)AQP4使腫瘤組織中的水分流入膠質(zhì)細(xì)胞，并引起細(xì)胞變性、腫脹?？傊漠惓＾D(zhuǎn)運(yùn)和各種腫瘤周圍水腫的形成與AQP4表達(dá)增加不無(wú)關(guān)系。

3 展望與總結(jié)

綜上所述，腦水腫是現(xiàn)階段人類較為常見(jiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病并發(fā)癥，而AQP4在腦水腫發(fā)生中起到了重要的作用，但它在血管源性水腫發(fā)生所起的作用具有雙向性調(diào)節(jié)作用，而它何時(shí)誘發(fā)腦水腫，怎樣利用AQP4消除腦水腫還不明朗。因此，AQP4成為腦水腫研究最重要的一個(gè)方向，對(duì)于AQP4深入研究，將對(duì)腦水腫治療提供了新的思路。

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