水通道蛋白在動物疾病發(fā)生過程中的作用研究進(jìn)展

張玉婷，張 琪，郭抗抗，許信剛，周宏超

(西北農(nóng)林科技大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院，陜西楊凌 712100)

水通道蛋白(aquaporin,AQP)作為一種水轉(zhuǎn)運蛋白在機體各個部位廣泛分布，尤其在涉及水液輸送的組織細(xì)胞內(nèi)分布量較多，例如在大腦、胃、腸道、腎臟及膀胱等器官均有表達(dá)，水通道蛋白在保持機體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮重要作用，增強了機體的代謝能力[1]。研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動物體內(nèi)所表達(dá)的水通道蛋白已經(jīng)有13種亞型，分別為AQP0、AQP1、AQP2、AQP3、AQP4、AQP5、AQP6、AQP7、AQP8、AQP9、AQP10、AQP11、AQP12。水通道蛋白家族根據(jù)各個亞型在機體發(fā)揮的功能不同，可分為3類：①單純的水通道蛋白，如AQP1、AQP2、AQP4、AQP5； ②水甘油通道蛋白，如AQP3、AQP9、AQP10； ③超級水通道蛋白，如AQP6、AQP8、AQP11、AQP12[2]。近年來，某些疾病的發(fā)生與水通道蛋白異常表達(dá)現(xiàn)象，得到了廣泛的關(guān)注。本文主要就水通道蛋白的定位以及在病理狀態(tài)下的變化進(jìn)行綜述，為臨床水與電解質(zhì)代謝紊亂相關(guān)疾病的治療和研究提供參考。

1 水通道蛋白的結(jié)構(gòu)和功能

水通道蛋白是細(xì)胞膜上存在的一種跨膜孔道蛋白。水通道蛋白的結(jié)構(gòu)包括6個跨膜結(jié)構(gòu)域，結(jié)構(gòu)域之間由5個環(huán)連接。B環(huán)和D環(huán)位于細(xì)胞內(nèi)部，A環(huán)、C環(huán)、E環(huán)位于細(xì)胞外部，蛋白的N末端和C 末端位于細(xì)胞內(nèi)部。在水通道蛋白的B環(huán)和E環(huán)上存在一個高度保守性結(jié)構(gòu)，由天冬氨酸-脯氨酸-丙氨酸[asparagine(Asn)-proline(Pro)-alanine(Ala),NPA]構(gòu)成。此結(jié)構(gòu)直接參與水通道蛋白介導(dǎo)的水轉(zhuǎn)運過程，構(gòu)成了水通道的中心，每次只允許一個水分子通過。B環(huán)和E環(huán)具有疏水性且對外界環(huán)境敏感，一旦結(jié)構(gòu)破壞，對水的運輸將產(chǎn)生影響。細(xì)胞膜上的水通道蛋白通常以四聚體的形式存在，每個單體均可以參與水的轉(zhuǎn)運，其生理功能主要是參與水的吸收和分泌，維持機體水與電解質(zhì)代謝的平衡。腦脊液的分泌、眼房水的生成、尿液的濃縮與稀釋、腸道內(nèi)水的吸收與分泌等過程都可有水通道蛋白的參與。在病理狀態(tài)下，水通道蛋白也扮演了一個很重要的角色，它可以參與腦水腫的生成和消退、多尿癥的產(chǎn)生、便秘和腹瀉的發(fā)生等。

2 水通道蛋白在疾病發(fā)生發(fā)展過程中的變化

2.1 水通道蛋白在腦部的分布和在腦部疾病發(fā)生發(fā)展過程中的表達(dá)

水通道蛋白可以驅(qū)動大腦中水的流動，保證大腦水穩(wěn)態(tài)，在腦部疾病發(fā)生過程中也發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。在大鼠腦部，水通道蛋白的定位如下：AQP1在星形膠質(zhì)細(xì)胞、脈絡(luò)叢表達(dá)。AQP3，AQP5定位于梨狀皮層、海馬和背側(cè)丘腦的神經(jīng)元等部位[3]。AQP4是在腦部表達(dá)較多的一種水通道蛋白，主要位于脊髓灰質(zhì)和白質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞末端[4]，并且受到T細(xì)胞核因子(NFAT5)的調(diào)節(jié)[5]。AQP8分布于小腦的Bergmann神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。AQP9分布于海馬和白質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞，在腦部能量代謝過程中具有重要作用。

AQP表達(dá)異常導(dǎo)致神經(jīng)癥狀和腦水腫的發(fā)生。近年來，AQP4和AQP9在腦部疾病中的研究相對較多。腦水腫根據(jù)血腦屏障是否損傷，主要分為三類：①細(xì)胞毒性腦水腫：發(fā)生在腦缺血、缺氧、腦部中毒等情況，此型腦水腫發(fā)生后血腦屏障正常，星形膠質(zhì)細(xì)胞出現(xiàn)病變。②離子型水腫：這一階段主要是內(nèi)皮系統(tǒng)功能障礙，血腦屏障仍然完好。③血管源性水腫：此型腦水腫發(fā)生后水液聚集在組織間隙，主要發(fā)生于腦外傷、腦脊液滲出和血腦屏障功能被破壞。近期有綜述報道：發(fā)生細(xì)胞毒性腦水腫時，AQP4的表達(dá)呈現(xiàn)上升趨勢，增加了水腫的程度。血管源性腦水腫AQP4表達(dá)增加，會使腦水腫癥狀減輕，起到有利作用[6]。當(dāng)小鼠腦損傷后，腦組織中AQP4的表達(dá)升高，小鼠出現(xiàn)腦水腫癥狀[7]。這與上述由外傷引起的血管源性腦水腫發(fā)生時，AQP4的表達(dá)可使癥狀減輕的現(xiàn)象相互矛盾。原因可能是由于發(fā)生腦損傷時，腦組織釋放大量的炎性因子，長時間的腦部損傷使腦部失血過多，神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生壞死，組織缺血缺氧進(jìn)而繼發(fā)細(xì)胞毒性腦水腫，AQP4表達(dá)增加，進(jìn)一步促進(jìn)了腦水腫。說明腦水腫在發(fā)生時，血管源性腦水腫和細(xì)胞毒性腦水腫會相繼出現(xiàn)。腦部受到劇烈損傷時會直接導(dǎo)致毛細(xì)血管破裂，血腦屏障的保護(hù)作用喪失。大量液體到達(dá)組織間隙，引起血管源性腦水腫。隨病情發(fā)展，細(xì)胞能量代謝障礙，產(chǎn)生大量氧自由基，成為細(xì)胞毒性腦水腫形成的基礎(chǔ)。有研究通過建立腦皮質(zhì)凍傷小鼠模型，發(fā)現(xiàn)模型組小鼠AQP4表達(dá)量早期升高，后期AQP4表達(dá)量出現(xiàn)了下降趨勢[8]。早期AQP4的升高可能是小鼠神經(jīng)功能發(fā)生損壞，而AQP4的升高在早期解決腦水腫癥狀中也發(fā)揮了作用，后期神經(jīng)功能緩慢恢復(fù)減少了AQP4的表達(dá)。AQP4的表達(dá)根據(jù)發(fā)病的不同原因可能受到多種因素的影響，從而在疾病發(fā)生發(fā)展過程中表現(xiàn)出不同的作用。在帕金森綜合病發(fā)生過程中水通道蛋白的表達(dá)也發(fā)生了一定的變化。帕金森氏病(PD)患者，α-突觸核蛋白(α-syn)免疫標(biāo)記星形角質(zhì)細(xì)胞在包括新皮質(zhì)區(qū)的大腦區(qū)域優(yōu)先分布。通過研究帕金森病患者顳葉中AQP的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)表達(dá)AQP1和AQP4的星形膠質(zhì)細(xì)胞群可能改變帕金森患者新皮質(zhì)的α-syn沉積[9]。α-突觸核蛋白(α-syn)作為PD的主要病理標(biāo)志可誘導(dǎo)神經(jīng)元的凋亡并且能夠抑制神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞活化，導(dǎo)致腦部炎癥的發(fā)生。

2.2 水通道蛋白在肺的分布和在肺部疾病發(fā)生發(fā)展過程中的表達(dá)

肺是機體進(jìn)行氣體交換的主要場所，外界的空氣經(jīng)鼻腔、氣管、支氣管運輸?shù)椒尾?，?jīng)肺泡上皮細(xì)胞完成氧氣和二氧化碳的交換。在氣道和肺泡表面存在一種黏液稱之為氣道或肺泡表面液(AST),起到保護(hù)作用并且在肺部形成氣液界面。有證據(jù)表明AQP參與了肺和氣道的液體處理。有運輸液體、濕潤氣道、吸收胸腔內(nèi)的液體，保持肺部干燥的功能，也可參與黏膜下腺體的分泌。在肺部發(fā)揮作用的水通道蛋白主要有AQP1、AQP3、AQP4和AQP5這4種[10]。AQP1表達(dá)于肺泡毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞，在遠(yuǎn)端氣道上皮細(xì)胞外側(cè)膜有AQP3的分布[11]，AQP4分布于支氣管上皮腔， AQP5分布于Ⅰ型肺泡細(xì)胞頂端質(zhì)膜。

當(dāng)機體發(fā)生肺損傷、肺癌、肺動脈高壓等疾病時，都會影響到AQP的表達(dá)。同時，也可以通過調(diào)節(jié)機體AQP的變化來緩解疾病造成的損害。AQP1和AQP5在肺部水與電解質(zhì)代謝過程中發(fā)揮著主要作用。機體在缺氧條件下，缺氧誘導(dǎo)因子(HIF-1α)的出現(xiàn)，可誘導(dǎo)AQP1的轉(zhuǎn)錄增加，AQP1的表達(dá)可以在缺氧的肺組織中促進(jìn)水與電解質(zhì)代謝，保護(hù)肺組織，緩解肺水腫。在低氧引起的肺動脈高壓中也發(fā)現(xiàn)AQP1的表達(dá)上調(diào)，采用AQP1基因敲除小鼠發(fā)現(xiàn)AQP1缺乏減弱了低氧誘導(dǎo)的肺動脈高壓，并且在蛋白水平檢測AQP1的缺乏抑制了缺氧誘導(dǎo)因子的表達(dá)，保護(hù)肺內(nèi)皮細(xì)胞免受缺氧導(dǎo)致的損傷[12]。用H2S刺激小鼠肺部引起急性肺水腫，顯著性下調(diào)了AQP5的表達(dá)，并且發(fā)現(xiàn)p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase，p38 MAPK)和細(xì)胞外調(diào)節(jié)激酶1/2(extracellular regulated protein kinases1/2，ERK1/2) 通路在其變化過程中也具有一定的影響[13]。在急性胰腺炎引起的急性肺損傷(ALI)中，通過脂蛋白A4誘導(dǎo)AQP5的表達(dá)來減弱ALI引起的肺水腫[14]。然而，對小鼠機械通氣后觀察小鼠肺部AQP1和AQP5表達(dá)變化，發(fā)現(xiàn)AQP5和AQP1表達(dá)增加，但是并沒有引起微血管滲透性的改變和肺水腫的發(fā)生[15]。雖然水通道蛋白與肺水腫的發(fā)生存在密切關(guān)系，但是，水通道蛋白在肺水腫的形成和消退中的功能，仍然存在爭議。另外，水通道蛋白在細(xì)胞的增殖、遷移、凋亡等方面也具有重要作用。當(dāng)沉默AQP5表達(dá)時，可以抑制ERK1/2信號通路激活，抑制肺癌細(xì)胞(A549)增殖，促進(jìn)肺癌細(xì)胞凋亡，對機體產(chǎn)生保護(hù)作用[16]。

2.3 水通道蛋白在腎的分布和在腎臟疾病發(fā)生發(fā)展過程中的表達(dá)

腎是機體水液運輸最多的器官，在體內(nèi)生成尿液，并且參與尿液的分泌和重吸收過程。在腎臟中主要有8種水通道蛋白存在，分別為AQP1、AQP2、AQP3、AQP4、AQP5、AQP6、AQP7、和AQP11。AQP1在腎臟近端小管上皮細(xì)胞的頂端、髓袢降支，在近端小管的基底外側(cè)膜中也有AQP1表達(dá)[17]。AQP2、AQP3、AQP4、AQP5和AQP6位于集合管，AQP7分布于近曲小管的刷狀緣，AQP11位于近端小管細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。

機體出現(xiàn)腎損傷、腎積水、多囊腎病、腎功能衰竭和糖尿病腎病等時，腎臟中的水通道蛋白表達(dá)也會相應(yīng)減少。AQP2是腎臟中水重吸收的重要蛋白質(zhì)，并且受到抗利尿激素ADH的調(diào)節(jié)，在腎臟水平衡中起著關(guān)鍵作用。機體ADH缺乏時，AQP2在相應(yīng)部位的表達(dá)出現(xiàn)異常，出現(xiàn)多尿癥。腎移植后出現(xiàn)的急性利尿癥狀是由于腎中AQP2釋放減少，多囊腎病主要表現(xiàn)為雙腎囊腫，腎內(nèi)充滿液體[18]。在囊腫發(fā)展過程中AQP3的表達(dá)促進(jìn)了囊腫腫大[19]。此外，與AQP3敲除小鼠相比，腎囊腫增長的速度顯著減慢。AQP11定位于近端小管內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)上，AQP11敲除小鼠表現(xiàn)出近端小管的空泡化并伴有囊腫的形成。有研究證實，近端小管的初級纖毛在AQP11-/-小鼠中延長，多囊蛋白-1(PC-1)參與了AQP11-/-囊腫的發(fā)生[20]。發(fā)病時，AQP11-/-小鼠PC-1糖基化加工受損和膜運輸異常[20]?；加刑悄虿〉膭游镉袝r會繼發(fā)腎臟功能的損害而出現(xiàn)糖尿病腎病(DN)，使腎小球濾過障礙，出現(xiàn)多尿。AQP5參與尿液的濃縮和稀釋，發(fā)生DN時大鼠腎組織中AQP5的mRNA含量升高[21]。測定尿液中AQP5時發(fā)現(xiàn)，AQP5的排泄量與發(fā)病進(jìn)展呈正相關(guān)。

2.4 水通道蛋白在腸道的分布和在腸道疾病發(fā)生發(fā)展過程中的表達(dá)

腸道是體內(nèi)水液代謝的第二大器官，對水液轉(zhuǎn)運的能力僅次于腎臟，能夠?qū)C體攝取食物的水分進(jìn)行吸收并將其轉(zhuǎn)運至體內(nèi)，從而增加動物體的營養(yǎng)供應(yīng)。水通道蛋白在腸道中的表達(dá)豐富，包括AQP1、AQP2、AQP3、AQP4、AQP5、AQP7、AQP8、AQP9、AQP10和AQP11等。AQP1表達(dá)于小腸的腸黏膜血管內(nèi)皮細(xì)胞上，AQP2分布于遠(yuǎn)端結(jié)腸上皮細(xì)胞頂膜，AQP3分布于大鼠結(jié)腸上皮細(xì)胞的基底外側(cè)膜[22]， AQP4在結(jié)腸黏膜下層，在大鼠十二指腸Brunner腺有AQP5表達(dá)，主要定位于腺細(xì)胞的頂膜和基底外側(cè)膜，AQP7表達(dá)與十二指腸淺表上皮細(xì)胞、空腸、回腸上皮細(xì)胞頂端刷狀緣、遠(yuǎn)端結(jié)腸上皮細(xì)胞頂端膜，AQP8存在于十二指腸、空腸表面上皮細(xì)胞和近端結(jié)腸隱窩的表面上皮細(xì)胞，在大鼠小腸的杯狀細(xì)胞基底外側(cè)膜有AQP9的表達(dá)。AQP10分布于小腸黏膜上皮細(xì)胞的頂端和腸絨毛，結(jié)腸腸上皮細(xì)胞頂端發(fā)現(xiàn)有AQP11的表達(dá)。

細(xì)菌、病毒、寄生蟲感染、環(huán)境的改變、腸動力疾病均會引起腹瀉，有些腹瀉的產(chǎn)生是由于腸道中水通道蛋白表達(dá)發(fā)生變化使腸腔中的水分不易吸收或分泌過多而導(dǎo)致。伊利替康(CPT-11)具有抗癌作用。此外，其副作用可產(chǎn)生腹瀉，大鼠注入CPT-11后，觀察到大鼠結(jié)腸隱窩細(xì)胞減少，AQP3主要存在于結(jié)腸的上皮細(xì)胞，隱窩細(xì)胞減少引起AQP3表達(dá)下降，吸收能力下降，大量水液聚集腸腔，出現(xiàn)腹瀉癥狀[23]。水通道蛋白能分泌黏液潤滑腸道，保證了動物正常的排泄機能。水通道蛋白異常表達(dá)使腸道內(nèi)黏液減少，進(jìn)而引起便秘。AQP在腸道不同定位使其發(fā)揮不同的作用，表達(dá)在腸腔側(cè)的AQP表達(dá)增多時，促進(jìn)水液向細(xì)胞間質(zhì)的轉(zhuǎn)運，最終出現(xiàn)便秘。反之，發(fā)生腹瀉。表達(dá)在血管上的AQP增多時，促進(jìn)吸收。反之，導(dǎo)致腹瀉。在研究AQP與腸道疾病之間聯(lián)系的同時也應(yīng)考慮到，通過控制AQP在腸道中的表達(dá)來研究瀉藥和止瀉藥，治療便秘和腹瀉等疾病。增加腹瀉大鼠腸組織中的AQP1表達(dá)，大鼠腹瀉癥狀可以得到緩解[24]。

3 展望

水通道蛋白的分布較為廣泛，主要是維持體內(nèi)水液的平衡。近年來，研究人員對水通道蛋白在疾病發(fā)展過程中的表達(dá)進(jìn)行了較多的研究，并取得了一定的進(jìn)展。目前，水通道蛋白在疾病的發(fā)病機制中的研究還需要進(jìn)一步深入，為水液代謝異常類疾病的治療提供理論依據(jù)。