水通道蛋白在ADPKD中的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

馬東玥，徐雨辰，牛青松，郝宗耀，梁朝朝

(安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院泌尿外科，安徽醫(yī)科大學(xué)泌尿外科研究所，泌尿生殖系統(tǒng)疾病安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230022)

常染色體顯性遺傳性多囊腎病(autosomal dominant polycystic kidney disease，ADPKD)是最常見的導(dǎo)致腎臟功能衰竭的遺傳性腎臟疾病之一，發(fā)病率為1/400～1/1 000，其特征是進(jìn)行性形成及增大的雙腎彌漫性囊腫，對腎功能造成損害[1-5]。ADPKD主要由基因PKD1或PKD2突變引起，前者約占85%，后者占15%，分別編碼多囊蛋白1(polycystin1，PC1)和多囊蛋白2(polycystin2，PC2)，最新的研究表明另2個罕見基因GANAB和DNAJB11的突變也能引起ADPKD[6-7]。多囊蛋白的缺失會通過激活mTOR、cAMP、Wnt等信號通路引起囊腫上皮過度增殖，分泌增加，同時還能引起纖毛功能缺陷，細(xì)胞極性異常，使腎小管上皮細(xì)胞呈球形排列，最終導(dǎo)致囊腫形成及增大[8]。此外，ADPKD常伴有尿液濃縮功能缺陷。作為尿液濃縮及維持水平衡的重要分子，水通道蛋白(aquaporin，AQP)廣泛分布于哺乳動物各種組織中，在促進(jìn)體內(nèi)水和一些溶質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)外的跨膜運(yùn)輸中具有重要的功能，參與多種生理過程[9-11]。迄今為止，已在哺乳動物中鑒定出13種AQP亞型(AQP0-AQP12)[12]。其中AQP1、AQP2、AQP3及AQP11可能在ADPKD的發(fā)生發(fā)展中起到作用。本文將總結(jié)水通道蛋白在ADPKD中作用機(jī)制的研究進(jìn)展。

1 水通道蛋白1(AQP1)

AQP1是最早發(fā)現(xiàn)的水通道蛋白，在腎近端小管上皮的頂膜和基底外側(cè)膜以及髓袢降支細(xì)段的上皮細(xì)胞膜上高度表達(dá)[13]，因此AQP1可作為近端小管標(biāo)記物。HUANG等[14]利用ADPKD患者和健康對照者的成纖維細(xì)胞誘導(dǎo)分化為多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cell，iPSC)，結(jié)果顯示ADPKD-iPSC自細(xì)胞外向內(nèi)的水轉(zhuǎn)運(yùn)能力與健康對照-iPSC相比下降，并且ADPKD-iPSC中的AQP1表達(dá)顯著低于健康對照-iPSC，此結(jié)果提示AQP1缺失可能降低ADPKD囊腫上皮對囊腔內(nèi)水的重吸收，進(jìn)而促進(jìn)囊腫增大。

WANG等[15]利用PKD1和AQP1基因敲除小鼠對此現(xiàn)象進(jìn)行了進(jìn)一步研究，結(jié)果顯示AQP1完全缺陷的PKD1敲除小鼠(PKD1flox/flox;Ksp-cre;AQP1-/-)與AQP1雜合的PKD1敲除小鼠(PKD1flox/flox;Ksp-cre;AQP1+/-)相比，腎臟體積、囊腫數(shù)目及直徑均增加，并且這些增加的囊腫主要來源于近端小管區(qū)域，這一發(fā)現(xiàn)確認(rèn)了AQP1在ADPKD近端小管囊腫形成中的作用。同時該研究還發(fā)現(xiàn)AQP1缺陷促進(jìn)多囊腎的進(jìn)展可能是通過激活Wnt/β-catenin信號通路所實(shí)現(xiàn)。在經(jīng)典Wnt信號通路未被激活時，胞質(zhì)中的β-catenin被GSK3β磷酸化，進(jìn)而被蛋白酶體降解。當(dāng)經(jīng)典Wnt信號通路激活時，β-catenin的磷酸化和降解受到抑制，β-catenin積累并入核，促進(jìn)下游靶基因表達(dá)[16]。我們的研究發(fā)現(xiàn)在ADPKD小鼠模型腎臟中Wnt/β-catenin信號通路存在異常激活[17]。在PKD1缺陷小鼠模型中敲除AQP1后，Wnt/β-catenin信號通路進(jìn)一步活化，而過表達(dá)AQP1能夠抑制細(xì)胞模型中囊腫的形成及β-catenin的表達(dá)，提示AQP1的缺失通過激活Wnt/β-catenin信號通路促進(jìn)ADPKD近端小管囊腫進(jìn)展。此外，Dweep在對ADPKD大鼠模型(PKD/Mhm)腎臟進(jìn)行了mRNA和miRNA測序，結(jié)果顯示AQP1表達(dá)下調(diào)，且在顯著上調(diào)的miRNA中，miR-199a-5p、miR-214和miR-503可能對AQP1具有調(diào)控作用。提示ADPKD中AQP1的表達(dá)下調(diào)可能是通過miRNA介導(dǎo)[18]。

2 水通道蛋白2(AQP2)

腎臟的集合管表達(dá)水通道蛋白家族的另一個成員AQP2。AQP2在集合管主細(xì)胞中含量豐富，因此常作為集合管標(biāo)記物。目前，已發(fā)現(xiàn)ADPKD中約2/3的囊腫表達(dá)AQP1或AQP2，且含有AQP2的囊腫是最常見的，但一般不同時含有兩者，這種現(xiàn)象提示囊腫起源于腎單位不同部位的細(xì)胞。在一項(xiàng)最新的研究中，TSUKIYAMA等[19]構(gòu)建了PKD1缺陷的獼猴多囊腎模型，結(jié)果顯示在重度表型的腎臟中，大多數(shù)囊腫AQP2陽性而少數(shù)AQP1陽性，表明大多數(shù)嚴(yán)重的囊腫起源于集合管。更重要的是，AQP2陽性囊腫的平均直徑大于AQP1陽性囊腫。此外，重度表型的腎臟與輕、中度表型的腎臟相比，AQP1陽性的囊腫大小無明顯變化，而AQP2陽性的囊腫大小顯著增大。上述結(jié)果提示，AQP2陽性的集合管囊腫可能與ADPKD的囊腫進(jìn)展具有更高的相關(guān)性。

血管加壓素(arginine vasopressin，AVP)與集合管主細(xì)胞上的V2受體(V2 receptor，V2R)結(jié)合能夠誘導(dǎo)AQP2從細(xì)胞內(nèi)囊泡到細(xì)胞頂膜之間運(yùn)輸，進(jìn)而促進(jìn)集合管水的重吸收，參與水平衡調(diào)控[20]。由于ADPKD的囊腫多起源于集合管[21]，且水平衡失調(diào)是ADPKD的特征之一，這些提示AVP-AQP2可能參與ADPKD的發(fā)生發(fā)展[22]。研究顯示，多種多囊腎疾病的動物模型和ADPKD患者均檢測到AVP水平升高且與GFR成負(fù)相關(guān)，同時ADPKD腎臟V2R和AQP2的表達(dá)增加，cAMP水平升高[4,23-25]。cAMP信號通路激活是ADPKD囊腫形成的關(guān)鍵機(jī)制之一，它能夠促進(jìn)囊腫上皮增殖及囊液分泌[26]，在人ADPKD囊腫上皮細(xì)胞中能夠檢測到cAMP的合成酶腺苷酸環(huán)化酶AC 1、3、5、6表達(dá)且與AQP2共定位[27]。據(jù)此，選擇性V2R拮抗劑托伐普坦，可以通過靶向AVP-cAMP-AQP2信號通路，減緩囊腫生長，延緩腎功能損害，是目前唯一被批準(zhǔn)用于ADPKD臨床治療的藥物[28]。

3 水通道蛋白3(AQP3)

AQP3是存在于集合管主細(xì)胞基底外側(cè)膜上的一個功能獨(dú)特的水通道，主要運(yùn)輸水及一些小分子物質(zhì)，如甘油等[13]。AQP3參與了多種細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程涉及能量代謝、增殖和炎癥等[29]。AQP3在ADPKD集合管囊腫上皮細(xì)胞中也有表達(dá)，研究表明AQP3的表達(dá)可以抑制腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)的磷酸化，增加囊腫上皮細(xì)胞的ATP濃度，并活化ERK/mTOR信號通路，促進(jìn)細(xì)胞增殖[30]。與表達(dá)AQP3的PKD1flox/flox、Ksp-cre、AQP3+/-小鼠相比，AQP3缺失的PKD1flox/flox、Ksp-Cre、AQP3-/-小鼠的腎臟大小和囊腫指數(shù)顯著降低，并且囊腫的減少主要位于集合管區(qū)域。AQP3缺失能夠抑制囊腫上皮細(xì)胞能量代謝，抑制mTOR和ERK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，進(jìn)而抑制囊腫上皮細(xì)胞的增殖。該研究在細(xì)胞模型中也觀察到了AQP3缺失對囊腫形成的抑制作用[30]。上述研究顯示AQP3可能是ADPKD腎囊腫進(jìn)展的新影響因素，但其作用還有待更多的研究確認(rèn)。

4 水通道蛋白11(AQP11)

AQP11是轉(zhuǎn)運(yùn)特性尚不完全清楚的水通道蛋白[10]，在腎臟、肝臟、大腦、睪丸、尿路上皮等均有表達(dá)[31]，在亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中，AQP11與粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(rough endoplasmic reticulum，RER)共定位，可能具有調(diào)節(jié)RER膜對水和其他溶質(zhì)滲透性的功能。此外，AQP11可能參與PC1和PC2的正確糖基化[32]。

在腎臟中，AQP11表達(dá)于腎近端小管的上皮細(xì)胞內(nèi)。AQP11敲除的小鼠表現(xiàn)出近端小管的空泡化和囊腫形成，常在出生早期死于多囊腎導(dǎo)致的腎衰竭[33]。因此，AQP11缺失小鼠的疾病表現(xiàn)更接近人類常染色體隱性遺傳性多囊腎病(autosomal recessive polycystic kidney disease，ARPKD)。但不同的是，ARPKD的囊腫起源于集合管，而AQP11缺陷小鼠的囊腫僅限于近端小管。KOIKE[34]及SAITO等[35]的研究也證實(shí)AQP11在腎臟的近端小管中選擇性表達(dá)，AQP11缺失的小鼠腎臟上皮表現(xiàn)出PC1向細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)障礙，該多囊腎小鼠常在1個月內(nèi)死亡。此外，AQP11的缺陷能導(dǎo)致近端小管上皮的增殖增加[36]。INOUE等[37]的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探明了AQP11缺失引起多囊腎病的發(fā)病機(jī)制。與野生型小鼠的腎臟相比，AQP11-/-小鼠的腎臟PC1表達(dá)升高，PC2表達(dá)降低，且上皮的初級纖毛長度增加。雖然AQP11-/-小鼠腎臟的PC1表達(dá)升高，但AQP11的缺失使得PC1在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)處的糖基化過程受損，并且使PC1向細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)及定位異常，這可能是AQP11-/-小鼠囊腫發(fā)生的關(guān)鍵機(jī)制。此外，轉(zhuǎn)基因AQP11可以完全挽救3周齡AQP11-/-小鼠的腎臟囊腫表型[35,37]。因此，AQP11的表達(dá)可以在囊腫形成中發(fā)揮抑制作用，有望成為新的潛在治療靶標(biāo)。

5 總結(jié)與展望

目前ADPKD仍然是臨床上難以治愈的疾病，除了托伐普坦已進(jìn)入臨床用藥階段外，尚無其他明確有效減緩疾病進(jìn)程的治療方案[38]。AQP在腎的水及溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中扮演著重要角色，不僅能夠作為ADPKD中囊腫起源的標(biāo)記，與疾病表型嚴(yán)重程度相關(guān)，還參與cAMP、Wnt、mTOR等多種信號通路以及多囊蛋白的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，可能對ADPKD囊腫形成及疾病進(jìn)展產(chǎn)生調(diào)控作用。深入研究AQP在ADPKD中的作用機(jī)制，在尋找ADPKD藥物靶點(diǎn)方面具有廣闊的前景。