水通道蛋白研究进展

蒲春霞

(成都大学医护学院,四川成都 610017)

水通道蛋白研究进展

蒲春霞

(成都大学医护学院,四川成都 610017)

水通道蛋白广泛存在于生物体中的各组织部位,影响着生物机体水代谢的过程,随着分子生物学技术的进步,对水通道蛋白的基础研究已经比较深入和成熟.对水通道蛋白的研究情况进行概要综述,目的在于利用水通道蛋白研究的基础成果,阐释临床水代谢障碍类疾病的发病机理及提供可能的解决思路.

水通道蛋白;水代谢;研究进展

0 引 言

水通道蛋白(aquaporin,AQPs),最初由Agre等于1988年偶然在红细胞膜上发现,称为形成通道的整合膜蛋白28(CHIP),1991年,研究人员完成其cDNA克隆并进一步确定其为细胞膜上转运水的特异性通道蛋白,并称CHIP 28为AQP1.此后,又陆续从哺乳动物组织中鉴定出 9种水通道蛋白(AQP2～AQP10).目前,人们所发现的水通道蛋白均属晶体纤维中的主要内源性蛋白(major intrinsic protein, MIP)家族,后经证明MIP亦有弱的水通道活性,被命名为AQP0.这些相继发现的专一性运输水的通道蛋白被统称为AQPs[1,2].

1 水通道蛋白的结构与分布

水通道蛋白分子的一级结构由2个分别位于肽链两侧的重复部分构成,各自拥有天冬酰胺—脯氨酸—丙氨酸(Asn-Pro-Ala,NPA)特征性序列,呈180°中心对称排列.每个分子包括6个跨膜区域和5个环(A、B、C、D、E),其中：B、D环及羧基、氨基末端均在胞内,A、C、E环定位于质膜外侧.B、E环显著疏水,E、B环的任何变异都会引起水通道活性的下降; A环有N-连接糖基化位点;E环NPA序列前的半胱氨酸是水通道蛋白的汞抑制部位[3].

水通道的立体结构资料主要来源于AQP1的分子结构研究.AQP1在质膜中形成4聚体.在4个单体的中空部分含有独立的孔道,每一个孔道的大小约为一个单水分子,直径318A.孔道中间部位的正电荷阻止带电荷的质子和其他离子通过[3,4].

水通道蛋白普遍存在于微生物、植物及动物界.例如,在啮齿类动物体内陆续发现的多种水通道蛋白具体分布如下：AQP0分布于眼睛的晶状体,AQP1分布于血管、肾近曲小管、眼睛和耳朵,AQP2分布于肾脏,AQP3分布于肾脏、呼吸、消化器官;AQP4分布于脑星形胶质细胞、眼、耳、骨骼肌、胃壁细胞和肾集合小管,AQP5分布于分泌性腺体,如唾液腺、泪腺、汗腺等,AQP6分布于肾集合小管细胞内小泡上, AQP7主要分布于睾丸,AQP8分布于肾脏,睾丸和肝脏,AQP9分布于肝脏和白细胞,AQP10分布于肠腔内.研究还发现,人类的胰腺组织有大量的AQP1和AQP5表达[5,6].

2 水通道蛋白的作用

根据AQPs的渗透特异性可将AQPs的作用分为2类：第一类只对水有渗透性,包括AQP0、AQP1、AQP2、AQP4、AQP5、AQP6、AQP8;第二类除转运水之外,还对其他小分子溶质有渗透性,尤其是甘油,其包括AQP3、AQP7、AQP9、AQP10.

按照AQPs在各组织系统中所发挥的作用,水通道蛋白可具体归纳如下：

2.1 泌尿系统

对AQP1～AQP4转基因小鼠体液代谢的研究结果揭示了AQP在整体肾功能的生理学作用.缺失AQP1的小鼠多表现中度多尿,尿渗透压明显降低,而同时缺乏AQP1和AQP3的小鼠则呈现严重多尿. AQP4的基因敲除则较轻地影响小鼠尿浓缩能力.AQP1分布在近曲小管的顶膜和基底膜,在近曲小管的液体重吸收过程中起重要作用.AQP1缺失将导致髓袢降支细段的水通透性降低10倍,此也表明AQP1是该段的主要水通道.AQP2、AQP3和AQP4共同参与集合管尿浓缩过程.AQP3和AQP4表达在集合管上皮细胞的基底外侧膜.AQP3主要分布在皮质和外髓集合管,而AQP4在内髓集合管.基因敲除小鼠实验结果表明,在尿浓缩能力方面,AQP3比AQP4起更重要的作用.AQP4缺失只表现最大尿浓缩能力的轻微降低.这个实验结果支持水主要在集合管的皮质和外髓段被重吸收的理论.此外,AQP2突变可引起人遗传性肾性尿崩症[7-9,15].

2.2 神经系统

相关研究表明,AQP1～AQP5、AQP8、AQP9在啮齿类动物脑中均有表达.AQP1是在脉络丛上皮细胞发现的,是脉络丛上的主要水转运蛋白,与脑脊液的形成和流动有关.AQP4主要在神经胶质细胞膜、内层室管膜、小脑、海马、齿状回、室上核和视旁核表达.Tsukaguchi等在星形胶质细胞中发现AQP9的mRNA表达,Badaut等于2001年在小鼠脑中发现AQP9蛋白表达,另外,在白质区域发现了AQP4和AQP9表达.AQP9协助AQP4促进水在脑脊液与脑组织之间的流动.T omas等发现注射脂多糖(LPS)可使小神经胶质细胞充分表达AQP4蛋白和AQP4 mRNA,提示血脑屏障的破坏、脑水肿与AQP4表达密切相关[9-10].Nicchia等通过改变细胞外的渗透压来研究体外培养的星形胶质细胞容积的改变,结果发现细胞容积的改变与AQP4蛋白有关[11,12,14,20].在成年老鼠脊髓内AQP4主要位于灰质的神经胶质细胞和脊髓白质星形胶质细胞的血管周足上,AQP9主要位于白质内神经胶质纤维酸性蛋白反应性的星形胶质细胞,AQP8主要位于室管膜内层.这些蛋白与脊髓内水的正常流动密切相关[12,13].

2.3 消化系统

相关研究证明,消化系统的多个器官与水代谢密切相关.唾液腺表达多个水通道蛋白,例如AQP1在血管内皮,AQP4在导管上皮,而AQP5则在腺泡细胞顶膜.AQP5敲除小鼠的唾液分泌量明显减少,唾液的盐浓度增高,但AQP1和AQP4敲除小鼠未见明显异常[15],此表明,AQP5在腺体分泌功能方面起主要作用.AQP4虽然在分泌胃酸的胃壁细胞表达,但AQP4敲除并不影响胃酸的分泌.AQP1表达在脂肪消化吸收相关的胃肠道多个部位,包括肝细胞、胰腺血管内皮、小肠乳糜管和胆囊[11,12].

2.4 呼吸系统

哺乳动物的肺组织至少包括种3种AQP水通道蛋白,AQP1位于直径0.3 mm的微血管内皮细胞上,AQP4位于气道上皮细胞,AQP5位于肺泡上皮细胞.最新研究发现,AQP3不仅存在于主气道,而且也分布于细支气管内,与肺水肿密切相关[6,17].

2.5 其他系统

AQP1在腹膜的毛细血管内皮细胞表达,AQP1敲除导致腹腔液体吸收速度降低215倍,提示AQP1在腹膜透析过程中起重要作用.肌肉组织表达高水平的AQP4,但AQP4缺失并不引起肌肉的功能改变.AQP1存在于眼非色素睫状上皮和小梁网内皮. AQP1敲除明显降低眼球内压.由于表达部位不同, AQP1缺失引起角膜厚度变薄,但AQP5缺失却增加角膜厚度.皮肤中存在的AQP3对维持皮肤的弹性和湿度有重要作用,甘油则可改正由AQP3缺失造成的皮肤弹性和湿度降低[13,14].

2.6 其他功能

相关研究证实,AQP4参与钾离子的缓冲,与听觉功能相关.AQP0突变可引起白内障功能变化[15,16].

3 水通道蛋白的调节

AQPs的调节机制可以大致分为3种：第一种是通过调节AQP的活性来调节其功能.AQP1、AQP2、AQP4、AQP5都含有蛋白激酶 A(protein kinase A, PK A)和蛋白激酶C(PKC)磷酸化的同源序列,这些水通道受磷酸化作用直接调节.研究表明,磷酸化和AQP的运输、门控以及重新分布有关.AQP1、AQP2、AQP4、AQP5的磷酸化作用提示体内可能存在短时快速调节膜水通道的生理机制.第二种是至少有3种哺乳动物的水通道蛋白直接为pH值所调节.第三种是通过改变膜上AQP的含量来调节跨膜水流动,例如AQP1、AQP2、AQP5、AQP8在某些物质的作用下可进行重新分布,这种调节方式主要通过胞吐及内吞作用使水通道蛋白在胞内贮存囊泡与质膜之间不断地循环,从而调节膜对水的通透性[4,9,10,19,20].

4 结 语

AQPs发现至今已超过10年,研究人员利用分子生物学和生理学研究手段对AQPs的结构与功能有了相当深刻的了解.随着人们对AQPs研究的不断深入,将不仅为有机体水转运的生理现象提供分子解释,而且还将促进人类对某些因水平衡紊乱而引起的疾病的发病机理的进一步认识,从而为对其的有效治疗提供理论依据.

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Research Progress on Aquaporin

PU Chunxia

(School of Medicine and Nursing,Chengdu University,Chengdu 610106,China)

Aquaporins widely exist in every tissue compartment of organism which influences the process of water metabolismof organism.With the advancement of biologic technologies,basic researches on aquaporin have been further deepened and become mature.Recent researches on aquaporin were summarized in order to utilize these research achievements to explain pathogenesis of diseases when disturbance of water metabolism appear and to propose resolving ways.

aquaporins;water metabolism;research progress

R329

：A

1004-5422(2010)02-0104-03

2009-11-25.

蒲春霞(1974—),女,博士,讲师,从事中药理论与应用研究.