水通道蛋白-2的研究进展

王长志,景文莉

(1.河北联合大学中医学院，河北唐山 063000;2.承德医学院)

水通道蛋白-2的研究进展

王长志1,景文莉2Δ

(1.河北联合大学中医学院，河北唐山 063000;2.承德医学院)

水通道蛋白-2;结构;功能;表达;疾病

水是生命所必需成分，细胞内外水平衡的稳定是维持生命的关键因素。水的跨膜转运对维持细胞正常代谢具有重要的作用及意义。水通道蛋白(AQP)是一组与水通道有关的细胞膜转运蛋白，属古老的跨膜通道蛋白家族成员。1991年和1992年，Ager及其同事先后完成了对AQP-1的分子克隆和功能鉴定，首次揭示了水通道蛋白的存在。迄今为止，已发现水通道蛋白共13种。水通道蛋白-2(AQP-2)是由Fushimi在1993年克隆确认的水通道蛋白家族中的一种[1]，位于肾脏集合管主细胞管腔侧和靠近管腔侧的囊泡内，是血管加压素依赖性水通道，是调节肾脏集合管对水通透性的关键蛋白，在调节肾脏水平衡中起重要作用，并被认为是维持体内水平衡的必须物质[2]。

1 AQP-2分子结构

AQP-2和其它AQP一样，均属于膜整合蛋白(MIP)家族，和AQP-l具有同源性，具有类似的结构。AQP-1作为第一个确定的水通道蛋白，人们多以它的结构作为水通道蛋白家族的经典代表。AQP-1以四聚体的形式存在于质膜上，呈沙漏状，每个单体都是一个独立的功能单位，其基本结构是一个单肽链，每个单体肽由271个氨基酸组成，以螺旋结构跨膜6次，在质膜两侧形成5个线形的环(Loop A、B、C、D、E)，肽链N端和C端位于质膜内侧，在B、E环上均含有3个氨基酸(天冬氨酸一脯氨酸一丙氨酸，NPA)的重复串联序列，其周围氨基酸序列高度保守。

AQP对物质的转运具有一定的选择性，最近几项对水通道蛋白家族结构的高分辨研究可以解释其选择性。通过冷冻电子显微镜技术重建的人类AQP-1膜晶体结构被确定为3．80A，和大肠埃希氏杆菌非常相似(2.20A)，因此，它们被形象的称为“异卵双生”。为融合这些特点，人们提出了AQP-1精细结构。而且，这种结构最近通过x射线分析牛的AQP-l结构得到证实。

2 AQP-2调控

研究表明，AQP-2是血管升压素(AVP)依赖性水通道蛋白[3-4]，在调节机体的水平衡中起着至关重要的作用。对AQP-2的调控主要有两种方式，一是短时调控机制，二是长时调控机制[5-7]。

参与短时调控的机制有:(l)囊泡穿梭假说。当AVP水平升高后，细胞质的囊泡与管腔面的细胞膜融合。AQP-2通过出胞运动移至管腔游离面细胞膜上，使管腔侧细胞膜上AQP-2的数量增加，对水的通透性升高。而当血管加压素水平降低时，又重新形成囊泡回到细胞内，管腔侧细胞膜上AQP-2数量也相应减少。(2)蛋白磷酸化作用。肾脏集合管主细胞上存在血管加压素受体V2，与AVP特异性结合后，激活腺苷酸环化酶而产生cAMP，后者作为第二信使激活蛋白激酶A，再激活AQP-2，因而导致水通透性升高。(3)两者的协同作用。

在长时调控机制中，如慢性AVP的作用、长期限水等，均可使管腔侧膜上和囊泡上AQP-2mRNA和蛋白的含量增加，导致水通透性增加[8-10]。其调控机制为:肾脏集合管主细胞上存在着血管加压素受体V2，这是一种G蛋白结合受体[11]。血中的AVP浓度升高后，与其在集合管主细胞上的V2受体结合，使V2受体活化，与G蛋白结合并使之发生构象改变，与G蛋白的a亚基结合的GDP为GTP取代，随之a亚基与Br亚基分离，成为活化状态的a亚基，结合并活化腺甘酸环化酶(AC)，后者使ATP水解生成cAMP，使胞浆中的cAMP含量升高，cAMP使蛋白激酶A(PKA)活化。AQP-2基因系列的5’端启动子有cAMP的反应元件。PKA使cAMP反应元件结合蛋白磷酸化，后者识别、结合cAMP的反应元件，促进AQP-2基因的转录[12-13]。血浆中的AVP含量升高后，和其受体V2特异结合，使胞浆中的第二信使cAMP含量增高，可促进肾脏集合管上皮AQP-2的表达。

3 AQP-2与疾病

3.1 充血性心力衰竭 充血性心力衰竭(CHF)是各种心脏疾病导致心功能不全的一种综合征，是大多数心血管疾病的最终归宿，也是最主要死因。水潴留是充血性心力衰竭最重要的病理生理改变之一，也是心源性水肿的最重要的发病机制，同时还是充血性心力衰竭出现症状的重要原因，并可导致心脏功能的进一步损伤。

在充血性心衰水潴留机制的研究中，人们发现肾脏是水潴留的中心环节[14-16]，而受血管加压素(AVP)调节的AQP-2更是其关键蛋白。许顶立和Nielsen的研究相继发现，充血性心力衰竭大鼠模型肾脏的AQP-2基因表达和蛋白质表达均上调，而此状态下大鼠血浆中的AVP水平正常或稍有升高，但相对于较低的血清钠水平，这个“正常”AVP水平已经是较高的，从而提示AQP-2的基因表达增加在充血性心衰中的发病机制中起到重要作用，且受血中的AVP调节。而Martin的研究中，给予充血性心力衰竭患者AVP的V2受体拮抗剂(AVP-985)，可检测到尿液中的AQP-2排出明显减少，从而进一步证明了AQP-2基因的表达是由AVP介导的。许顶立还发现，充血性心力衰竭时，肾脏中无论是肾髓质还是肾皮质AQP-2水平同样升高，提示肾间质渗透压对充血性心力衰竭时AQP-2的增加并不起主要调节作用。 Niesen等还报道了充血性心力衰竭伴低钠血症时，除了AQP-2蛋白增加外，肾脏中分布在近曲小管和髓拌降支的AQP-1和分布于肾脏集合管主细胞基底侧细胞膜的AQP-3不增加，证明了AQP-2的增加是有选择性的。临床试验中，伴低血钠的充血性心力衰竭患者水潴留及低钠血症越重，尿液中AQP-2排出越多。从而共同证实了AQP-2是充血性心衰患者调节水储留的关键性蛋白，进一步阐明了充血性心力衰竭时水潴留机制的主要途径:心输出量下降—血中AVP增加—肾集合管主细胞V2受体激活—AQP-2激活/或基因表达上调—水重吸收增加—水潴留。3.2 AQP-2与高血压 高血压病是我国常见的心血管疾病之一，并且是冠心病和脑血管病发生的最危险因素。由于机体血压受到神经、体液、血管本身等诸多因素影响，故其发病机制复杂，现在认为该病是多种因素共同作用的结果。近年来的研究表明，AQP-2调节异常与高血压的发病机制及相关病理生理学密切相关。

Lee通过对DOCA(去氧皮质酮醋酸盐)盐性高血压大鼠(DHR)的研究发现，无论是仅以DOCA处理或合并应用DOCA和高盐处理所致的高血压大鼠，4周后，其肾脏皮质及内髓、外髓中的AQP-2的表达和穿梭显著增加[17]。在DOCA盐性高血压大鼠模型中，盐和血管加压素是形成高血压的的重要因素，盐在DHR形成中起重要作用，单用DOCA血压不升高，在加盐后首先出现细胞外液和血容量的增加，肾功能和结构的改变，肾小动脉的硬化，肾和心脏和动脉壁的肥厚，然后才出现血压的升高。在DOCA和盐的共同作用下，由下丘脑分泌入血的AVP显著增加，恶性高血压尤为明显，AVP抗血清或其拮抗剂可减低血压，而有一种大鼠(Bratetboro大鼠)给DOCA盐后血压不上升，当注射AVP后血压稳定上升，可见其在形成DHR中也起到了重要作用。由于血中AVP浓度的升高，其进一步作用于肾脏集合管主细胞管周侧的V2受体，从而激活主细胞内的腺甘酸环化酶，cAMP合成增加，激活PKA，通过短期调节致AQP-2的表达和其在集合管主细胞管腔侧穿梭增加，水通道开放，水重吸收增加，加重钠水储留，进一步加速高血压的形成。Roxas的研究中，标准的Sprague-Dawley大鼠和对盐敏感的Dahl SS/Jr大鼠予高盐饮食后，Dhal SS/Jr大鼠的肾脏中的AQP-2的转录显著增加，可见AQP-2的调节在Dhal SS/Jr大鼠模型中发生了改变，影响了盐和水的重吸收，在高血压的发病中起到了一定作用[18]。

在双肾夹闭一侧(2K1C)的高血压大鼠模型中，大鼠的尿量显著增加，其机制可能与钠和水的调节紊乱有关。Lee的研究证实，该模型形成6周后，其被夹闭侧的肾脏皮质内、外髓中的AQP-2表达显著减少，肾脏中的cAMP水平亦下降，但其AQP-2本身转运机制及生理功能并未改变，在该侧肾脏去除夹闭24小时后，其AQP-2表达可恢复至正常水平，而对侧未夹闭肾脏AQP-2表达水平一直正常。原因可能由于夹闭肾动脉至肾血流中的AVP下降，减少了cAMP的合成，通过短期调节，减少了AQP-2在集合管主细胞管腔策的穿梭，进而水通道关闭，尿量增加[19]。

4 展望

水通道蛋白的发现，具有重要的理论意义和实用价值。它表明水分子的转运形式不仅可通过脂质双分子层的弥散作用，而且还可以通过细胞膜蛋白质的选择性转运，使人们对膜转运有了新的认识，这对水代谢紊乱疾病的认识及治疗提供了新的途径。

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