水通道蛋白4与脑水肿的研究进展

毛 剑(综述)，邹永杰，巢少辉(审校)

(解放军第184医院神经外科，江西 鹰潭 335000)

水通道蛋白(aquaporins，AQPs)是一组与水通透有关的细胞膜转运蛋白。1988年，Agre研究小组发现了一种具有选择性水通透的功能的嵌膜蛋白质，命名为AQP1[1]。迄今为止在哺乳动物体内已经发现了13种AQPs，其中有8种AQPs在脑组织中有分布，即AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP7、AQP8、AQP9、AQP11。AQP4是脑内表达最多的AQP，在脑水肿形成和消除及其病理生理过程中都发挥了非常重要的作用，调节其在脑内的表达对研究脑水肿的治疗具有重要意义。

1 AQP4的分子结构和遗传特性

AQPs家族在人类染色体上均为单一拷贝基因，AQP4基因定位于人的染色体18q11.2与q12.1之间的连接处，由4个外显子组成，分别编码127、55、27、92位氨基酸序列，其间有3个内含子(长度分别为0.8、0.3和5.2 kb)。较大的第1外显子编码N端，较小的第2～4外显子编码C端。AQP4的相对分子量大约为30×103，基本结构为一条N端和C端均位于胞内的6次跨膜的单肽链，6个疏水跨膜区域由5个长度不同的连接环相互串联，其中A、C、E环位于细胞外，B、D环位于细胞内。B环和E环上的高度保守的天冬酰氨-脯氨酸-丙氨酸基元是家族成员共有的特征性结构和功能区，天冬酰氨-脯氨酸-丙氨酸基元前后两部分在序列上相似，呈180°定位的正面对称结构。B环和E环下沉至双分子层内，中心部分折叠形成被6条跨膜的螺旋所包绕狭窄的开放水通道，能使一个水分子单线通过，这种结构称为沙漏模式[2]。

AQP4有M1、M23、Mz三种有功能的亚型，M23为最短的亚型，含有301个氨基酸，是脑内分布最多的亚型，M1亚型相比M23亚型而言在N端增加了22个氨基酸，而最长的亚型Mz则比M1亚型在N端多出41个氨基酸。这三种亚型都对水具有通透性，但对小分子物质没有通透性[3]。研究表明，AQP4能构成正交空间排列颗粒(rthogonal arrays of particles，OAPs)蛋白，其亚型的构成比决定了OAPs蛋白体积大小[4]。

2 AQP4在脑内的分布

AQP4是脑内表达最多的AQPs，主要分布于脑实质内的星形胶质细胞、室管膜上皮细胞、毛细血管内皮细胞、邻近软脑膜的胶质细胞及脉络丛上皮细胞中，而在神经元、小胶质细胞、少突胶质细胞和脑膜成纤维细胞未见表达[5]。AQP4在蛛网膜下腔、血管周围的星形胶质细胞表面以及星形胶质细胞终足包绕毛细血管壁所形成的胶质界膜上表达最为丰富，称之为极性分布，这种分布特点提示AQP4在维持大脑水平衡中发挥了重要作用，它是胶质细胞与脑脊液以及血管间的水调节和转运的重要结构基础。同时，AQP4在软脑膜、脑室系统周围的室管膜细胞以及脉络丛上皮细胞的分布与脑脊液重吸收部位一致，表明脑脊液可能通过这些细胞上的AQP4被重吸收[6]。精氨酸加压素可以调节肾脏水的排泄，而视上核和室旁核等核团的胶质表面AQP4呈高表达特征，这个区域局部渗透压改变1%即可引起精氨酸加压素的合成与释放，推测AQP4可能是渗透压感受器或受体，通过对微小渗透压变化产生迅速而敏感的细胞容量改变参与渗透压的调节[7]。

3 AQP4在脑水肿中的作用

脑水肿即水分在脑内的过多积聚。1967年,Klatzo[8]将脑水肿分为血管源性脑水肿和细胞毒性脑水肿两大类。细胞毒性水肿多见于缺血或中毒引起的细胞损害。由于细胞膜的钠-钾依赖性ATP酶失活，能量代谢障碍，细胞内水、钠潴留，引起细胞(神经细胞、胶质细胞、内皮细胞)肿胀，细胞外间隙减少，此型水肿可同样累及灰质和白质。星形胶质细胞是在细胞毒性水肿时发生肿胀的主要细胞类型，尤其是在毛细血管周围的星形胶质细胞足突上，这个位置也是AQP4在脑内表达的主要位点[9]。Manley等[10]发现，AQP4缺失小鼠在低钠血症中的病死率远低于野生型小鼠，这种保护作用是通过降低血脑屏障的水通透性和减少流入大脑实质的水而产生的。AQP4缺失小鼠的这种保护机制在细菌性脑膜炎和早期局灶性脑缺血等引起的细胞毒性脑水肿中同样存在[11]。血管源性水肿，脑肿瘤和脑脓肿是这一类型水肿的典型代表。由于血脑屏障的破坏，等渗液和血清蛋白适应流体静力压的改变从血液进入细胞间隙，因此，血管源性水肿是细胞间隙的肿胀。Papadopoulos等[12]提出在血管源性脑水肿时,AQP4表达可以促进脑水肿液体的重吸收。在一些冻伤模型建立血管源性脑水肿研究中发现，AQP4基因剔除小鼠脑组织含水量和颅内压显著高于野生型小鼠,说明AQP4在血管源性水肿的清除过程中起着重要作用。

4 AQP4的调节

4.1AQP4的磷酸化 AQP4有许多可磷酸化的位点，其中Ser180和Ser111两个残基主要参与AQP4的动态调节，Ser180残基磷酸化能降低AQP4的水通透性。Ser180位于AQP4细胞质内的D环上，Zelenina等[13]发现，Ser180残基变异的AQP4不会被蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)活化剂所抑制，提示Ser180残基是PKC对AQP4磷酸化的靶位点，在AQP4表达的猪肾小管上皮细胞株中，佛波酯和多巴胺能引起AQP4水通透性快速下降，而预先使用PKC抑制剂能抵消这一效果。PKC激动剂的长时间孵育也能导致AQP4的内化[14]，但短时程应用PKC则没有观察到该结果。PKC长时间的活化，除作用于Ser180位点外，也会影响其他PKC的磷酸化位点[15]。总之，脑内PKC的活化可以导致AQP4的单通道的水通透性和细胞内化作用降低，从而引起星形胶质细胞的水通透性的下降。

Ser111残基的磷酸化能提高AQP4的水通透性。Gunnarson等[16]发现，在急性铅中毒模型中，转染了AQP4 cDNA的星形胶质细胞膜的水通透性得到提高，这一结果可以被钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ抑制剂所逆转，而Ser111残基变异模型的AQP4水通透性则不受影响，这一现象提示钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ是通过作用于Ser111残基来增加AQP4的水通透性的。他们发现一种与AQP4分子96～123位置氨基酸残基序列一致的肽并不与钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ发生磷酸化，而是与钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ磷酸化一氧化氮合酶产生的蛋白激酶G进行磷酸化，提示Ser111残基通过钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ被蛋白激酶G磷酸化。此外，研究证明Ser111残基还与OAPs的形成有关[17]。

4.2蛋白质之间的相互作用 AQP4在脑内的表达与肌营养不良蛋白-糖蛋白复合体有关，在α-互养蛋白缺失的小鼠上，星形胶质细胞膜上的AQP4存在错误定位现象，在小脑和大脑皮质紧邻血管的终足细胞膜上的表达显著下降，但在邻近神经毡的细胞膜上的表达超过正常水平，在肌营养不良蛋白缺失的小鼠上也观察到了同样的现象[18]。α-肌营养不良蛋白聚糖是聚集蛋白的一个结合蛋白，是一种细胞外基质中的类肝素硫酸蛋白聚糖，与血脑屏障的形成和维护有关[19]。研究表明，聚集蛋白能增加细胞膜上AQP4的密度，并且对星形胶质细胞终足细胞膜上OAPs结构的形成有重要作用[20]。

4.3AQP4与精氨酸加压素 精氨酸加压素对AQP4的调节作用存在一定的争议。Taya等[21]在颅脑外伤模型中发现，应用精氨酸加压素V1a受体拮抗剂能降低AQP4的表达，从而减轻脑水肿程度。Okuno等[22]和Liu等[23]研究小组得出了完全不同的结论，Okuno等[22]发现应用精氨酸加压素V1a受体拮抗剂能降低缺血/再灌注后AQP4的上调，而Liu等[23]发现应用精氨酸加压素V1a受体拮抗剂能增加缺血/再灌注后AQP4的表达。这两种不同结论的出现，可能是由于给药时间的不同所导致的，进一步说明精氨酸加压素对AQP4的调节作用需要进一步的研究证明。

5 展 望

越来越多的研究表明，星形胶质细胞的功能不仅有营养和支持作用，还参与了中枢神经系统内各种稳态的调节、神经递质的摄取、神经系统发育以及学习、记忆等生理病理过程；另外，星形胶质细胞还能够维护受损组织的完整性，其形态改变后，能够通过调节细胞外隙的体积变化而影响神经元兴奋性。AQP4在星形胶质细胞中是高表达的，它参与调节中枢神经系统水的跨膜运输和水的平衡，在脑水肿的发生、发展和消退中扮演着重要的角色。尽管其详尽的作用机制还不清楚，但是随着分子生物学技术的发展，对AQP4与脑水肿的关系的研究也将日益深入，针对AQP4调控的药物或其他手段将为脑水肿的治疗提供新的方法。

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