水通道蛋白与神经变性疾病

方鑫

水通道蛋白（aquaporins，AQP）是一种位于细胞膜上的蛋白质，在人体组织中广泛分布，其主要作用是控制水分子的跨细胞膜转运。大脑内发现的 AQP有 AQP1、AQP2、AQP3、AQP4、AQP5、AQP7、AQP8、AQP9、AQP11［1］。脑内表达较多的水通道蛋白主要是 AQP4、AQP1和 AQP9［2］。其中，AQP4是脑内最重要AQP，在靠近脑毛细血管的星形胶质细胞、突触周围间隙和郎飞氏结均有表达，AQP4可清除神经元活动中释放的K＋；AQP1在脉络丛上皮细胞中表达，参与脑脊液形成；AQP9存在于星形胶质细胞和神经元亚群，参与大脑能量代谢［2］。AQP在视神经脊髓炎、癫痫、脑水肿等神经系统疾病中的作用已有较多研究。目前AQP与神经变性疾病方面的研究受到越来越多的关注，神经变性疾病主要以进行性认知障碍和运动障碍为临床表现，在全世界范围内有数百万人受累［3］。本文对近年来AQP在常见神经变性疾病，如肌萎缩侧索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）、帕金森病（Parkinson disease，PD）和阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）相关的研究进展进行综述。

1 ALS

ALS是累及上、下运动神经元的进行性、致死性神经变性疾病，一般在确诊后3～5年中死亡。目前有观点认为运动神经元的功能障碍和运动神经元死亡与星形胶质细胞及胶质细胞环境改变密切相关。AQP4是哺乳动物大脑主要的AQP，其主要定位于星形胶质细胞质膜。Nicaise等［4］发现AQP4mRNA和蛋白水平在超氧化物歧化酶（SOD1）突变转基因大鼠模型疾病末期的脊髓灰质特异性高表达，脊髓灰质中上调的AQP4围绕分布在血管和运动神经元胞体周围，而在白质则未发现这种变化。另外，血－脑脊液屏障内侧的星形胶质细胞终足富含AQP4和内向整流钾通道（Kir）4.1这两种通道蛋白。AQP4和Kir4.1两种通道蛋白具有维持血－脑脊液屏障星形胶质细胞的功能，在突变型SOD1（G93A）转基因大鼠模型的脑干和皮层AQP4上调，同时Kir4.1表达减少，这表明星形胶质细胞维持水和钾平衡的功能受损，从而影响血－脑脊液屏障、破坏神经元的微环境，导致运动神经元功能障碍和死亡［5］。另一方面，AQP4在ALS患者骨骼肌表达减少，有研究显示大鼠失神经支配的肌肉AQP4表达出现明显且迅速的下降，表明再生阶段骨骼肌中AQP4的表达需要由神经传送［6］。到目前为止，ALS骨骼肌中AQP4的功能还不完全清楚，AQP4与肌肉病理之间的相关性研究方面的资料较少，有待进一步研究。

2 PD

PD是第二大神经变性疾病，在中老年人群多见，65岁以上人群PD患病率约为1%，PD的年发病率为（13.5～13.9）／10万人，75～85岁人群患病率为3100／10万，大于85岁人群患病率为4300／10万［7］。中脑黑质多巴胺能神经元选择性丢失为PD的特征性病理改变。有研究显示，在1－甲基－4－苯基－1，2，3，6－四氢吡啶（1－methyl－4－phenyl－1，2，3，6－tetrahydropyridine hydrochloride，MPTP）诱导的PD小鼠模型，MPTP给药后AQP4缺失的星形胶质细胞增殖和胶质细胞源性神经营养因子（GDNF）蛋白合成被抑制；与野生型小鼠相比，缺乏AQP4的突变小鼠对MPTP诱导的神经毒性更敏感［8］。AQP4通过降低活性氧簇（ROS）的产生及减少其相关药物代谢酶细胞色素P4502E1（CYP2E1）的表达，从而逆转1－甲基－4－苯基吡啶（1－methyl－4－phenylpyridinium，MPP＋）和脂多糖诱导的星形胶质细胞损害而发挥保护机体细胞的作用［9］。Subburaman 等［10］发现，与健康对照相比，PD患者血液来源的AQP4mRNA表达减少，且AQP4mRNA表达在PD不同阶段无明显变化。Küppers等［11］研究多巴胺对纹状体来源的原代星形胶质细胞体外增殖的影响，采用siRNA技术基因敲除AQP4后，发现由多巴胺诱导的星形胶质细胞增殖减少，由此推测调控AQP4可能成为一种治疗PD胶质增生的策略，AQP4能调控胶质增生，减少胶质瘢痕形成。但是亦有研究结果显示AQP4基因敲除小鼠体外星形胶质细胞增殖无变化，甚至还有研究发现以siRNA干预体外培养的星形胶质细胞增殖减少70%左右，因此，多巴胺具有调控AQP4表达的作用尚需要体内研究来进一步证实［3］。

3 AD

AD是老年人最常见的神经变性疾病，病情呈进行性发展，以痴呆、认知功能障碍为主要临床表现。AD的特征性病理改变为老年斑和神经原纤维缠结，其中老年斑的主要成分为β淀粉样蛋白（Aβ）。有研究显示，AD大脑存在离子和水平衡障碍，而且AQP1和AQP4在AD脑内均存在异常表达，Aβ沉积可能通过干扰星形胶质细胞的水通道功能引起脑组织中水平衡异常［3］。目前有观点认为血－脑脊液屏障破坏参与了AD的病理进程，而星形胶质细胞是血－脑脊液屏障的重要组成部分，星形胶质细胞层粘连蛋白丢失使得AQP4和紧密连接蛋白表达减少，导致血－脑脊液屏障的破坏［12］。Pérez等［13］发现，采用免疫组化方法可见在AD早期星形胶质细胞AQP1表达上调，免疫荧光双标和共聚焦显微镜发现，AQP1在胶质纤维酸性蛋白（GFAP）星形胶质细胞表面免疫反应阳性，从而将AQP1表达定位于星形胶质细胞。Hoshi等［14］通过免疫组化分析发现AQP1阳性星形胶质细胞在AD大脑皮质比健康对照组显著增多，其分布靠近Aβ42或Aβ40阳性的老年斑。但AQP1阳性星形胶质细胞在Aβ丰富的脑区极少观察到，半定量评估发现AQP1水平与Aβ42水平呈负相关。Hoshi等［14］还发现 AQP4分布与 Aβ42阳性或Aβ40阳性的老年斑有关联，AQP4围绕Aβ40阳性血管表达，且其表达水平是可变的。该研究结果表明AQP1阳性反应性星形胶质细胞可能改变Aβ在AD大脑内的沉积，而且Aβ沉积过程亦可能会改变AQP4在星形胶质细胞的表达。

综上可见，AQP转运水分子，参与机体神经变性疾病的生理和病理生理过程。迄今为止AQP在常见神经变性疾病中作用的相关研究较少，尚无脊髓小脑变性、Huntington病及球脊肌萎缩症等神经变性疾病与AQP的相关性研究，处于有待进一步探索的阶段。

［1］Benga O，Huber VJ.Brain water channel proteins in health and disease［J］.Mol Aspects Med，2012，33（5－6）：562－578.

［2］Zelenina M.Regulation of brain aquaporins［J］.Neurochem Int，2010，57（4）：468－488.

［3］Foglio E，Rodella LF.Aquaporins and neurodegenerative diseases［J］.Curr Neuropharmacol，2010，8（2）：112－121.

［4］Nicaise C，Soyfoo MS，Authelet M，et al.Aquaporin－4overexpression in rat ALS model［J］.Anat Rec （Hoboken），2009，292（2）：207－213.

［5］Bataveljic D，Nikolic L，Milosevic M，et al.Changes in the astrocytic aquaporin－4and inwardly rectifying potassium channel expression in the brain of the amyotrophic lateral sclerosis SOD1（G93A）rat model［J］.Glia，2012，60（12）：1991－2003.

［6］Benga I，Benga O.Implications of water channel proteins in selected neurological disorders：epilepsies，muscular dystrophies，amyotrophic lateral sclerosis，neuromyelitis optica，Parkinson’s disease，and spongiform encephalopathies［J］.Mol Aspects Med，2012，33（5－6）：590－604.

［7］Schapira AH，Olanow CW，Greenamyre JT，et al.Slowing of neurodegeneration in Parkinson’s disease and Huntington’s disease：future therapeutic perspectives［J］.Lancet，2014，384（9942）：545－555.

［8］Fan Y，Kong H，Shi X，et al.Hypersensitivity of aquaporin 4－deficient mice to 1－methyl－4－phenyl－1，2，3，6－tetrahydropyrindine and astrocytic modulation［J］.Neurobiol Aging，2008，29（8）：1226－1236.

［9］Hao C，Liu W，Luan X，et al.Aquaporin－4knockout enhances astrocyte toxicity induced by 1－methyl－4－phenylpyridiniumion and lipopolysaccharide via increasing the expression of cytochrome P4502E1［J］.Toxicol Lett，2010，198（2）：225－231.

［10］Subburaman TT，Vanisree AJPD.Oxidative pathology and AQP4mRNA expression in patients of Parkinson’s disease in Tamil Nadu［J］.Ann Neurosci，2011，18（3）：109－112.

［11］Küppers E，Gleiser C，Brito V，et al.AQP4expression in striatal primary cultures is regulated by dopamine—implica－tions for proliferation of astrocytes［J］.Eur J Neurosci，2008，28（11）：2173－2182.

［12］Yao Y，Chen ZL，Norris EH，et al.Astrocytic laminin regulates pericyte differentiation and maintains blood brain barrier integrity［J］.Nat Commun，2014，5：3413.

［13］Pérez E，Barrachina M，Rodriguez A，et al.Aquaporin expression in the cerebral cortex is increased at early stages of Alzheimer disease［J］.Brain Res，2007，1128（1）：164－174.

［14］Hoshi A，Yamamoto T，Shimizu K，et al.Characteristics of aquaporin expression surrounding senile plaques and cerebral amyloid angiopathy in Alzheimer disease［J］.J Neuropathol Exp Neurol，2012，71（8）：750－759.