肺水通道蛋白与支气管哮喘

丁伟伟 马 啸 李泽庚

·综述 讲座·

肺水通道蛋白与支气管哮喘

丁伟伟 马 啸 李泽庚

肺水通道蛋白；支气管哮喘

水通道蛋白(aquaporins,AQPs)是一组与水的跨膜转运及通透性有关的细胞膜转运蛋白的总称，参与调节水的跨膜转运、维持机体水液代谢平衡。目前为止，在哺乳动物当中共发现13种AQPs，分别被命名为AQP0-12，其中分布于肺组织的有6种，分别为AQP1、3、4、5、8和AQP9，称之为肺水通道蛋白[1-3]。近年来的研究表明，肺水通道蛋白的异常表达与支气管哮喘炎性细胞浸润、气道高反应性、气道黏液分泌及气道重塑等有着密切联系，其参与了哮喘发生、发展、转归等多个环节[4-6]。

1 肺水通道蛋白的结构、分布及生物学功能

1.1 肺水通道蛋白的结构特点 肺水通道蛋白是一组介导水跨膜转运的蛋白质家族，其高级结构由同源四聚体所组成，空间结构有一个特征性的表现即：中心区域为单分子水通道孔径，此单分子水通道孔径由两个高度保守的天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸序列(又称为NPA模序)反复折叠构成，三维结构表现为“沙漏”样特征，能够介导水分子、离子以及气体分子跨膜转运。其中，AQP1、AQP4、AQP5和AQP8为单纯的水通道蛋白家族(又称之为传统的水通道蛋白)，其只介导水分子跨膜转运；而AQP3和AQP9为水-甘油跨膜转运的蛋白通道，除了能够介导水的跨膜转运之外还可以介导甘油、尿素和一些小分子化合物转运，肺水通道蛋白的特殊空间结构为其发挥生物学功能提供了保障[7-9]。

1.2 肺水通道蛋白的分布 AQP1、AQP5在整个呼吸道均有表达，AQP3、AQP4主要在上呼吸道当中表达，而AQP8、9则表达于呼吸道黏膜下腺[10]。Kreda等[11]应用原位杂交和免疫荧光技术进一步明确了其细胞定位，其中AQP1主要表达于呼吸道旁毛细血管内皮细胞、气道上皮细胞顶膜面、支气管黏膜下腺上皮细胞、淋巴管及胸膜脏层的上皮细胞上，也有少量分布于肺泡Ⅱ型上皮细胞顶膜面上；AQP3表达于大气道上皮细胞表层和腺泡的基底细胞膜上；AQP4位于气道上皮、肺泡内皮细胞、Ⅰ型肺泡上皮细胞、纤毛管基底侧细胞膜和腺体细胞基底侧细胞膜；AQP5位于呼吸道上皮表层的柱状上皮细胞顶膜和黏膜下腺腺泡细胞顶膜以及上气道的分泌上皮细胞。同时，肺水通道蛋白的分布还有一个显著性特点，即在同一细胞定位上无两种以上的AQPs重迭分布，这说明了各AQPs在不同层次、不同水平上发挥作用，调节机体水液代谢平衡。

1.3 肺水通道蛋白的生物学功能 肺水通道蛋白在肺组织水液代谢平衡，协调肺泡和肺间质以及肺毛细血管间的水跨膜转运等方面发挥着重要作用，其主要生物学功能包括参与出生时肺泡液体的吸收，急性、亚急性肺损伤时肺水容量的调节及吸入气体的湿化、气道表面液体容量的调节、气道液体的吸收等。Verkman等[12]使用AQP1和(或)AQP5基因敲除的小鼠研究时发现，AQP1或AQP5单独缺失时，肺泡毛细血管间水的通透性下降14～16倍，而两者同时缺失时水的通透能力则下降30倍，这表明AQP1、AQP5在调控肺组织内水的转运及平衡等方面起着重要的作用。孙文江等[13]研究表明AQP4的异常表达与脑组织损伤后的继发性脑水肿关系密切，AQP4参与并介导了脑组织水的转运，其在调控水液代谢方面发挥着重要作用。

2 肺水通道蛋白在支气管哮喘发生发展中的作用

2.1 肺水通道蛋白与气道炎症反应 支气管哮喘是由多种细胞及细胞组分参与的气道慢性炎症性疾病，其中气道慢性炎症反应是支气管哮喘发生发展的病理基础，炎症反应引起的渗出、气道黏液异常分泌均与肺水通道蛋白的异常表达密切相关[14,15]。Towne等[16]研究发现AQP1和AQP5在呼吸道腺病毒感染导致的病毒性肺炎小鼠肺组织中表达降低，首次证明了肺水通道蛋白与肺部感染、炎症反应等有关。同样，Yamamura等[17]研究表明肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-4能够下调小鼠肺组织AQP5的表达，进一步表明AQP5与炎症反应有关，为AQP5参与肺部炎症反应提供了直接证据。唐顺广等[18]的研究证实，AQP1在哮喘急性期的过度表达与炎症反应、水分泌增多相一致，提示AQP1参与了哮喘急性炎症期的发病机制。金嫦娥等[19]研究表明地塞米松能够通过增加AQP4在肺组织的表达而减轻哮喘症状，间接说明了AQP4和哮喘炎症有关。

2.2 肺水通道蛋白与气道高反应性 支气管哮喘是由环境因素和遗传因素所共同引起，近年来的遗传学研究表明人及小鼠的AQP5基因与气道高反应性相关基因在基因定位上存在交叉现象，这提示AQP5与气道高反应性可能存在相关性；进一步的研究表明，与野生型相比，AQP5基因敲除的小鼠经胆碱类药物刺激后气道反应性显著提高，这就直接证明了AQP5减少能够增加气道的反应性，促进哮喘的发生[20]。Krane等[21]研究表明，AQP5缺失型鼠与野生型相比，其气道对乙酰胆碱或乙酰甲胆碱反应更为敏感，更容易引起气道痉挛，但AQP5所导致的气道高反应性的机制仍不清楚。此外，遗传易感性是导致哮喘发生的内在因素，综合分析AQP5基因定位上的特点以及AQP5在气道高反应性当中的作用，可以推测AQP5是哮喘的易感基因之一，或许可作为筛选哮喘易感人群的指标之一，这为今后支气管哮喘的遗传性研究提供了新的方向和线索。

2.3 肺水通道蛋白与气道黏液高分泌 和正常人相比，哮喘患者气道黏液分泌有着明显差异。首先，支气管哮喘患者气道黏液量分泌的增多，包括基础分泌量的增加和黏液吸收的减少；其次，气道黏液成分的改变，包括气道黏液当中黏蛋白含量的增多、水盐比例失衡等。

Chen等[22]研究证实呼吸道黏膜下腺细胞SPC-A1中，RNA干扰AQP5之后，黏蛋白5AC(MUC5AC)的基因表达显著提高119.2%，这说明AQP5在抑制MUC5AC方面发挥着重要作用，能够有效抑制黏蛋白的表达。Shen等[23]使用细菌脂多糖刺激呼吸道黏膜下腺细胞之后，细胞当中的AQP5蛋白表达显著下降，而MUC5AC显著升高，并且发现p38及JNK信号通路可能参与了AQP5及MUC5AC的调节。吴葆菁等[24]研究显示，急性过敏性哮喘小鼠肺组织中AQP5的表达与黏液蛋白的分泌呈正相关，说明AQP5对黏液蛋白的分泌起着重要的调节作用，通过干预AQP5的方法或可以减少气道黏液的分泌，有利于恢复气道的通气功能，减缓哮喘的临床症状。

2.4 肺水通道蛋白与气道重塑 气道重塑是导致支气管哮喘迁延不愈、反复发作的重要因素，也是支气管哮喘临床治疗的难题，因此，如何减缓或者逆转气道重塑的发生成为近年来研究的热点。Saadoun等[25]在豚鼠哮喘模型当中发现外周血嗜酸性粒细胞(EOS)AQP1的表达较肺泡灌洗液中EOS的AQP1的表达显著提高，这说明EOS有可能通过增加表达AQP1来加速向肺黏膜下组织的迁移，进而介导气道重塑的发生。Kaneko等[26]研究发现微血管的缺氧损伤能够刺激AQP1在微血管内皮细胞的表达，进而促进血管再生及气道重塑的发生。Cao等[27]研究认为AQP3高表达于人体皮肤的肌纤维母细胞上，当人体伤口愈合时，可以加速肌纤维母细胞从伤口周围向伤口迁移，促进伤口修复，这为AQP3参与气道重塑提供了直接证据。

3 展望

肺水通道蛋白的异常表达参与了支气管哮喘发生发展的多个环节，并扮演着重要角色、发挥着重要作用。然而，诱导支气管哮喘发病的因素是通过何种途径导致了肺水通道蛋白的异常表达以及肺水通道蛋白又是如何介导了支气管哮喘的发生，其分子生物学作用机制目前还不是十分清楚。随着现代技术的不断提高和对肺水通道蛋白的深入研究，如RNA干扰技术、肺水通道蛋白特异性阻断剂等，人们对肺水通道蛋白与支气管哮喘的关系必将产生新的认识。同时，随着现代科学技术的不断提高和人们对肺水通道蛋白研究的不断深入，也必将为开发更加有效的支气管哮喘临床治疗药物提供新的理论依据和思路。

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(2014-11-16 收稿 2015-01-26修回)

国家自然科学基金项目(项目编号：81373598)

230031 合肥 安徽中医药大学

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10.3969/j.issn.1000-0399.2015.06.042