水通道蛋白与胃肠道疾病关系研究进展

赵凯科，郑 立，毛智斌，刘太宇,*

(1.河南农业大学牧医工程学院,河南郑州 450000;2.河南牧业经济学院,河南郑州 450000)



水通道蛋白与胃肠道疾病关系研究进展

赵凯科1，郑 立2，毛智斌1，刘太宇1,2*

(1.河南农业大学牧医工程学院,河南郑州 450000;2.河南牧业经济学院,河南郑州 450000)

水通道蛋白作为一种高度水透性的膜蛋白，广泛存在于动、植物的细胞膜上。它不仅对机体的水平衡具有重要的作用，而且临床许多疾病的发生都与它的异常表达密切相关，因此，论文就水通道蛋白在胃肠道中的分布及与胃肠道疾病的关系做一综述，以期为防治胃肠道疾病药物的发展提供参考。

水通道蛋白；胃肠道；分布；疾病

长期以来，普遍认为水分子转运是以简单扩散的方式透过脂质双分子层来完成的，但是扩散的速度非常慢。然而，大量研究表明，哺乳动物的许多组织需要更快速的转运细胞内外水分子，且部分细胞(红细胞、肾小管上皮细胞)对水的通透性明显高于其他组织，因此，科学家们设想生物器官的细胞膜上可能存在快速转运水的跨膜蛋白。水通道蛋白(aquaporins,AQPs)是一类结构和功能类似的选择性介导水分子高效转运的膜蛋白，目前，在哺乳动物组织中已经发现13种水通道蛋白(AQP0～12)[1-2]。研究表明，水通道蛋白在消化系统中广泛表达，水通道蛋白1、3、4、8、9在远端小肠和近端结肠高表达，提示胃肠道水的吸收和分泌与水通道蛋白的分布密切相关[3-4]。许多胃肠道疾病如腹泻、胃炎、便秘、胃癌等疾病发生发展的本质是胃肠道水代谢动态平衡的紊乱，因此，水通道蛋白在胃肠道的异常表达与疾病的发生密切相关。Guttman J A等[5]研究表明，改变AQP2、AQP4在小鼠肠道的分布可引起小鼠腹泻；Ikarashi N等[6]研究发现，AQP3在泻药硫酸镁引起小鼠腹泻中起着至关重要的作用，可调节结肠粪便中的含水量。本文就水通道蛋白在胃肠道的分布及与胃肠道疾病的关系进行阐述。

1 AQPs的概述及分类

1988年，Agre B M等[7]首次从人类红细胞和肾小管中纯化分离出一种分子质量为28ku的内在蛋白，将其命名为类通整合蛋白(channel-like integral membrance protein,CHIP28)，1992年，Preston等通过试验证实CHIP28具有极强的水通透性，后被基因组委员会定名为AQP1。之后各国科学家针对水通道蛋白的结构与功能、在体内各组织的分布等进行深入研究，陆续发现13种水通道蛋白(AQP0～12)，这些蛋白相互之间具有19%～52%氨基酸序列同源性[8]。AQPs广泛分布在动物、植物、微生物的细胞膜上，对机体内各部位液体转运及分泌起重要作用。蛋白质的功能是通过其结构来实现的，目前，人们对AQPs的结构进行了大量的研究，已经非常明确[9]，AQPs是一组各亚型之间蛋白序列和三维结构非常相似的高度保守的疏水蛋白质，在双磷脂膜中，4个AQP1分子在细胞膜中构成一个四聚体，每个水蛋白通道单体的中心存在1个只允许1个水分子通过的孔道，其氨基端和羧基端位于胞内，这些结构决定AQPs对水高渗透而不转运质子[10]。水分子的转运不需要消耗能量，水通道蛋白处于持续开放状态，水通道两侧的渗透压决定水分子通过水通道的移动方向，从渗透压低的一侧向渗透压高的一侧移动。

根据水通道蛋白对物质转运的专一性，将其分为两个亚家族：一类为专一的水选择性通道蛋白，包括AQP1、2、4、5、6，其在基因结构上类似，且只允许水分子通过；另一类是水-甘油通道蛋白，主要有AQP3、7、9、10，除对水分子通透外，对尿素、甘油、嘌呤等中性小分子也具有通透性。AQP8在基因结构上与上述两个亚族都不同，且对水和中性小分子都有通透性，可能成为水通道蛋白的第3个亚族。

2 水通道蛋白在胃肠道中的分布、表达及功能

水通道蛋白是一种内在跨膜蛋白，在低能量下，允许水快速通过上皮细胞，广泛存在于原核和真核生物细胞膜上。水通道蛋白在哺乳动物的多种组织中均有表达，尤其在与体液分泌和吸收密切相关的上皮细胞和内皮细胞内高效表达，而消化系统是机体内体液分泌和吸收最活跃的组织，因此，水通道蛋白在消化系统水运输中起着重要的作用，其在消化系统中的分布及与消化系统疾病的关系备受关注。消化系统的主要功能是对食物的消化吸收，为机体提供物质能量，其由消化腺及消化道两部分组成。而胃肠道是消化道中营养吸收的主要器官，因此水通道蛋白在胃肠道中的正常表达对其有重要的调节作用，目前，通过免疫组化、real-time PCR、免疫荧光、原位杂交等方法[11]已经证实至少有7种水通道蛋白在胃肠道分布表达，主要有AQP1、AQP2、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8、AQP9。这些AQPs在胃肠道生理病理发生发展过程中起着重要的作用。

AQP1主要分布在胃肠道黏膜下层和固有层淋巴管的内皮细胞上，其在唾液腺、胰腺导管上也有分布[12]，与唾液腺的分泌、胆汁浓缩、结肠水分吸收等都密切相关。AQP1在从食管到结肠的整个消化道均有表达，尤其在小肠中段、回肠和近端结肠上皮细胞表达尤为明显。AQP1可能促进水肿的形成和消除，并在肠道脂肪的消化吸收中起到重要作用。此外，AQP1还可调节耳内的水平衡。

AQP2存在表达于肾脏集合管和远曲小管细胞，其中在脑、睾丸、内耳的内淋巴囊上皮细胞也有一定的分布表达[13]，是目前唯一在胞内和顶质膜存在受激素调控的水通道蛋白。接受血管加压素作用后，可通过囊泡与顶质膜的融合使AQP2转移到细胞膜上，增加细胞膜的水通透性。此外，AQP2可参与正常听觉的维持，并对肾脏的水平衡起着调节作用。

AQP3主要分布在远端结肠细胞顶部与胃贲门腺黏膜上皮细胞的基底外侧膜。AQP3在回肠、胃底腺壁细胞、小肠中段上皮细胞高表达，然而在盲肠、空肠、食管上皮细胞低表达。在结肠中，AQP3不仅促使结肠细胞对水的吸收，也可增强其对尿素和甘油的转运。此外，血管活性肠肽、心钠素、脑钠素可上调AQP3的增加对水的通透性，并在组织损伤后屏障修复功能中起关键性作用[14]。

AQP4主要分布在胃底腺壁细胞的基侧膜及有选择的分布在小肠隐窝细胞的基底侧膜，然而在结肠全段均有分布。AQP4在胃底腺壁细胞、回肠、近端结肠高表达，在食管、空肠几乎不表达。AQP4对保持胃黏膜完整起到重要的作用[15]，也可促进结肠对水的渗透，参与结肠对水的转运及结肠液体的分泌[16]。

AQP5主要分布在泪腺、唾液腺及肺组织中，而在外分泌腺的上皮细胞、角膜上皮细胞的顶质膜和肺泡上皮细胞也有分布。AQP5在支气管黏膜下腺中浆液腺泡上皮细胞的顶质膜和肺泡Ⅰ型细胞高表达，而在肾脏、小肠、脑等部位几乎不表达。AQP5参与水转运，可以促进由于渗透压的改变而引起水的快速转运，而在快速清除肺泡内液方面也起到重要的作用，还参与腺体分泌，并与气道高反应性有关，同时是肺泡上皮细胞分化的标志。

AQP8分布在十二指肠、空肠、近端结肠吸收上皮细胞的顶质膜。原位分子杂交技术结果显示AQP8在空肠、近端结肠、十二指肠均高表达，在胃和远端结肠微量表达。AQP8参与空肠和结肠大量水分子的转运，并对其起重要作用，此外，AQP8在肝细胞胆汁的分泌方面也起到一定作用。

原位杂交试验及免疫组化检测发现AQP9主要分布在肝实质细胞的窦状隙表面以及肠道表面，在近端小肠、远端小肠、近端结肠呈高表达，AQP9在肠道的分布、表达与肠道各部位吸收分泌功能及水电解质转运程度有一定的关系[17]。此外，AQP9参与肠内保护肠黏膜及促进肠内容物运动的黏液的合成与分泌，对胆汁的转运也起到重要的作用。

3 水通道蛋白与胃肠疾病的关系

3.1 腹泻

水通道蛋白在正常的生理状态下，维持着肠道水分子吸收和分泌的平衡，当出现严重腹泻时，水通道蛋白通过表达量增加或减少来调节细胞内外水分的吸收并且参与肠道液体的分泌。Cao M等[3]用轮状病毒攻毒法致小鼠腹泻模型，Western blot结果显示，腹泻组小鼠AQP1、AQP3、AQP4、AQP8在空肠的表达与正常小鼠组比较基本无变化，然而在结肠的表达显著降低，提示水通道蛋白在结肠的异常表达与腹泻密切相关。Corporation H P等[18]发现大黄单宁可通过减少腹泻小鼠结肠上皮细胞顶端和侧黏膜AQP2，AQP3的mRNA和蛋白质表达来减轻腹泻症状。Yamamoto T等[19]研究发现，在过敏性腹泻中，近端结肠AQP4、AQP8的表达明显下调。Ikarashi N等[20]发现在结肠中使用硫酸镁引起的分泌性腹泻，AQP3表达升高，促进对水的渗透。这些研究结果显示不同的腹泻类型促使机体调节方式不同，也进一步表明AQP1、AQP3、AQP4和AQP8在结肠的表达异常均可引起腹泻。其可能的作用机制有：①在一些因素的作用下，水通道蛋白活性发生改变或具有功能性的水蛋白通道数目发生变化；②在转录水平上进行调控，促使水通道蛋白mRNA和蛋白表达量发生变化，同时也有可能通过对钠钾三磷酸腺苷酶和蛋白激酶C的调控来影响水通道蛋白的表达。

3.2 便秘

水通道蛋白在结肠上皮细胞中不仅具有吸收水分子的功能，同时也具有分泌黏液保护和润滑肠道的作用。当前普遍认为水通道蛋白表达异常可引起水分的过度吸收及肠黏液分泌减少，进而引起便秘的发生。Ishihara E等[21]研究发现，在链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠模型中，AQP1免疫神经源性显著增高，说明AQP1在糖尿病胃肠道障碍(便秘)中起着重要的作用。钱海华等[22]研究显示，通便颗粒中、高剂量能不同程度的减少AQP3和AQP8的表达，进而改善便秘大鼠的排便功能。提示可能由于通便颗粒减少AQP3和AQP8的表达后，减缓了肠腔内的水分子进入血管内，进而改善了肠腔内分泌环境。AQP9在左半结肠的表达明显高于右半结肠，AQP9在左半结肠有分泌黏液的作用，研究发现便秘患者左半结肠AQP9表达显著降低，表明AQP9的异常表达与便秘关系密切[23]。由上述研究可得出，AQP1、AQP3和AQP9在各个相应部位的异常表达可引起便秘，同时也为治疗便秘提供了新的切入点。

3.3 结肠炎与结肠癌

结肠炎是由于盐类、水分吸收与分泌发生紊乱引起的，而维持水分子的吸收与分泌是水通道蛋白的主要功能。因此，研究水蛋白通道对结肠炎的影响具有重要的意义。Ricanek P等[24]报道，溃疡性结肠炎患者，其AQP8mRNA的表达水平显著降低，结果显示肠道炎症和水/溶质体内平衡之间有密切关系，而AQP可能在病理生理学中发挥重要作用。Hardin J A等[25]对不同类型的结肠炎模型研究发现，水通道蛋白的表达明显下调与炎症活性的大小及结肠黏膜的损伤有一定关系。结肠肿瘤生长过程中，新陈代谢会加快，表现出对水分子的需求增加，造成了水通道蛋白表达异常。Fischer H等[26]和李建强等[27]发现，AQP8在结肠癌组织中极少表达，可作为结肠上皮细胞正常分化的标志。并通过体外过表达AQP8发现，其具有抑制HT-29细胞生长，促进HT-29凋亡的作用。上述研究表明，水通道蛋白不仅参与结肠炎与结肠癌的分泌代谢，对治疗结肠肿瘤也有一定作用。同时也说明无论是结肠炎还是结肠癌，都会通过改变肠腔的内环境影响水通道蛋白的表达，这也为水通道蛋白作为潜在靶点治疗结肠炎和结肠癌提供了依据。

4 展望

随着分子生物学及基因工程的迅速发展，人们对AQPs的分布与功能、分子结构、作用机制、表达及调节等的研究已经取得一定的进展，而人们对水通道蛋白功能的异常紊乱引起的一系列疾病也逐渐受到重视。深入研究AQPs，对于阐明某些AQPs代谢疾病的发病机理可起到一定的作用，并对今后研制出相应的药物奠定理论基础；同时对于某些其他疾病(如脑水肿，高血压，心肾功能衰竭，青光眼等)发病机制的认识还起到促进作用，也就为临床治疗提供了更为有效的途径和方法。另外，大量研究表明,水通道蛋白功能异常表达与肿瘤的生长及转移有密切的关系，因此，研究调控水通道蛋白相关的药物在治疗肿瘤方面可以成为一个新的突破点。对于AQPs的分布与代谢疾病的分子致病机制有待进一步研究，这将对以后相关疾病的治疗提供更多的理论依据与广阔的途径和方法，并使其广泛应用于临床和其他领域。

[1] Damiano A E.Review:water channel protein in the human placenta and fetal membranes[J].Placenta,2011(2):207-211.

[2] 崔 瞻.感染性休克对大鼠肠上皮水通道蛋白8表达的影响[J].医药论坛杂志,2014,10(35):21-23.

[3] Cao M,Yang M,Ou Z,et al.Involvement of aquaporins in a mouse model of rotavirus diarrhea[J].Virol Sinica，2014,29(4):211-217.

[4] Sorani M D,Zador Z,Hurowit Z E,et al.Novel variants in humuan aquaporin-4reduce cellular water permeability[J].Hum Mol Genet,2008,17(14):2379-2389.

[5] Guttman J A,Samji F N,Li Y,et al.Aquaporins contribute to diarrhoea caused by attaching and effacing bacterial pathogens[J].Cell Microbiol,2007(9): 131-141.

[6] Ikarashi N,Baba K,Ushiki T,et al.The laxative effect of bisacodyl is attributable to decreased aquaporin-3expression in the colon induced by increased PGE2secretion from macrophages[J].Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol,2011,301: G887-G895.

[7] Denker B M,Smith B L,Kuhajda F P,et al.Identification,purification,and partial characterization of a novel Mr 28,000integral membrane protein from erythrocytes and renal tubules[J].J Biol Chem,1988,263(30): 15634-15642.

[8] 张乐颖，王加启，卜登攀，等.水通道蛋白研究进展[J].中国畜牧兽医，2008，35(11)：29-31.

[9] Wu B,Beitz E.Aquaporins with selectivity for unconventional permeants[J].Cell Mol Life Sci,2007,64:2413-2421.

[10] 檀俊涛,王 喆,梁 良,等.肺水通道蛋白的研究进展[J].河北医药,2013,35(12):1889-1890.

[11] Yang B,Ma T,Verkman A S.Erythrocyte water permeability and renal function in double nockout mitt lacking aquaporin-1and aquaporin-3[J].J Biol Chem,2001,276(1):624-628.

[12] Matsuzaki T,Tajika Y,Ablimit A,et al.Aquaporins in the digestive system[J].Med Electron Microsc,2004,37(2):71-80.

[13] M hatre A N,Jero J,Chiappini I,et al.Aquaporin-2expression in the mammalian cochlea and investigation of its role in Meniere's disease[J].Hear Res,2002,170:59.

[14] 许海波.水通道蛋白-3的研究进展[J].四川解剖学杂志,2006,14(2):28-31.

[15] 赵 琼,陈 为,汤朝晖,等.水通道蛋白4与胃肠疾病[J].辽宁中医药大学学报,2010,12(1):35-37.

[16] Hardin J A,Wallace L E,Wong J F,et al.Aquaporin expression is doen-regulated in a murine model of colitis and in patients with ulcerative colitis,crohn,s disease and infectious colitis[J].Cell Tissue Res,2004,318(2):313-323.

[17] 张婧敏,张春雷,陈 宏,等.水通道蛋白9的研究进展[J].中国牛业科学，2014,40(4):39-41.

[18] Corporation H P.Rhubarb tannins extract inhibits the expression of aquaporins 2and 3in magnesium sulphate-induced diarrhoea model[J].Biomed Res Int，2014,2014(1):90-106.

[19] Yamamoto T,Kuramoto H,Kadowaki M.Down regulationin aquaporin 4and aquaporin 8expression of the colon associated with the induction of allergic diarrhea in a mouse model of food allergy[J].Life Sci,2007,81: 115-120.

[20] Ikarashi N.The elucidation of the function and the expression control mechanism of aquaporin-3in the colon[J].Yakugaku Zasshi J Pharmaceu Soc Japan,2013,133(9):955-961.

[21] Ishihara E,Nagahama M,Naruse S,et al.Neuropathological alteration of aquaporin 1immunoreactive enteric neurons in the streptozotocin-induced diabetic rats[J].Auton Neurosci,2008,138: 31-40.

[22] 钱海华,徐天舒,曾 莉,等.通便颗粒调节慢传输型便秘大鼠结肠水通道蛋白3,水通道蛋白8表达的研究[J].中国实验方剂学杂志,2014,20(24):180-184.

[23] 冉 吕,梅浙川.水通道蛋白9与消化系统疾病[J].检验医学与临床,2013,8(10):1000-1002.

[24] Ricanek P,Lunde L K,Frye S A,et al.Reduced expression of aquaporins in human intestinal mucosa in early stage inflammatory bowel disease.[J].Clin Exp Gastroenterol,2015,8:49-67.doi: 10.2147/CEG.S70119.

[25] Hardin J A,Wallace L E,Wong J E,et al.Aquaporin expression is down-regulated in a murine model of colitis and in patients with ulcerative colitis,Crohn’s disease and infectious colitis[J].Cell Tissue Res,2004,318(2):313-323.

[26] Fischer H,Stenling R,Rubio C,et al.Differential expressio of aquaporin 8in hunman colonic epithelial cells and colorectal tumors[J].BMC Physiol,2001(1):1.

[27] 李建强,张宏蕊,石晓明,等.水通道蛋白-8对结肠癌细胞凋亡及凋亡抑制蛋白的影响[J].河北医药,2014,36(22):3378-3381.

Progress on Relationship between Aquaporins and Gastrointestinal Disease

ZHAO Kai-ke1,ZHENG Li2,MAO Zhi-bin1,LIU Tai-yu1,2

(1.CollegeofAnimalScienceandVeterinaryMedicine，HenanAgriculturalUniversity，Zhengzhou，Henan，450000，China；2.HenanUniversityofAnimalHusbandryandEconomy,Zhengzhou，Henan，450000，China)

Aquaporins(AQPs) as a high water permeability of membrane protein,exists widely in plant and animal cell membranes.It not only has an important effect on the water balance,but also many clinical diseases are closely related to its abnormal expression.Therefore,in order to provide ideas for drug development of gastrointestinal tract diseases,the distribution of AQPs in the gastrointestinal tract and the relationship with the gastrointestinal tract diseases were reviewed in this article.

aquaporins(AQPs); gastrointestinal tract；distribution; disease

2015-05-27

郑州重点科技攻关项目(2012ZZKJ006);河南省重大科技专项(121100111000)；郑州牧专博士启动资金(2009DF003)

赵凯科(1989-)，男，河南驻马店人，硕士研究生，主要从事反刍动物营养生理学研究。*通讯作者

Q55;S856.4

A

1007-5038(2016)01-0077-04