水通道蛋白的发现历程及与人类疾病的关系概述

周园园 李卫国

(河南师范大学生命科学学院 新乡 453007)

水通道蛋白(aquaporins, AQPs)是存在于细胞膜上的一种高效转运水分子的特异通道蛋白，广泛存在于动物、植物和微生物中[1]，与水的转运和细胞内外水平衡密切相关，它的发现和相关研究工作完善了水分子跨膜运输方式的认识。从AQPs被发现至今的20多年间，随着生物学技术的蓬勃发展，对水通道蛋白的研究已较为深入，尤其是多种水通道蛋白相关疾病的发病机制的揭示，为新疗法的研发提供了实验资料和基础理论。

1 水通道蛋白的发现

水通道蛋白是于1988年由美国约翰霍普金斯大学医学院的科学家彼得·阿格雷(Peter Agre)发现的。同大多科学研究一样，水通道蛋白的发现历程艰辛而又漫长。20世纪20年代以前，人们大都认为水分子仅以自由扩散方式透过细胞膜。但后来发现，肾近端小管等具有强烈吸水功能的组织吸水量大且快捷，提示这类组织不可能只通过简单的自由扩散方式进行水分的快速和大量的吸收。1950年，科学家Solomon通过菲克第一定律测出细胞膜对水的通透性远高于人造脂质体[2]，于是提出细胞膜上可能有调控水分子和其他小分子溶质进出细胞的某类通道。之后的多年间，科学家们经过反复实验，证实只有水分子能快速大量透过选择性通道进入红细胞以及肾脏、膀胱等组织中。尽管科学家们一直尝试从红细胞等细胞中找到并分离出水通道蛋白，但都无功而返，研究便陷入瓶颈。

直到1988年Agre和他的同事在进行分离提纯兔Rh血型抗原蛋白并试图纯化分子量为30 kDa的Rh蛋白质时，非常偶然地从红细胞上分离出一种新的28 kDa膜蛋白，原本猜想这是Rh蛋白的水解污染物，但通过测试发现此物质是一种跨膜寡聚蛋白，与Rh抗原无关，这推翻了他们之前的猜测。Agre及其团队对这种新型蛋白产生了浓厚兴趣，开始深入研究。随后发现该蛋白在红细胞及肾近端小管上皮细胞中含量很丰富，每个细胞中含有大约20万个分子，并和磷脂双分子层紧密结合[3]。1991年Agre测定了28 kDa蛋白的分子结构，完成其cDNA的克隆[4]，测序表明它与MIP269(major intrinsic protein)有较高相似性。但当时并不知道该蛋白的功能，只是怀疑其可能为运输水分的通道蛋白，因而命名为通道样内在膜蛋白28(channel-like integral membrane protein of 28 kDa, CHIP28)。

1992年Agre利用对水扩散作用非常小的爪蟾卵母细胞进行实验，把CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾卵母细胞，72 h后CHIP28蛋白大量表达。然后置于低渗溶液中观察，结果发现非洲爪蟾卵母细胞迅速膨胀并破裂，较之未注射mRNA的卵母细胞发生了明显的变化[5]。这项实验证实了之前的推测，CHIP28蛋白实质是水通道。这个结论一经发表，受到了多方质疑，怀疑者认为CHIP28只是一种水通道调节器，而非水通道蛋白本身。Agre及其团队为了强有力地回应质疑，两年后他们通过脂质体实验测定了CHIP28的活化能、渗透系数以及对HgCl等抑制剂的敏感性等[6]，终于证实这种CHIP28蛋白为专一性水通道蛋白，并被重新命名为aquaporin。由于CHIP28是首个被鉴定的水通道蛋白，因此称为aquaporin1，简称AQP1。目前在哺乳动物体内已知的AQP家族成员有13种(AQP0～AQP12)，它们在不同的表达部位展现出特殊的生理作用。

2 水通道蛋白与人类疾病的关系

2.1 水通道蛋白与多囊肾病 多囊肾病是一种常见的遗传疾病，以双肾出现多个囊肿为特征。肾脏是体内AQPs含量最高的组织，AQPs通过调节细胞体积和内部渗透压，在多囊肾病的形成过程中产生重要影响。早期Bachinsky[7]的研究显示，AQP2在多囊肾病不同阶段的表达各不相同，且AQP2的表达影响囊泡增大。阚秀芳等[8]的研究表明，幼年肾囊肿(juvenile cystic kidneys, JCK)多囊肾小鼠肾囊泡上皮细胞表达AQP2、AQP3和AQP4，肾囊泡上皮细胞AQPs的表达受到抑制，可减缓肾囊泡液体分泌和增生。AQPs作为治疗多囊肾病的新靶点，前景十分广阔。

2.2 水通道蛋白与胃肠道疾病 很多胃肠道疾病发生的本质是胃肠道水代谢平衡紊乱，出现严重腹泻时，AQPs通过表达量增加或减少来调节细胞内外水分的吸收，并且参与消化道液体的分泌。Diana等[9]发现感染了柠檬酸杆菌的小鼠，其肠道中AQP4和AQP8的表达上调，水和电解质转运功能紊乱，最终造成肠道炎症和腹泻。Guttman等[10]也发现改变AQPs在小鼠肠道的分布是导致细菌感染性腹泻的一个因素，这些结果表明AQPs的表达异常可引起腹泻。

2.3 水通道蛋白与肺部疾病 肺是水液交换的又一重要脏器，AQPs含量丰富。Krane等[11]研究了在过敏原和白细胞介素-13(interleukin-13, IL-13)诱导哮喘小鼠模型中AQP mRNA和蛋白的表达，发现在过敏原模型中AQP1、AQP4、AQP5 mRNA表达下调，而在IL-13模型中AQP3表达上调，说明AQP与这两种类型哮喘的基因表达有关；Dong等[12]也发现抗哮喘药物可通过上调AQP1和AQP5表达进而减轻哮喘肺水肿。因此，通过探讨AQP在肺中的生理病理机制，可寻找治疗肺病的新方法。

2.4 水通道蛋白与脑水肿 研究表明，AQP4是主要在脑组织中表达的水通道蛋白，在一系列脑水肿的病理过程中都有它的身影。Manley等[13]最早发现了AQP4和脑水肿有关：缺失AQP4的小鼠与普通小鼠相比，毒性脑水肿病死率低，且康复可能性更大。Papadopoulos等[14]的研究表明，缺乏AQP4的小鼠患肺炎球菌脑膜炎后，颅内压和脑组织含水量较野生型小鼠明显增加，而脑组织清除水的速度变慢。可见，AQP4对抑制各种原因引发的脑水肿起重要作用。