水通道蛋白在脑水肿发生中的作用

崔小鹏,赵贵芳,齐 玲*

(吉林医药学院:1.2015级临床本科2班,2.病理学与病理生理学教研室，吉林 吉林 132013)

脑水肿是脑内水分增加导致脑容积增大的一种病理现象，脑出血、脑外伤和脑缺血等诸多脑疾病均会引起脑水肿发生。脑水肿是脑部疾病致命的并发症之一，但顽固性脑水肿的治疗效果不佳。水通道蛋白(aquaporin，AQP)是一类与水通透有关的细胞膜转运蛋白。在脑内，它负责调控脑组织水分的进出。迄今为止，科学家在哺乳动物至少发现13种AQP家族成员，7种分布在脑组织中，其中AQP4在脑组织中含量最高[1]。研究发现，AQP4与脑水肿关系密切，在脑水肿的形成与消除方面起到了十分重要的作用[2]。因此AQP4的表达调节机制及对脑水肿的作用机制的研究十分重要。

1 AQP4的表达调节机制

AQP的表达调控方式包括长期调节和短期调节[3]，长期调节是由低氧、渗透压等产生的时间较长的调节机制，而短期调节是主要以磷酸化调节为主的短时调节机制。

1.1 AQP4的磷酸化调节

磷酸化调节是一种发生在翻译之后的修饰性调节，通过转运磷酸化蛋白至细胞膜以促进磷酸化蛋白进入细胞，并指导磷酸化蛋白在细胞内降解[4]。研究发现，AQP4上有多个磷酸化位点，其中Ser180和Ser111两个残基主要参与了AQP4的磷酸化调节[5]。

1.1.1Ser180残基磷酸化调节

Ser180残基是蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)对AQP4磷酸化的靶位点，位于AQP4单体胞内的D环上，能介导PKC、激活PKC从而抑制AQP4的功能。ZELENINA等[6]发现，PKC活化剂无法抑制Ser180残基变异的AQP4。MOELLER等[7]发现，在AQP4表达的猪肾小管细胞中，若提前使用佛波醇酯(PKC抑制剂)则能抵消佛波酯和多巴胺引起AQP4水通透性快速下降的趋势，同时PKC激动剂的长时间孵育也能导致AQP4的内化，但短期应用则没有观察到该结果。对此，YUKUTAKE等[8]认为PKC的长时间活化除作用在Ser180位点之外，也会影响其他PKC的磷酸化位点。但即便如此，PKC的活化仍然是导致AQP4通道水通透性降低的重要因素。总之Ser180残基磷酸化能降低AQP4的水通透性。

1.1.2Ser111残基的磷酸化调节

Ser111残基的磷酸化能提高AQP4的水通透性。在GUNNARSON等[9]的急性铅中毒模型中发现：星形胶质细胞膜在转染AQP4 cDNA后水通透性得到提高，钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ(calmodulin-dependent protein kinaseⅡ,CaMKⅡ)抑制剂能够逆转这一改变，但是对于Ser111残基变异的AQP4水通透性则不受影响。以上现象说明：CaMKⅡ增加AQP4的水通透性是通过作用在Ser111残基实现的。同时，他们发现一种氨基酸残基排列同AQP4蛋白分子中的96～123位置相同的肽，这种肽并不与CaMKⅡ反应，而是与由CaMKⅡ磷酸化一氧化氮合酶产生的蛋白激酶G发生磷酸化，这就说明Ser111残基被蛋白激酶G磷酸化是通过CaMKⅡ完成的。

1.2 氧化应激调节

研究发现，氧化应激损伤机制对AQP4表达的调控十分复杂，可以经由多种转录因子使AQP4表达上调[10]。氧化应激可以迅速诱导C-Jun和C-Fos两个早期基因的表达，之后由它们形成蛋白激酶1并作用在促分裂原活化的蛋白激酶信号通路使AQP4基因上调。氧化应激也可作用在核因子kB(调节炎性反应)以调节AQP4表达。AQP4基因的启动子内有抗氧化反应元件,MAO等[11]发现萝卜硫素(NRF2的一种激活剂)可以上调AQP4的表达，所以氧化应激还可以通过NRF2激活抗氧化反应元件基因来调控AQP4的表达。通过HSU等[12]的研究发现P38蛋白和胞外信号调节激酶信号通路可以激活半胱氨酸白三烯受体2，因此氧化应激可以通过半胱氨酸白三烯诱导AQP4表达，特别提及，AQP4表达的上调能直接影响脑水肿的发生率。

1.3 蛋白质的调节作用

肌营养不良蛋白-糖蛋白复合体影响AQP4在脑内的表达，根据DMYTRENKO等[13]对α-互养蛋白缺失的小鼠研究发现，它们的星形胶质细胞膜上的AQP4存在错误定位现象。在小脑和大脑皮质处，紧邻血管的终足细胞膜上的表达明显下降，但在邻近神经毡的细胞膜上，表达明显超出正常水平，这样的错误定位现象在肌营养不良蛋白缺失的小鼠上也能观察得到。α-肌营养不良蛋白聚糖是在细胞外基质中由聚集蛋白形成的一种结合蛋白，属于类肝素硫酸蛋白聚糖，参与血脑屏障的形成与维护[14]。另有研究表明，聚集蛋白能够增加细胞膜上AQP4的密度,并参与星型胶质细胞终足细胞膜上正交排列结构的形成[15]。特别提及，AQP4主要分布在毛细血管周围的星形胶质细胞足突上，AQP4的密度可以直接影响水的通透性，即直接造成脑水肿。

1.4 精氨酸加压素调节AQP4

到目前为止，精氨酸加压素对AQP4的调节作用存在一些分歧,其对AQP4的作用有两种相反的实验结论。TAYA等[16]实验发现，在颅脑外伤模型中，使用精氨酸加压素V1a受体拮抗剂可以降低AQP4的表达作用，从而减轻脑水肿程度。OKUNO等[17]实验发现，精氨酸加压素V1a受体拮抗剂能够抑制并降低缺血再灌注后AQP4的上调。LIU等[18]也发现了AQP4上调的实验现象。这两种相反实验现象可能是由于给药时间不同产生的差异[5]。因此这种调节作用的相关机制还有待更深的研究。

2 脑疾病与AQP4

2.1 血管源性脑水肿与AQP4

血管源性脑水肿在脑水肿中最为常见，产生原因大多是血管内皮损伤后导致通透性增加，血液从血管向外渗出引起周围的脑组织变性水肿，脑肿瘤和脑脓肿是血管源性脑水肿的典型。血脑屏障的结构破坏后，血清蛋白和等渗液等在细胞外空间异常聚集，所以说，血管源性水肿实质属于细胞间隙的充液性肿胀。PAPADOPOULOS等[19]提出，在血管源性脑水肿中，AQP4可以促进液体的重吸收。同时在一些冻伤模型中也发现，将小鼠的AQP4基因剔除后，小鼠脑组织含水量和颅内压均明显高于野生型小鼠，这说明AQP4在清除血管源性水肿中发挥着重要的作用。

2.2 创伤性脑损伤与AQP4

根据YAO等[20]的研究发现，在小鼠创伤性脑损伤模型中，对小鼠敲除AQP4基因并建立对照组后发现，未敲除AQP4基因的小鼠脑损伤后在6 h内损伤侧脑组织的水含量迅速升高，而敲除AQP4基因的小鼠增加缓慢。透射电镜观察发现，敲除AQP4基因后的小鼠毛细血管管腔周围及星形胶质细胞足突水肿区面积比正常小鼠的小。但是Evans blue染料渗出量相当，证明AQP4的缺乏对脑外伤的作用不大。YAO等[20]认为这可能是由于此次水肿属于细胞毒性与血管源性并存，并且血管源性占主导地位，特别提及，在多位学者的研究结果中，细胞毒性水肿时AQP4表达是上调的。所以当细胞毒性与血管源性这两种水肿方式并存时，细胞毒性水肿会中和血管源性水肿中AQP4对脑外伤的作用，使结果发生偏差。同时推测，如果在单纯血管源性脑水肿中，AQP4的缺乏会对脑外伤产生非常大的作用。

2.3 脑肿瘤与AQP4

在中枢神经系统肿瘤中，几乎都存在脑水肿。大多数学者认为肿瘤组织侵袭生长破坏病灶区血脑屏障结构，从而导致水和血浆成分漏出血管外[21]。同时他们还发现肿瘤组织内AQP4表达较低,甚至不表达，反而在肿瘤组织周围AQP4表达显著。由于原因及形成机制尚不清晰，在此不做赘述。

PAPADOPOULOS等[22]在小鼠脑内诱发肿瘤脑水肿实验中发现，同样植入黑色素瘤细胞后被敲除AQP4基因的小鼠颅内压更高，脑水肿程度更重。WARTH等[23]在研究不同级别的胶质瘤后发现，在胶质瘤胶质细胞中AQP4的表达是随脑水肿的加重而上调，与患者生存状态和胶质瘤的级别没有关系，这就说明了AQP4在血管源性脑水肿中有保护作用。另外在TAN等[24]的实验发现：伴水肿良性脑膜瘤组织的AQP4的阳性表达率高于无水肿良性脑膜瘤的组织，直接证明了脑膜瘤周围组织水肿的形成过程有AQP4的参与。跨上皮离子的转运形成渗透梯度再加上钠钾ATP酶的协同定位，通过AQP4使肿瘤组织中的水分流入胶质细胞，并引起细胞变性、肿胀。总之，水的异常转运和各种肿瘤周围水肿的形成与AQP4表达增加不无关系。

3 展望与总结

综上所述，脑水肿是现阶段人类较为常见的神经系统疾病并发症，而AQP4在脑水肿发生中起到了重要的作用，但它在血管源性水肿发生所起的作用具有双向性调节作用，而它何时诱发脑水肿，怎样利用AQP4消除脑水肿还不明朗。因此，AQP4成为脑水肿研究最重要的一个方向，对于AQP4深入研究，将对脑水肿治疗提供了新的思路。

[1] BADAUT J,FUKUDA A M,JULIENNE A J,et al.Aquaporin and brain diseases[J].Biochim Biophys Acta,2014,1840(5):1554-1565.

[2] BENGA G.Birth of water channel proteins—the aquaporins[J].Cell Biol Int,2003,27(9):701-709.

[3] ACOVETTA C,RUDLOFF E,KIRBY R,et al.The role of aquaporin 4 in the brain[J].Vet Clin Pathol,2012,41(1):32-44.

[4] ASSENTOFT M,LARSEN B R,OLESEN E T,et al.AQP4 plasma membrane trafficking or channel gating is not significantly modulated by phosphorylation at COOH-terminal serine residues[J].Am J Physiol Cell Physiol,2014,307(10):C957-C965.

[5] 毛剑.水通道蛋白4与脑水肿的研究进展[J].医学综述,2014,20(22):4061-4063.

[6] ZELENINA M,ZELENIN S,BONDAR A A,et al.Water permeability on aquaporin-4 is decreased by protein kinase C and dopamine[J].Am J Physiol Renal Physiol,2002,283(2):F309-F318.

[7] MOELLER H B,FENTON R A,ZEUTHEN T,et al.Vasopressin-dependent short-term regulation of aquaporin 4 expressed in Xenopus oocytes[J].Neuroscience,2009,164(4):1674-1684.

[8] YUKUTAKE Y,YASUI M.Regulation of water permeability through aquaporin-4[J].Neuroscience,2010,168(4):885-891.

[9] GUNNARSON E,ZELENINA M,AXEHULT G,et al.Identification of a molecular target for glutamate regulation of astrocyte water permeability[J].Glia,2008,56(6):587-596.

[10] 焦方舟.水通道蛋白4与脑水肿相关研究进展[J].疑难病杂志,2017,16(2):199-206.

[11] MAO L,WAN H D,PAN H,et al.Sulphoraphane enhances aquaporin-4 expression and decreases spinal cord oedema following spinal cord injury[J].Brain Inj,2011,25(3):300-306.

[12] HSU Y,TRAN M,LINNINGER A A,et al.Dynamic regulation of aquaporin-4 water channels in neurological disorders[J].Croat Med J,2015,56(5):401-421.

[13] DMYTRENKO L,CICANIC M,ANDEROVA M,et al.The impact of alphasyntrophin deletion on the changes in tissue structure and extracellular diffusion associated with cell swelling under physiological and pathological conditions[J].PLoS One,2013,8(7):e68044.

[14] WOLBURG H,NOELL S,WOLBURG-BUCHHOLZ K,er al.Agrin,aquaporin-4,and astrocyte polarity as an important feature of the blood-brain barrier[J].Neuroscientist,2009,15(2):180-193.

[15] NOELL S,FALLIER-BECKER P，DEUTSCH U,et al.Agrin defines polarized distribution of orthogonal arrays of particles in astrocytes[J].Cell Tissue Res,2009,337(2):185-195.

[16] TAYA K,GULSEN S,OKUNO K,et al.Modulation of AQP4 expression by the selective V1a receptor antagonist，SR49059,decreases trauma-induced brain edema[J].Acta Neurochir Suppl,2008,102:425-429.

[17] OKUNO K,TAYA K,MARMAROU C R,et al.The modulation of aquaporin-4 by using PKC-activator (phorbol myristate acetate) and V1a receptor antagonist (SR49059) following middle cerebral artery occlusion/reperfusion in the rat[J].Acta Neurochir Suppl,2008,102:431-436.

[18] LIU X Q,NAKAYAMA S,AMIRY-MOGHADDAM M,et al.Arginine-vasopressin V1 but not V2 receptor antagonism modulates infarct volume,brain water content,and aquaporin-4 expression following experimental stroke[J].Neurocrit Care,2010,12(1):124-131.

[19] PAPADOPOULOS M C,BINDER D K,VERKMAN A S.Enhanced macromolecular diffusion in brain extracellular space in mouse models of vasogenic edema measured by cortical surface photobleaching[J].FASEB J,2005,19(3):425-427.

[20] DUSTEN U,RAMPRASSAD S TYLER B,et al.Red blood cell dysfunction induced by High-Fat Diet.potential implications for Obesity-Related atherosclerosis[J].Circulation,2015,132(20):1898-1908.

[21] MAHMUD H,RUIFROK W P,WESTENBRINK B D,et al.Suicidal erythrocyte death,eryptosis,as a novel mechanism in heart failure-associated anaemia[J].Cardiovasc Res,2013,98(1):37-46.

[22] PAPADOPOULOS M C,MANLEY G T,KRISHNAS S,et al.Aquaporin-4 facilitates reabsorption of excess fluid in vasogenic brain edema[J].FASEB J,2004,18(11):1297-1293.

[23] WARTH A,SIMON P,CAPPER D,et al.Expression pattern of the water channel aquaporin-4 in human gliomas is associated with blood-brain barrier disturbance but not with patient survival[J].J Neurosci Res,2007,85(6):1336-1346.

[24] TAN W L,WONG J H,LIEW D,et al.Aquaporin-4 is correlated with peri-tumoural oedema in meningiomas[J].Ann Acad Med Singapore,2004,33(5 Suppl):S87-S89.