鸡水通道蛋白研究进展

王秀霞,刘 爽,付 璐,张文慧,关松磊,张林波

(吉林农业大学生命科学学院,吉林 长春 130118)

水通道蛋白(Aquaporin,AQP)是细胞膜上能高效选择性地转运水分子的特异性孔道[1]。迄今为止已经发现了13个不同类型的水通道蛋白(AQP0-AQP12),在结构上,AQPs是整合膜水转运蛋白小分子混合物(～30 kDa)。组织定位和调节研究表明,AQPs在生理上涉及液体分泌和吸收的细胞中表达,例如在眼睛,中枢神经系统,外分泌腺,肾脏和脂肪组织中[2]。AQPs根据功能可分为三类[3]：(a)只转运水的AQPs,(AQP0,AQP1,AQP2,AQP4,AQP5,AQP6,AQP8)；(b)对水、甘油、尿素或其他小溶质具有通透性的AQPs(AQP3,AQP7,AQP9,AQP10)；(c)超级水通道蛋白亚家族(AQP11,AQP12)[4],主要在细胞的内膜系统表达,参与某些消化酶的共同分泌[5]。

AQPs几乎存在于所有的生物体中,包括真核生物和原核生物[6]。在植物中,如玉米[7]和大豆[8]等,已有30多种植物水通道蛋白的全基因组被鉴定及分类。在动物中,AQPs在哺乳动物中广泛分布,且相关报道居多,如大鼠[9],小鼠[10]的肾脏、胃肠道和肺气道等。近年来,研究人员发现,在非哺乳脊椎动物中AQPs也广泛表达,比如鸡[11],蟾蜍[12]等,并且随着外界因素刺激,AQPs在体内的表达量也会发生变化[13],但是相关报道较少。本文对鸡水通道蛋白研究进展进行概述。

1 鸡不同部位的AQPs研究进展

鸡属于鸟纲鸡形目雉科,其生理结构不同于哺乳动物,首先鸡没有膀胱,尿液被排到泄殖腔中,这是生殖、胃肠道、泌尿系统的共同终点。其次鸡具有嗉囊,食物在嗉囊里经过润湿和软化,再被送入前胃和砂囊,有利于消化。虽然其结构与哺乳动物相比有差异,但已经有研究人员报道[14],鸡体内不同位置表达不同种类的水通道蛋白,且水通道蛋白与鸡组织病变也有密切联系。

1.1 鸡泌尿系统的AQPs及其功能 最近在禽类肾脏中报道了AQP1、AQP2、AQP4的存在[15-16-17],与哺乳动物相似,AQP2在水份缺失或施加精氨酸血管舒缓素(AVT)后AQPs基因表达量增加[18],然而关于AQPs的生理学作用及其在鸡类肾脏中基因表达调控的信息仍然有限[15]。Sugiura K.等[19]通过RT-PCR等方法确定了 AQP1、AQP2、AQP3、AQP4、AQP7 存在于幼雏鸡肾中,此外该研究首次报道了AQP9也存在于鸡肾中。后续研究显示,除了AQP7以外,AQPs的表达可以被高渗刺激选择性诱导和调节,而AQP7并没有明显变化,说明AQP7在鸡肾脏水转运中不具有关键性作用。由于涉及鸡体内水分子平衡机制尚不明确,因此Orlowski S. 等[16]检测了AQP2、AQP3、AQP4在不同种类的鸡中肾及全血中的表达,该研究首次显示,水通道蛋白和核糖核酸酶III家族酶以限水条件依赖于群体的差异性调节,它们在循环中的表达可以为涉及适应性水分胁迫应激的新分子标志开辟新的前景。

1.2 鸡消化系统的AQPs及其功能 消化系统是除肾脏以外体液吸收和分泌量最大的器官系统,因此水通道蛋白在消化生理中可能扮演重要角色。禽类的肠道具有吸收肾脏产生的大量流体的能力。Ramírez-Lorca R.等[19]通过Northern测定分析3种ck-AQP mRNA在哈伯德鸡的肾和胃肠道系统中的表达情况。其中ck-AQP2的转录物仅在肾中被鉴定,ck-AQP4 mRNA在肾和胃中较低程度表达,ck-AQP5mRNA在空肠和回肠中被发现,在直肠中发现较少程度ck-AQP5 mRNA。从空肠到结肠,ck-AQP5 mRNA和蛋白的表达水平逐渐降低。总之,ck-AQP5在鸡胃肠道中可能具有一定作用,但是其是否受荷尔蒙或神经肽控制有待于进一步研究。Casotti G.等[15]在麻雀肾脏、肠胃、近端、远端直肠及下肠道中分离出971 bp AQP1的完整cDNA。这一发现具有重要意义,因为AQP1的组织分布表明,水通道蛋白在禽类水份保存中具有重要的生理作用,而且由于禽类下肠的平滑肌处于持续收缩状态,允许输尿管尿液在下肠中运动,且其收缩速度慢,不太可能积累乳酸,因此AQP1在肠平滑肌的功能作用可能与其哺乳动物骨骼肌不同。

1.3 生殖系统的AQPs及其功能 Yang等[14]确定了AQP3在鸡输卵管中高度表达,此外AQP3表达随着雌激素的影响呈依赖性改变,AQP3 mRNA表达随着雌激素浓度的降低而降低(P＜0.001),在患有卵巢癌的蛋鸡中,AQP3表达增加(P＜0.001)。以上结果表明,AQP3不是简单的将水输入或输出细胞,而是似乎密切参与由雌激素调节的输卵管的发育。总之,AQP3是一种激素诱导的鸡输卵管发育调节因子,也可以成为预测上皮细胞衍生的卵巢癌发展的潜在新生物标志物。Socha J.K.等[21]用他莫昔芬(TMX,雌激素受体调节剂)处理母鸡直至其停止产卵,通过实时PCR和免疫印迹检测鸡输卵管中AQP4的基因和蛋白表达变化,结果表明,用TMX处理的母鸡输卵管中AQP4的mRNA和蛋白水平降低。免疫组织化学证实了AQP4在输卵管壁中的组织和细胞中呈依赖性定位。以上结果表明,AQP4参与调节鸡输卵管中卵形成所需的水份运输,此外,雌激素作用与AQP4基因和蛋白表达之间的关系也具有研究前景。Nowak M.等[22]研究了AQP4在鸡卵巢中的表达与卵泡发育的关系,通过实时PCR和蛋白质印迹分析,在所检查的卵巢区室中分别检测到AQP4 mRNA和蛋白质。AQP4的相对表达取决于滤泡的大小和毛囊壁的层次。随着排卵最大卵泡的接近,颗粒层中AQP4蛋白水平逐渐降低(内膜≥外膜 ＞颗粒)。以上结果表明,AQP4可能参与调节鸡卵巢卵泡发育所需的水份运输。Tiwari A.等[23]确定了AQP5在鸡卵巢肿瘤中的定位,揭示了AQP5在卵巢肿瘤组织中的COVCAR细胞与正常卵巢表面上皮的NOSE细胞相比的差异分布。说明AQP5在卵巢肿瘤细胞的增殖和侵袭性中的具有潜在作用。

1.4 其他部位的AQPs及其功能 鸡胚绒毛尿囊膜(CAM)通常同于研究体内血管生成,Domenico等[24]通过蛋白质印迹和免疫组化法研究了鸡CAM中AQP1的发育表达,结果显示,AQP1在外胚层、内胚层上皮细胞、血管内皮细胞中明显表达。由于AQP1在正常或病理状态下的血管生成过程中报道较少,该数据可作为进一步研究AQP1在CAM试验中刺激或抑制血管生成作用的基础。AQP4是水通道家族的成员之一,具有高透水性,Yoshimura K.等[11]通过蛋白质印迹分析表明,在脑、前胃、肠、胸肌、肾和输尿管中存在AQP4条带,脑部的免疫组化结果显示,脑、血管周围的AQP4反应性最高,说明鸡的大脑是AQP4主要表达部位。同年,Saito N.等[13]研究了水份剥夺对鸡AQP4表达的影响,通过RT-PCR定量分析显示,脱水后AQP4表达显著增加,这说明AQP4可能在鸡脑渗调节中起关键作用。Goodyear M.J.等[25]首次研究证明,小鸡视网膜中存在AQP4蛋白并且将内视网膜中AQP4表达与视觉剥夺和最快轴向伸长时间联系起来。实验组在快速生长期AQP4表达量增加,说明AQP4的表达在功能上与轴性屈光不正的发展有密切关系。

2 展望

在哺乳动物中,AQPs在身体的大多数组织和器官中表达以提供各种功能,例如水,尿液和甘油的转运,也能作为肾脏中尿液浓度的调节剂[26]。然而,鸟类AQPs的组织特异性表达报道较少,研究表明,AQP2,AQP4分别在鸡的肾、脑中特异性表达。在鸡的卵巢和输卵管等大部分器官中检测到AQP1和AQP3的表达。综上所述,鸡水通道蛋白的分布及功能大部分与哺乳动物中报道的相一致(AQP7除外),而随着分子生物学技术的发展,水通道蛋白的结构与功能已经逐渐揭开面纱,它不仅仅是转运水和一些小分子的膜蛋白,还能够通过参与机体的一些复杂病理和生理,从而对疾病产生重要的影响。因此开发水通道蛋白相关抑制剂和激动剂或许可以有望给尿崩症、腹泻、卵巢癌、肿瘤等疾病提供新的治疗前景。