水通道蛋白-1基因敲除小鼠的表型变化及其生理病理意义

蓝叶慧，黄文乐，应辛欣，钱益宇，华莹

（温州医科大学附属第二医院育英儿童医院 产科，浙江 温州 325027）

水通道蛋白家族（aquaporins，AQPs）是一种结构微小、完整的膜蛋白家族，可以协助水分子、小分子物质和各种中性溶质跨越生物膜。至今已发现AQPs有13种亚型（0～12），AQP1是AQPs鉴定的第一个成员，为一种选择性转运物质的膜蛋白。通过分析敲除AQP1的转基因小鼠的表型，可以推测AQP1在各器官中的作用[1]。AQP1的缺失与多种器官的异常有关，包括羊水过多、多尿、心血管稳态失衡、血管生成和细胞迁移障碍、疼痛感知障碍以及神经炎症等。此外，AQP1的缺失在脑损伤的保护和肿瘤生长的抑制过程中发挥重要作用。现就近年关于敲除AQP1基因的细胞、组织和动物模型的表型的研究进行综述。

1 AQP1基因敲除在妊娠中的作用

以AQP1敲除的转基因小鼠为动物模型，研究发现AQP1在胎盘生长、胎儿发育和母胎体液稳态平衡中发挥着关键的作用[2-4]。ZHENG等[2]发现与野生型孕鼠比较，AQP1基因敲除的孕鼠的胚胎数量减少，胎重降低，但羊水量显著增加。此外，AQP1基因敲除的孕鼠胎盘血管结构异常，合体滋养层细胞结节增多，这说明AQP1基因敲除孕鼠的胎盘发生了严重变性[2]。有研究发现AQP1基因敲除孕鼠羊水量增加，但胎鼠的数目和胎重与野生型孕鼠比较没有显著差异。与此相反，GUO等[3]研究发现，在胎龄12.5～18.5 d的孕鼠中，与AQP1+/+孕鼠比较，AQP1+/-孕鼠（母本等位基因缺失）和AQP1-/-孕鼠存在胎盘和胚胎过度生长的现象，而AQP1+/-孕鼠（父本等位基因缺失）却不存在此现象，AQP1母体缺失导致胎盘质量和迷路层面积增加。此外，他们对AQP1进行了印迹分析，发现AQP1的启动子与外显子1的甲基化状态呈负相关。以上研究结果表明AQP1可以通过影响胎盘发育而间接影响胚胎发育。

SHA等[4]发现在低渗和高渗两种情况下，AQP1基因敲除的滋养层细胞渗透性均显著低于正常的滋养层细胞。本课题组研究发现，在孕鼠孕龄13.5 d时，AQP1+/-孕鼠、AQP1-/-孕鼠和AQP1+/+孕鼠的羊水量没有显著差异[5]。但在孕龄16.5 d时，与AQP1+/+孕鼠相比，AQP1-/-孕鼠的羊水量增多、羊水渗透压和钙离子浓度均降低。AQP1敲除后，胎膜的AQP9表达下调而AQP8表达上调。因此，胎膜中AQP1基因敲除与羊水量增加和渗透压降低密切相关。此外，我们推测在胎盘和胎膜中AQPs的表达和作用存在相互代偿机制。

2 AQP1基因敲除对肾脏的影响

应用AQP1敲除小鼠模型的研究发现当血管加压素受体-2激活，髓质集合管细胞的增殖显著增加，细胞周期的基因表达改变，AQP1可以促进细胞迁移和细胞增殖，因此AQP1在急性肾损伤后肾小管的结构再生和功能修复中起重要作用[6]。与野生型小鼠比较，患内毒素血症时AQP1敲除小鼠表现为进水量和尿量的显著增加，尿钠排泄量增加，而尿渗透压显著降低并伴有更严重的肾小管损伤，AQP1敲除小鼠的肾小球滤过率和肾血流量也降低[7]。这些反应表明尽管AQP1敲除小鼠表现为多尿，但是这种多尿并不能减轻内毒素血症引起的急性肾损伤。

3 AQP1基因敲除对神经系统的影响

研究发现尽管AQP1敲除小鼠脉络膜丛上皮的肿胀和萎缩速度明显减慢，但脉络丛的大小、结构不变，压力依赖性脑脊液的渗出无明显变化[8-9]，且脑脊液的空间几乎与野生型小鼠相同[10]。此外，研究人员还发现无论是小鼠的脉络丛上皮的Na+依赖性的Cl/HCO3-交换器，还是Na-K-ATP酶的表达都不受敲除AQP1的影响[11]。与野生型小鼠比较，AQP1基因缺失小鼠脉络丛上皮细胞渗透率降低，腺苷酸环化酶激活剂作用后脑脊液的产生降低20%～25%，颅内压下降56%，中心静脉压也显著降低，冷刺激所致的脑损伤小鼠存活率提高[8-9]；AQP1缺失导致小鼠无刺激下的心室变小，白陶土诱导的心室扩张减少和脑积水减轻[12]。综上，AQP1在脑脊液动力学中发挥作用，AQP1的缺失对脑损伤可能有保护作用，AQP1为治疗颅内压升高和脑积水的潜在靶点。

此外，ZHANG等[13]研究发现AQP1的缺失与背根神经节神经元渗透压降低有关。通过行为学研究发现AQP1缺失的小鼠在缓激肽、前列腺素E2诱发的疼痛实验中，其疼痛感知能力显著降低。此外，培养的AQP1敲除的背根神经节神经元和外植体，自发的和神经生长因子刺激的轴突延伸减少[14]。这些结果说明AQP1是背根神经节轴突再生的一个新的决定因子。但是，SHIELDS等[15]的研究表明，无论是从电生理学角度分析还是从非常完整的行为学角度分析，都还没有发现AQP1敲除小鼠和野生型小鼠在伤害感受处理方面的差异。因此，AQP1在伤害感受器中的作用仍有待确定。

4 AQP1基因敲除对心血管系统的影响

在敲除AQP1的小鼠模型中，一些研究已经描述了AQP1在心血管表型中的作用[16-19]。与相同年龄的野生型小鼠相比，AQP1基因敲除小鼠无论雌雄均表现出明显的心脏过小，心肌细胞变小，主动脉和肠系膜动脉的动脉壁厚度显著减少，收缩压和平均血压较低（主要发生在夜间），而毛细血管密度和舒张压无明显变化[16]。但是，因为AQP1敲除小鼠压力感受性反射正常，且心率的降低与血管收缩剂诱导的血压升高成正比，此表现与野生型小鼠相似，所以较低的平均血压并不是由改变的水平衡或自主功能障碍引起的。此外，AQP1基因缺失伴随着心脏的AQP4、AQP7、AQP8及主动脉的AQP7的代偿性上调[16]。这些发现证实了AQP1在心血管稳态中具有潜在的作用。而且，AQP1缺失恶化了血管紧张素II诱导的动脉粥样硬化。可见，AQP1正常表达对心血管系统起到保护作用[17]。

然而，AL-SAMIR等[18]研究发现，尽管AQP1敲除小鼠心脏的主要形态改变是心肌变薄，左心室壁厚度变小，心室肌纤维横截面积减小，毛细血管与肌纤维比值降低，左心室中的毛细血管的绝对密度降低，但即使在多巴酚丁胺的刺激下，麻醉的AQP1敲除小鼠仍然表现出正常的心脏功能。进一步研究发现，因为心肌壁变薄，AQP1缺失明显限制了常氧或低氧状态下的最大氧消耗，即最大心输出量减少[18]。但是，AQP1缺失并不影响动脉血氧饱和度、心率及呼吸速率[19]。因此可能需要通过更深入的研究去验证AQP1缺失在病理情况下的作用，如在缺血/再灌注和压力超负荷中AQP1缺失的影响。

5 AQP1基因敲除对眼的影响

体内外的实验研究发现AQP1缺失降低了角膜内皮细胞对水的渗透性，不利于角膜肿胀后的透明度恢复，具体表现为角膜中的中性粒细胞增多，角膜上皮修复延迟，角膜细胞的迁移减少。研究人员推测AQP1缺失小鼠的角膜基质伤口愈合速度减慢可能是角膜细胞迁移受损的结果[20]。总之，AQP1敲除小鼠表现的角膜恢复明显受损为角膜水肿的发生机制和治疗提供了新的思路。但是，在缺氧诱发的视网膜病变的新生小鼠模型中，视网膜微血管的增生不受AQP1缺失的影响，这提示AQP1抑制剂可用于治疗青光眼[21]。这些研究说明AQP1是眼部功能的一个新的重要决定因素。

6 AQP1基因敲除对细胞迁移的影响

目前已经有大量研究证明了AQP1在细胞迁移中起重要作用，这涉及多种生物现象，如血管生成、伤口愈合、肿瘤扩散和器官再生等。应用AQP1敲除小鼠研究发现，AQP1的缺失并不影响软骨细胞的增殖率，但与AQP1+/+软骨细胞相比，AQP1-/-软骨细胞的血清诱导的细胞迁移率和与II型胶原纤维的黏附性以及相对质膜水通透性降低[22]。因此，软骨细胞中AQP1表达的适当调节可能有助于软骨细胞的移植和迁移。

另外，乳腺肿瘤病毒诱导的多瘤病毒中T致癌基因小鼠在缺失AQP1时，表现为肿瘤体积减小，微血管密度降低，且肿瘤肺转移的可能性大大降低，提示AQP1是肿瘤血管生成的重要决定因素，为实体瘤的辅助治疗提供了潜在的药物靶点[23]。通过AQP1敲除小鼠体内分离的腹腔巨噬细胞，发现AQP1缺失自发诱导巨噬细胞伸长、轴向极化及向边缘趋化，AQP1缺失对巨噬细胞的形态、细胞骨架结构、膜极化及细胞迁移有显著影响。AQP1敲除小鼠因浸润巨噬细胞的数量减少而导致腹膜浸润明显减弱[24]。

综上，AQP1对细胞的迁移有抑制作用，AQP1的下调有助于巨噬细胞在组织重塑、愈合和修复中发挥作用。因此，AQP1是潜在的药理靶点，其对内皮细胞和肿瘤细胞的抑制可限制肿瘤的生长和扩散，而诱导AQP1可能加速伤口愈合，促进器官再生。

7 AQP1基因敲除对腹膜的影响

ZHANG等[25]建立了一种特异性的AQP1敲除小鼠模型，发现小鼠在初始临床和生物学分析（包括体质量和存活数目）中与正常小鼠无差异。但是，在腹膜平衡试验中，AQP1敲除小鼠表现为跨细胞水转运速率显著下降，而小分子溶解物、尿素和葡萄糖的转运速率无显著改变。因此，调节细胞AQP1可能为预防腹膜透析超滤失败提供一个潜在的治疗靶点。

8 AQP1基因敲除对消化系统的影响

AQP1敲除小鼠胆囊对水的通透性减少了10倍，但胆囊的大小、形态，胆汁的渗透压和盐浓度均没有明显变化，AQP1并不参与胆囊重要生理功能[26]。然而，结扎了胆管的AQP1敲除小鼠表现为：病理性血管生成减少，血管纤维化减少，门静脉高压降低，这表明AQP1在慢性肝病期间发生的病理性血管生成中起着重要作用，AQP1将是慢性肝病在分子水平上的合理治疗靶点[27]。

9 AQP1基因敲除对腺体分泌的影响

据AQP1敲除小鼠的垂体前叶数据分析显示，与野生型小鼠相比，AQP1敲除小鼠的垂体和血清中的前体激素转化酶、羧肽酶E和促肾上腺皮质激素水平降低，与这些研究结果一致，AQP1在AtT20细胞中的表达下调导致促肾上腺皮质激素的分泌减少、致密核心分泌颗粒蛋白的显著丢失与生成减少[28]。这些发现表明，AQP1对维持分泌功能和颗粒生物合成很重要，此外，另有研究发现在AQP1缺失的泪液中pH不变，但钾离子含量降低[29]。AQP1在腺体分泌中的具体作用机制还需要进行进一步研究。

10 小结

AQP1是一种选择性的水通道蛋白，能显著增强生物膜对水的渗透性。根据AQP1基因敲除小鼠在胎盘、肾、心、脑、腹膜、腺体、眼、胆囊和肝脏中的表型分析，AQP1可以促进上皮间液的吸收或分泌，并在渗透梯度驱动下，在水分子的快速运动中发挥重要作用。应用AQP1敲除小鼠研究获得的结果，AQP1抑制剂可能成为利尿剂，有望治疗肿瘤、青光眼、脑水肿等疾病，而AQP1激动剂可能用于治疗多尿、羊水过多，加速伤口愈合，促进器官再生。进一步研究AQP1表达的调节因素，有助于阐明AQP1在相关疾病的发病机制中的作用，使AQP1成为治疗疾病的靶点。