水通道蛋白與腦水腫

1、水通道蛋白與腦水腫水通道蛋白(aquaprin,AQP)是一種水的分子通道,在動(dòng)物和植物細(xì)胞中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有多種不同的水通道蛋白。由于水通道蛋白的存在,細(xì)胞才可以快速調(diào)節(jié)自身體積和內(nèi)部浸透壓，水通道蛋白對于生命活動(dòng)至關(guān)重要。本文僅就水通道蛋白與腦水腫關(guān)系的研究進(jìn)展進(jìn)展簡單介紹。一、AQP的發(fā)現(xiàn)與家族種類過去認(rèn)為,水在細(xì)胞內(nèi)外的轉(zhuǎn)運(yùn)只是通過脂質(zhì)雙分子層擴(kuò)散來完成。但在某些生理現(xiàn)象中,如紅細(xì)胞、腎近曲小管上皮細(xì)胞等對水的轉(zhuǎn)運(yùn)速度非?？?不能用水簡單擴(kuò)散來解釋。Agre1等(1988)在鑒定人類Rh血型抗原時(shí),偶爾在紅細(xì)胞膜上發(fā)現(xiàn)一種新的28KD的疏水性跨膜蛋白,稱為形成通道的整合膜蛋白28(HIP),

2、1991年完成其DNA克隆,但當(dāng)時(shí)并不知道該蛋白的功能。在進(jìn)展功能鑒定時(shí),將體外轉(zhuǎn)錄合成的HIP28DNA注入非洲爪蟾的卵母細(xì)胞中,發(fā)如今低滲溶液中,卵母細(xì)胞迅速膨脹,并于5in內(nèi)破裂。為進(jìn)一步確定其功能,又將其構(gòu)建于蛋白磷脂體內(nèi),通過活化能及浸透系數(shù)的測定以及后來的抑制劑敏感性等研究,證實(shí)其為水通道蛋白。從此確定了細(xì)胞膜上存在轉(zhuǎn)運(yùn)水的特異性通道蛋白,并稱HIP28為AQP1。以后又陸續(xù)從哺乳動(dòng)物組織中鑒定出9種水通道蛋白(AQP2AQP10),它們與先前克隆的晶體纖維中的主要內(nèi)源性蛋白(ajrintrinsiprtEin,IP)有20%40%的氨基酸序列同源性,目前所發(fā)現(xiàn)的水通道均屬IP家族

3、,后經(jīng)證明IP亦有弱的水通道活性,被命名為AQP0。這些相繼發(fā)現(xiàn)的專一性運(yùn)輸水的通道蛋白被統(tǒng)稱為AQPs。AQP家族，存在于不同的組織器官中,如：AQP2存在于腎髓和腎皮質(zhì)搜集管主細(xì)胞,它在調(diào)節(jié)水的排泄中有重要作用,約有10%的腎小球?yàn)V過液流經(jīng)集合管時(shí)是在AQP2的參與下被重吸收的。AQP5大量存在于唾液腺和淚腺中,與唾液和淚液的產(chǎn)生有關(guān)2。AQP0在眼中有較高的表達(dá),被認(rèn)為與晶狀體的透明度有關(guān)3。它們對于維持機(jī)體的程度衡起著重要作用,并且與程度衡紊亂所造成的一些疾病有親密關(guān)系。AQPs除了跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)水外,近來發(fā)現(xiàn)還能通透其它小分子。Tsukaguhi等4據(jù)此將其分為三類:類為選擇性水通道,如A

4、QP1、2、4、5；II類對某些中性溶質(zhì)(尿素、甘油)有一定的選擇通透性,如AQP3、7等；類有廣泛的選擇通透性(尿素、多元醇、乳酸鹽、羧基丁酸、嘌呤、嘧啶等),如AQP9。后兩類又稱水甘油通(aquaglyerprins)。新克隆出來的AQP10對水和中性溶質(zhì)具有浸透性，卻不能浸透甘油和尿素5。另一種分類方法就是根據(jù)AQPs功能能否被汞抑制而分為汞敏感性蛋白和不敏感性蛋白6。AQPs家族的絕大多數(shù)成員都具有汞敏感性,即汞制劑可以抑制其對水的通透性；而只有AQP4和AQP7具有汞不敏感性。據(jù)研究AQP4與AQP1的組織構(gòu)成性活性不同的是鄰近NPA基序的半胱氨酸缺失,而汞離子和有機(jī)汞通過與AQP

5、1殘基189形成硫醇鍵使其發(fā)生構(gòu)象改變,引起水通透性下降。近來研究又證實(shí)AQP1的70-73和189殘基定位于水孔或其附近，水孔的寬度也是可變的，而pBS(一種汞制劑)能通過71-73殘基而調(diào)節(jié)水通道的功能。二、AQP4的構(gòu)造部分在序列上相似,呈180定位的正面對稱構(gòu)造,內(nèi)部構(gòu)造與其它AQP同源性最高的是位于B環(huán)與E環(huán)上的天冬酰氨-脯氨酸-丙氨酸(NPA)基序,NPA基序重疊位于脂質(zhì)雙分子層之間,產(chǎn)生一個(gè)使水分子單線通過的通道,可使水分子順浸透壓梯度雙向轉(zhuǎn)運(yùn),這是AQP家族成員共有的特征性構(gòu)造9。AQP4的四級構(gòu)造是由具有活性、分子量約34kDa亞單位組成的四聚體。四聚體在膜上的組裝是維持AQ

6、P的穩(wěn)定和其正常功能所必須的10。AQP4有3個(gè)RNA亞型,由N端外顯子的差異所決定11。它們分別是AQP411、AQP4123和AQP4123X。AQP411編碼的蛋白為1,AQP4123和AQP4123X編碼的蛋白為23。1比23在N端多22個(gè)氨基酸。亞型的表達(dá)存在組織和年齡的差異。Ken-ihi等12發(fā)現(xiàn),AQP4端第276280的5個(gè)氨基酸對于AQP4在細(xì)胞膜上的固定起著不可替代的作用,它們突變或缺失將導(dǎo)致AQP4不能固定于細(xì)胞膜上,影響生物學(xué)效應(yīng)。由于AQP4在的汞結(jié)位點(diǎn)上缺乏半胱氨酸,對汞的水通透抑制作用不敏感,因此AQP4屬于汞不敏感性水通道蛋白(erurial-insensit

7、iveaterhannel,I2)。Airy-ghadda等13研究發(fā)現(xiàn),AQP4位點(diǎn)特異性的錨定依賴于抗肌萎縮蛋白復(fù)合物(dystrphinplex),其成員之一的-syn是維持AQP4在血管周圍膜極性分布所必需的蛋白復(fù)合物。三、AQP4的分布與功能AQP4在機(jī)體的組織分布很廣泛。在呼吸系統(tǒng)中,AQP4分布于小呼吸道上皮細(xì)胞基底側(cè)質(zhì)膜,該部分呼吸道包括終末支氣管和呼吸性支氣管,在肺組織中,水通道蛋白在妊娠晚期胎兒開場表達(dá),一直持續(xù)至成年,在研究大鼠AQP4RNA表達(dá)時(shí),發(fā)現(xiàn)AQP4在妊娠期胎兒僅有微弱的表達(dá),但出生后表達(dá)迅速增強(qiáng),出生后第2dRNA程度增加8倍,達(dá)最頂峰。Yasui發(fā)現(xiàn),AQ

8、P4出生后表達(dá)迅速增強(qiáng),但持續(xù)時(shí)間短14。AQP表達(dá)程度的變化提示某些水通道可能參與出生早期肺內(nèi)液體的快速轉(zhuǎn)運(yùn),在這一時(shí)期,以AQP1和AQP4的作用尤為突出,這對于盡早恢復(fù)正常呼吸功能可能具有重要意義。在消化系統(tǒng),Huang等15應(yīng)用免疫定位技術(shù)發(fā)現(xiàn)AQP4蛋白定位在胃腺中部或深部的壁細(xì)胞上，而應(yīng)用點(diǎn)雜交技術(shù)發(fā)現(xiàn)AQP4RNA不能定位于壁細(xì)胞而是在鄰近的粘膜細(xì)胞，以及在胃底部的柱形細(xì)胞上，呈現(xiàn)蛋白與RNA別離現(xiàn)象。這些細(xì)胞均與泌酸作用有關(guān)。在泌尿系統(tǒng)中,腎集合管(D)是尿液分泌最后的決定部位,AQP4位于腎臟D上皮細(xì)胞基底側(cè)質(zhì)膜上,主要分布于外髓質(zhì)內(nèi)帶及內(nèi)髓質(zhì)外1P3的D中16,在介導(dǎo)水通過

9、腎臟D上皮細(xì)胞基底側(cè)質(zhì)膜轉(zhuǎn)運(yùn)上起重要作用,其功能不受血管加壓素(AVP)調(diào)節(jié)。Hek等17研究AQP4還表達(dá)于腎近端小管S3段上皮細(xì)胞基底側(cè)質(zhì)膜,AQP4的表達(dá)量可以反映尿液濃縮量和機(jī)制,缺少AQP4的小鼠,尿濃縮功能明顯下降。在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中,AQP4分布在快肌纖維細(xì)胞膜上,可能在細(xì)胞的收縮中起重要作用。在眼球中,眼球的液體轉(zhuǎn)運(yùn)是非?；顫姷?AQP4分布于睫狀體非色素上皮細(xì)胞的基底膜、虹膜色素細(xì)胞、視網(wǎng)膜內(nèi)顆粒層和外顆粒層及神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層18,AQP4在視網(wǎng)膜血管的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞突起也有大量表達(dá)。AQP4RNA在腦內(nèi)的表達(dá)含量高于眼，腎肺等器官10倍左右，是腦內(nèi)主要的水通道蛋白。AQP4在側(cè)腦室及導(dǎo)

10、水管的室管膜細(xì)胞、脈絡(luò)叢上皮、軟腦膜、下丘腦、視上核、視旁核、海馬齒狀回和小腦蒲肯野細(xì)胞均有明顯表達(dá)。有研究者通過免疫細(xì)胞化學(xué)研究發(fā)現(xiàn),AQP4蛋白主要表達(dá)于星形膠質(zhì)細(xì)胞和室管膜細(xì)胞,尤其在與毛細(xì)血管和軟腦膜直接接觸的星型膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)豐富,這說明血管周圍的星型膠質(zhì)細(xì)胞突起和神經(jīng)膠質(zhì)界膜是水分子流動(dòng)的主要部位。在神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和腦膜成纖維細(xì)胞內(nèi)未發(fā)現(xiàn)AQP4的表達(dá)19。但Vener等20采用膠質(zhì)纖維酸性蛋白(GFAP)的免疫組化和AQP4RNA的原位雜交雙染發(fā)現(xiàn),AQP4RNA在GFAP免疫陰性細(xì)胞中也有表達(dá),認(rèn)為神經(jīng)元可能表達(dá)少量AQP4。石向群等21發(fā)現(xiàn),AQP4主要分布于面向毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞、