水通道蛋白與腦水腫

水通道蛋白與腦水腫

作者：楊文茜 程智剛 王雲(經阿梅修改)

水通道蛋白(aquaporin， AQP)是一種水的分子通道，在動物和植物細胞中已經發現有多種不同的水通道蛋白。由於水通道蛋白的存在，細胞才可以快速調節自身體積和內部滲透壓，水通道蛋白對於生命活動至關重要本文僅就水通道蛋白與腦水腫關係的研究進展進行簡單介紹。

一、AQP的發現與家族種類
過去認為，水在細胞內外的轉運只是通過脂質雙分子層擴散來完成。但在某些生理現象中，如紅血球、腎近曲小管上皮細胞等對水的運輸速度非常快，不能用水簡單擴散來解釋。

Agre [1]等(1988)在鑑定人類Rh血型抗原時，偶然在紅血球膜上發現一種新的28KD的疏水性跨膜蛋白，稱為形成通道的整合膜蛋白28 (CHIP) ，1991年完成其cDNA轉殖，但當時並不知道該蛋白的功能。在進行功能鑑定時，將體外轉錄合成的CHIP28 cDNA注入非洲爪蟾的卵母細胞中，發現在低滲溶液中，卵母細胞迅速膨脹，並於5min內破裂。為進一步確定其功能，又將其構建於蛋白磷脂體內，通過活化能及滲透係數的測定以及後來的抑製劑敏感性等研究，證實其為水通道蛋白。從此確定了細胞膜上存在運輸水的特異性通道蛋白，並稱CHIP28為AQP1 。

以後又陸續從哺乳動物組織中鑑定出9種水通道蛋白(AQP2 ～AQP10 ) ，它們與先前轉殖的晶體纖維中的主要內源性蛋白(major intrinsic protein ，MIP)有20 %～40 %的胺基酸序列同源性，目前所發現的水通道均屬MIP家族，後經證明MIP亦有弱的水通道活性，被命名為AQP0。
這些相繼發現的專一性運輸水的通道蛋白被統稱為AQPs。

AQP家族，存在於不同的組織器官中，如：
AQP2存在於腎髓質和腎皮質內腎小管細胞，約有10%的腎小球濾過液是在AQ P2的參與下被重吸收的。
AQP5大量存在於唾液腺和淚腺中，與唾液和淚液的產生有關[2]。
AQP0被認為與晶狀體的透明度有關[3]。它們對於維持人體的水分平衡是很重要的，因此與人體水分失衡所造成的一些疾病有密切關係。

AQPs除了跨膜運輸水外，近來發現還能讓其他小分子通透。 Tsukaguchi等[4]據此將其分為三類:
Ⅰ類為選擇性水通道，如AQP1、2、4、5；
II類對某些中性溶質(尿素、甘油)有一定的選擇通透性，如AQP3、7等；
Ⅲ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。
後兩類又稱水甘油通道(aquaglyceroporins)。
新分離出來的AQP10對水和中性溶質具有通透性，卻不能通透甘油和尿素[5]。

另一種分類方法就是根據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家族的絕大多數成員都具有汞敏感性，即汞製劑能夠抑制其對水的通透性；而只有AQP4和AQP7具有汞不敏感性。

據研究，AQP4與AQP1的活性不同是因為鄰近NPA基序的半胱胺酸缺失，而汞離子和有機汞通過與AQP1殘基C189形成硫醇鍵使其發生結構改變，使水通透性下降。近來研究又證實AQP1的70-73和189部份位於水孔或其附近，水孔的寬度也是可變的，而pCMBS(一種汞製劑)能通過71- 73部份而調節水通道的功能。

二、AQP4的結構
水通道蛋白(aquaporin，AQP)在腦水腫病理生理學中扮演重要的角色。迄今已在腦內已發現6種AQP，分別是AQP1，3，4，5，8，9。 AQP3、AQP5和AQP8的生理學功能未見報導外，

AQP1主要在脈絡叢內皮細胞表達，參與腦脊髓液生成[ 7 ];

AQP9主要存在於室管膜細胞以及下丘腦內側基底部的室管膜細胞，可能調節中樞神經系統細胞外間隙與體循環之間的信號傳遞[8]。

AQP4是腦內表達最多的AQP ，因此最可能與腦水腫形成和消除有關。

AQP4的基因位在人染色體18q11.2與q12.1之間的連接處，由四個分別編碼127、55、27、92位胺基酸的外顯子exon組成，並被0. 8、0. 3和5. 2kb的內含子分intron隔開。 AQP4的一級結構同其他AQP一樣，為跨細胞膜6次的單肽鏈，其胺基和羥基末端均位於細胞內，含3個胞外環(A、C、E)和2個胞內環(B、D)。

AQ P4整個分子前後兩部分在序列上相似，呈180°的正面對稱結構，內部結構與其他AQP同源性最高的是位於B環與E環上的天門冬胺酸-脯胺酸-丙胺酸(NPA )序列，NPA序列位於脂質雙分子層之間，產生一個使水分子單線通過的通道，可使水分子順滲透壓梯度雙向轉運，這是AQP家族成員共有的特徵性結構[9]。 AQP4的四級結構是由具有活性、分子量約34kDa次單位組成的四聚體。四聚體在膜上的組裝是維持AQP的穩定和其正常功能所必須的[10] 。 AQP4有3個mRNA亞型，由N端外顯子的差異所決定[11] 。它們分別是AQP41M1 、AQP41M23和AQP41M23X。 AQP41M1編碼的蛋白為M1，AQP41M23和AQP41M23X編碼的蛋白為M23 。 M1比M23在N端多22個胺基酸。亞型的表達存在組織和年齡的差異。

Ken - ichi等[12]發現， AQP4用C端第276～280的5個胺基酸固定在細胞膜上，如果發生突變或缺失會使AQP4不能固定。由於AQP4在已知的汞結合位置上缺乏半胱胺酸，所以不會被汞抑制，屬於汞不敏感性水通道蛋白(Mercurial-insensitive water channel，MI2WC)。 Amiry - Moghaddam等[13]研究發現，AQP4位置的專一性依賴抗肌萎縮蛋白複合物(dystrophincomplex) ，其成員之一的α-syn是維持AQP4在血管周圍膜極性分佈所必需的蛋白複合物。

三、AQP4的分佈與功能

1.胎兒出生時肺部功能的起動

AQP4在人體的分布很廣。在呼吸系統中，AQP4分布於支氣管上皮基底膜，(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就開始表達，一直持續至成年，在研究大鼠AQP4 mRNA表達時，發現AQP4在妊娠期胎兒僅有微弱的表達，但出生後表達迅速增強，出生後第2d mRNA水準增加8倍，達最高峰。 Yasui發現，AQP4出生後表達迅速增強，但持續時間短[14] 。 AQP表現的變化暗示某些水通道可能參與出生早期肺內液體的快速轉運，在這一時期，AQP1和AQP4的作用非常明顯，這對於儘早轉為正常呼吸功能可能具有重要意義。

2.胃酸分泌

在消化系統， Huang等[15]發現AQP4蛋白定位在胃腺中部或深部的壁細胞上， AQP4mRNA不是在壁細胞，而是在鄰近的粘膜細胞，以及在胃底部的柱形細胞上，呈現蛋白與mRNA分離現象。這些細胞均與泌酸作用有關。

3.尿液形成(尿量)

在泌尿系統中，集尿管是決定尿量的最後位置。AQP4位於腎臟集尿管上皮基底膜上，主要分布於外髓質內帶及內髓質外1P3的集尿管中[ 16 ] ，是水通過集尿管上皮基底膜的通道，功能不受血管加壓素(AVP)調節。

Hoek等[17 ]研究AQP4還表達於腎近端小管S3段上皮細胞基底側質膜，AQP4的表達量可以反映尿液濃縮量和機制，缺少AQP4的小鼠，尿濃縮功能明顯下降。

(ADH，又稱血管加壓素或抗利尿激素，影響AQP2基因的表現，促進AQP2蛋白的合成，經由胞吐作用運輸至細胞膜)

4.肌肉收縮

在運動系統中，AQP4分布在快肌纖維細胞膜上，可能與細胞的收縮有密切關係。

5.眼部液體的調節
在眼球中，眼球的液體轉運是非常活躍的，AQP4分佈於睫狀體非色素上皮細胞的基底膜、虹膜色素細胞、視網膜內顆粒層和外顆粒層及神經節細胞層[18 ] ，AQP4在視網膜血管的神經膠細胞突起上，也有很大量的分布。

6.腦部水分的調節

AQP4mRNA在腦內的表達含量是眼、腎肺等器官的10倍左右，是腦內主要的水通道蛋白。 AQP4在側腦室及導水管的室管膜細胞、脈絡叢上皮、軟腦膜、下丘腦、視上核、視旁核、海馬齒狀回和小腦蒲肯野細胞均有明顯表達。有研究者發現，AQP4蛋白主要分布在星形膠細胞和室管膜細胞，尤其在毛細血管和軟腦膜直接接觸的星狀膠細胞上有大量的表現，這表明腦血管周圍的星狀膠細胞突起是水分子進出的主要部位。在神經元、寡樹突膠細胞、小膠細胞內未發現AQP4[19]。但Venero等[20]認為神經元可能表達少量AQP4。石向群等[21]發現，AQP4主要分布於面向微血管內皮細胞、軟腦膜和腦室管室膜膠細胞的細胞膜或突起上，呈明顯的極性現象，暗示AQP4分佈與腦內水分轉運具有同向性。免疫電泳顯微鏡觀察證實，在朝向血管面及軟膜面的膠細胞細胞膜有選擇性的AQP4表達。這種分布特性暗示AQP4與維持大腦水分平衡有密切的關係，它是膠細胞、腦脊液及血管間的水分調節及運輸的重要結構。