水通道蛋白1与肿瘤

胡 科综述 杨继元审校

水通道蛋白家族是位于生物膜上具有快速水转运及离子转运功能的一族蛋白质。水通道蛋白1(Aquaporin-1,AQP1)是第一个被发现的水通道蛋白,研究发现其不仅能介导水及离子转运,还对细胞内外气体交换、肿瘤血管的生成及细胞迁移产生重要影响。本文就AQP1的研究进展作一综述。

1 AQP1的生物学特征及调节机制

1.1 AQP1的生物学特征

20世纪80年代,研究者们在对红细胞膜上的Rh抗原进行分离、纯化时偶然发现了一个相对分子量为28k Da的膜蛋白,由于该蛋白的一些物理特性与跨膜通道蛋白相似,因此被暂时命名为类似通道的膜整合蛋白28(CHIP28)。1992年,Preston等[1]将体外合成的CHIP28 cRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞,使其表达CHIP28蛋白,首次证明了CHIP28具有水通道功能。随着越来越多CHIP28类似物的发现,水通道蛋白这一名称即被作为水通道家族的总称,而CHIP28则被AQP1所取代。

AQP1以四聚体形式存在于细胞膜上,其单体亚单位是由268个氨基酸组成的一个“沙漏型”结构,氨基末端和羧基末端均位于细胞质侧,有6个跨膜螺旋结构以及连接这6个跨膜结构的5个环袢,包括位于细胞外的A、C、E袢及位于细胞内的B、D袢。在B袢和E袢上存在高度保守的天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸(NPA)串联重复序列,两个 NPA结构在细胞膜脂质双层内并置,形成了“沙漏型”结构中的单水孔道,与一个水分子大小相当[2]。AQP1基因定位于人染色体7p14处,基因序列包括4个外显子、3个内含子,研究发现AQP1基因在人类多种组织中均有表达,如肾近曲小管、毛细血管、纤毛、晶状体、肝胆管、胆囊、脉络丛等[3]。不仅如此,目前已发现多种不同类型的人肿瘤也有AQP1的表达,包括肺腺癌、胆管癌、神经胶质瘤、喉癌、血管瘤、肾癌等[4,5]。

1.2 AQP1的调节机制

目前对AQP1的调节机制知之甚少,已知的机制包括两种:(1)通过调节AQP1的表达量对其功能进行控制。微阵列分析表明雌激素能够上调AQP1基因表达,进而使血管内皮的通透性增加[6]。如King等[7]发现AQP1启动子中存在糖皮质激素反应元件,能够增加成年鼠和新生鼠肺中AQP1的表达,表明激素可对AQP1的表达进行调节;(2)通过环核苷酸或蛋白激酶C途径进行调节。研究表明AQP1是环化鸟苷酸(cGMP)依赖的门控离子通道,环化腺苷酸(cAMP)也能够间接作用于AQP1,增加细胞膜上水及阳离子的转运[8,9]。而Zhang等[10]则发现蛋白激酶 C能够使AQP1上的第157位和第239位丝氨酸发生磷酸化,进而使通道开放,从而调节AQP1介导的水及离子的细胞内外传导,并且这一途径是独立于环核苷酸途径的AQP1活化途径。

2 AQP1与肿瘤血管生成

肿瘤血管对于实体瘤的生长具有重要意义,Folkman[11]曾提出如果通过抑制肿瘤血管生长来阻断肿瘤的血供,使其得不到营养及氧气供应,则可抑制肿瘤生长。肿瘤新生血管的形成主要包括三个步骤:(1)基质降解;(2)内皮细胞增殖、迁移、分化;(3)血管周细胞、平滑肌细胞整合。其中任何一个步骤被干扰,即会影响血管生成。

AQP1在人类和鼠类的肿瘤微血管及鸡胚尿囊膜上均有较高表达。Pan等[12]的研究表明在子宫内膜癌中,AQP1与肿瘤内的微血管密度成正相关,而且AQP1/微血管密度比值与血管内皮生长因子(VEGF)的表达也成正相关。Yang等[13,14]的研究也显示卵巢上皮癌中AQP1及AQP5的表达与肿瘤微血管密度、腹水形成成正比;Kaneko等[15]将人视网膜血管内皮细胞培养于乏氧环境中,发现AQP1 mRNA及蛋白表达水平均显著增加,抑制VEGF信号并不影响AQP1的表达,而同时抑制VEGF信号及干扰AQP1表达能显著抑制肿瘤血管生长。Saadoun等[16]将AQP1基因敲除的黑色素瘤细胞行小鼠皮下种植,并与未行干预的移植瘤进行比较,发现AQP1基因敲除小鼠移植瘤内的血管生成被显著抑制,并且肿瘤体积和生长速度与对照组相比也明显减慢,因而认为AQP1能够促进肿瘤的血管生成和肿瘤生长。除此之外,他们还将AQP1基因敲除小鼠的主动脉内皮细胞与正常小鼠主动脉内皮细胞进行培养比较,发现AQP1基因敲除的小鼠主动脉内皮细胞的迁移能力明显下降,而在细胞形态、生长速度、黏附力方面二者并无明显差别。目前有两种机制解释AQP1对细胞迁移的作用:(1)AQP1能够促进跨膜水转运,使细胞体积和形状发生改变,以利于其在细胞外空间的迁移;(2)肌动蛋白解聚以及迁移细胞顶端的离子流入(Na+/H+交换)使细胞顶端渗透压升高,由于AQP1聚集于细胞顶端,水流在渗透压作用下快速进入细胞顶端胞浆内,造成顶端细胞膜伸展,形成伪足,其余部位细胞膜发生皱缩,此时肌动蛋白重新聚合于此,以维持伪足形态稳定和细胞移动[17]。由此推测,AQP1可能通过血管内皮细胞迁移而促进肿瘤血管新生。

AQP1对于肿瘤血管新生具有特异性。无论对于胚胎生长还是肿瘤生长,血管新生均至关重要,然而Saadoun等[16]的实验发现,AQP1基因敲除小鼠的胚胎发育和血管生成并未受到明显影响,相比之下,AQP1基因敲除的肿瘤其血管生成却受到显著抑制,说明AQP1在病理条件下可促进肿瘤血管网与微环境的异常变化。有研究者认为这种作用与肿瘤血管的高通透性及间质高压有关[18]。由于肿瘤血管的高通透性导致细胞间质内流体静压以及胶体渗透压升高,使血管内外压力基本平衡,跨血管壁的液体对流随之减少,进而阻碍治疗药物通过压力方式向瘤内传递,使一些化疗药物的治疗效果下降。不仅如此,肿瘤血管的高通透性使血浆蛋白外渗,为迁移中的内皮细胞建立起暂时性支架,使其能够顺利进入其后的血管生成步骤。

3 AQP1对气体交换和放疗的作用

3.1 AQP1与细胞内外气体交换

Nakhoul等[19]将AQP1 cRNA注入爪蟾卵母细胞使其细胞膜上能够表达AQP1,发现表达AQP1的卵母细胞转运CO2比对照组快了40%。但AQP1在哺乳动物细胞是否也有这种作用尚无定论。在小鼠,AQP1的缺失并不影响红细胞或者肺对CO2的通透性[20]。但是,AQP1缺失的人红细胞,对CO2的通透性比正常红细胞减少了60%[21]。

传统观点认为O2是通过自由扩散方式通过细胞膜的,但是近年来有研究表明细胞膜脂质双层对O2的通透性比之前预想的低了几个数量级,因此有研究者提出在细胞质膜上存在一种O2通道,以满足细胞在高氧耗或者低氧情况下对O2的摄入[22],哺乳动物的快速气体交换细胞(如红细胞、微血管内皮细胞)具有较高的AQP1表达量[23,24],都为AQP1作为气体交换孔道提供了证据。但由于AQP1基因敲除小鼠并未出现呼吸窘迫或者肺和红细胞CO2转运障碍,使得一些研究者对这一观点持反对意见。支持者们对此的解释是,可能有其它的AQP弥补了AQP1缺失所致的气体交换障碍,才没有出现以上现象。

Echevarría等[25]将稳定转染了 AQP1的哺乳动物细胞置于乏氧环境中,发现细胞内的O2流失增加,导致乏氧诱导因子-1(HIF-1)的快速稳定及HIF-1依赖性基因的表达上调。而在含氧量正常的内皮细胞,敲除AQP1后会造成乏氧诱导基因的上调。除此之外,他们还发现在乏氧条件下,动物肺组织中AQP1表达量会显著升高。这些结果均表明AQP1具有氧通透性,能够介导O2的跨膜扩散。

3.2 AQP1与放射治疗

放射治疗是一种通过放射线破坏肿瘤细胞DNA,导致细胞死亡的治疗方法。包括X射线或γ射线在内的任何形式的辐射,生物体吸收后都有可能直接与其细胞DNA发生作用,使DNA中的原子被电离或激发,从而启动一系列生物效应(即辐射的直接作用)。高传能线密度射线(高LET射线)主要通过这种直接作用杀伤肿瘤细胞。射线还能与细胞内水分子相互作用,形成水合电子和自由基,自由基可通过扩散方式到达靶部位并损伤DNA,在有O2存在的情况下,O2与自由基作用形成有机过氧基(RO2),并最终在靶分子DNA上形成ROOH,使靶分子DNA损伤被固定下来,即O2对放射线的损伤起了“固定”作用,是重要的放疗增敏剂[26]。然而,乏氧是实体瘤内微环境的重要特点之一,并且乏氧细胞对放射线相对耐受,从而导致射线杀伤效应下降。而AQP1作为细胞膜上介导O2跨膜运输的重要蛋白,对肿瘤细胞增加O2摄取可能存在重要作用,如果其表达升高,将使肿瘤细胞摄O2增加,使其对射线作用更为敏感,从而提高放射治疗的效果。

4 结 语

AQP1作为AQP家族的一员,近年来受到越来越多的关注,尤其是其在肿瘤发生发展中作用的发现,为抗肿瘤治疗提供了新的策略。头颈部肿瘤放疗后致唾液分泌功能减退造成患者生活质量下降,为解决这一问题,Baum等[27]将AQP1 cDNA转染至鼠及猪的因放疗损伤的腺体中,成功恢复了腺体的分泌功能,并且发现这一基因治疗策略的毒副作用小,目前该疗法已经进入临床试验阶段。随着各种分析检测技术的提高,相信其在人类疾病中所发挥的作用会被不断揭示,为疾病的治疗带来益处。

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