水通道蛋白结构及在女性生殖器官中的生理作用

卫梦南 综述 刘建 审校

（重庆医科大学第二附属医院 产科，重庆 渝中区 400010）

为维持生命而进行的水的输送是生命必须活动。长期以来普遍认为，细胞内外的水分子是以简单的跨膜扩散方式透过脂质双分子层。近年来，在许多动、植物及微生物中相继发现类似的专一性运输水的通道，统称为水通道蛋白(aquaporin，AQP)。它属于主要内源性蛋白(major intrinsic protein，MIP)家族成员之一，是特异性跨膜转运水的通道蛋白，能够改变细胞膜对水的通透性，维持细胞内外水的平衡，在生物体各组织器官中发挥重要作用。女性生殖器官中的子宫、卵巢、输卵管部位，卵泡的排卵、月经的形成等，都涉及到液体的流动以及宫腔或卵泡腔容积的改变。只允许水通过的选择性通道蛋白即水通道蛋白的存在逐渐清晰。

一、AQPs的发现和性质

1.AQPs的发现：AQPs是一组广泛存在于原核和真核生物细胞膜上选择性高效转运水分子的孔道。第1个AQPs是1988年由Agre等从红细胞膜上分离、纯化Rh血型多肽时偶然发现的，是一个28ku的疏水性膜内在蛋白，称为形成通道的28ku的膜整和蛋白(channel-forming integral membrane protein 28ku，CHIP28)，并于1991年完成了CHIP28的cDNA克隆，1992年在非洲爪蟾卵母细胞表达系统中证实了其水通道功能，确认了细胞膜上存在AQPs的理论。此后，CHIP28经人类基因委员会命名为水通道蛋白1(aquaporin-1，AQP1)，以后又陆续从哺乳动物组织中鉴定出11种AQPs(AQP2～AQP11)，它们与先前克隆的晶体纤维中的MIP有20%～40%的氨基酸序列同源性，所以目前发现的AQPs属于MIP家族，后经证明MIP也有弱的水通道活性，被命名为AQP0。这些相继发现的运输水的通道蛋白被统称为AQPs。

2.AQPs的分子生物学特性：迄今为止，哺乳动物细胞膜上已发现13种AQPs(AQP0～AQP12)[1]。所有已知的动物、植物、微生物中的AQPs不同成员之间的基因序列具有一定的同源性，它们含有250～290个氨基酸。不同AQPs之间的主要差异位于N端和C端，其中，1个大的外显子(外显子1)编码N端分子，3个小的外显子(外显子2～4)编码C端分子。AQPs是一种相对分子量约30KD的糖蛋白，AQPs一级结构含6个跨膜区段和2个半通道，由疏水蛋白6次跨膜形成5个环路(A-E环)，含2个胞内环(B,D)和3个胞外环(A,C,E)，E环对外界环境非常敏感，可激活AQPs功能，B环和E环疏水性，其余环亲水性。

AQPs整个分子前后两部分在序列上相似，在膜上呈1800对称镜像结构，接近氨基端和羧基端的B环和E环各有由3个氨基酸(天冬酰氨一脯氨酸一丙氨酸)组成的基元，这是该蛋白家族成员共有的高度同源特征性结构。AQP1、2、5的E环和AQP3的B环的萘基酞基氨酸(naphthylphthalamic acid，NPA)序列前均有半胱氨酸，其中E环的C189为汞抑制部位，并位于水通道核心部位即AQPs“口部”附近的可能性最大，由此推测AQPs的结构为沙漏模式。B环和E环下沉至双分子层内，整个分子两部分在NPA处折叠形成狭窄水孔，孔道大小约为一个单水分子，宽度足以让水分子鱼贯通过，均为汞抑制部位。这一发现从化学结构上澄清了水通道蛋白的筛选输运机制[2]。AQPs的二级结构由40%的a-螺旋和42%～43%的β片层及转角构成；它的三级结构以四聚体形式存在[3]，每一个单体都是独立的功能性水通道，在膜上处于反向相对位置的B环和E环功能性水选择性通透十分重要，E环和B环呈显著疏水，它们的任何变异都会引起水通道活性的下降。

3.AQPs的转运功能:AQP家族成员根据功能特性的差异分为两个亚家族：（1）AQP家族，包括 AQP0，AQP1，AQP2，AQP4和 AQP5，有 4O%～5O%的氨基酸同源，对水的通透性均有高度的选择性； （2）aquagIyceroporins，包括 AQP3，AQP7，AQP9和AQP10，它们的核苷酸序列相近，对水的通透选择性相对差，对甘油、尿素等也具有通透性。其他包括 AQP6，AQP8，AQP11和AQP12具有独特功能和基因结构(除AQP6)而没有归类[4]。水从不同方向接近水孔通道，水分子首先打破自己的氢键，再与水孔通道两个亲水残基分别形成两个相连的氢键。水孔通道中Arg-195残基对所有阳离子包括H3O+电荷排斥，而NAP结构的两个短孔螺旋形成的电偶结构亦可强力阻止阳离子的渗入，这样就形成了AQPs对水的专一通透性。

二、AQP在女性生殖器官中的生理作用

1.在子宫上的表达和功能:AQP1在人类胎盘绒毛膜板的羊膜上皮细胞及胎膜的羊膜上皮细胞中均有阳性表达，主要表达在羊膜上皮细胞膜的侧膜。在正常月经周期的增生期和分泌期子宫内膜均可检测到AQP1的mRNA的表达，AQP1蛋白表达于子宫内膜间质的毛细血管及小血管的内皮细胞。AQP1是血管内皮表达的水通道蛋白，绝大部分都位于细胞膜脂质双分子层中。AQP1的四聚体结构可能与维持各单体的稳定性有关。

子宫内膜腺上皮的AQP2表达在分泌期高于增生期，以分泌中期最高，这与内膜水肿的产生一致。AQP2可能参与人类子宫内膜水转运，在子宫内膜的周期性改变中起重要作用。AQP2的表达与雌二醇和孕酮的浓度有关，并受雌激素和孕激素的调节。

AQP2在月经周期的不同时期表达发生改变，或许对人类生殖生理非常重要[5]。AQP2的表达呈周期依赖性，并在腺泡的腺上皮上有表达，但在间质中无表达，部分血管AQP2染色阳性。在分泌中期，也就是胚胎种植的窗口期，局限于胚胎种植部位，该处血管渗透性急剧增加，与此一致，AQP2在此处血管内皮上表达明显增加。提示AQP2可能参与内膜的水肿，月经形成等作用[6]。雌激素对子宫内膜的重要作用是促进子宫内膜对水的吸收，雌激素通过雌激素受体a型(ERa)，ERβ发挥作用，已知雌激素对生殖的作用主要是通过a受体发挥作用，敲除a受体的小鼠无生育能力。进一步研究表明，雌激素是通过ERa直接调节AQP5基因起作用[6]。AQP3和AQP8在子宫上亦有表达。AQP3主要在腔上皮细胞表达，而子宫肌层和腺上皮有部分表达。AQP3能促进水分进入腺泡，雌激素能减少宫腔液体的黏性，雌激素的治疗使腺上皮细胞的细胞膜对水的通透性明显增加，雌激素通过上调AQP3的表达提高上皮层对水的通透性[7]。AQP8主要在间质细胞的子宫肌层有表达，是子宫间质细胞表达的唯一AQP，可能有助于水分在该区域的合理分配。水渗透人子宫组织，从毛细血管到间质细胞周围。扩散增加，导致血管充血，毛细血管的通透性增加AQP8可防止水分进入子宫肌层，有助于水分在整个间质快速充盈。这些AQP在限制水分进入间质层防止肌层水肿方面起重要的作用。

2.在卵巢和输卵管上的表达:AQP2在胰腺、输卵管和周围神经中也有较弱的表达，AQP2在输卵管的表达位于卵巢皮质细胞膜的顶端或顶端下方。AQP3在卵巢上也有较弱的表达，主要在原始的卵母细胞、黄体、子宫内层上皮细胞、输卵管和宫颈上表达。在输卵管内，AQP3在非纤毛细胞和纤毛细胞上都有表达，但在纤毛上皮表达更明显[8]。AQP4是哺乳动物大脑中最重要的水通道。敲除AQP4能降低雌、孕激素的浓度。研究表明，AQP4不仅能调节水和离子的转运，而且调节卵巢激素和神经递质的功能[9]，与癫痫的发作有密切关系[10]。在促性腺激素释放激素(GnRH)的刺激下，窦卵泡的形成是一个快速的过程，卵泡腔扩张的速度是前窦卵泡期的50倍。Powers等[11]发现.卵泡确实能在窦卵泡和卵泡的血供间维持一种选择性屏障，甚至对离子都不例外。此外，窦卵泡发育需要大量水的吸收液，不可能通过多层颗粒细胞从细胞外周获得。因此，进入卵泡腔的水有着更直接、相当短的途径通过颗粒细胞的胞质，这个途径就是水通道，研究发现，水分子进入卵泡的速率是菊糖的3.5倍。卵泡腔液体的形成是跨细胞膜完成的，而不是围绕细胞外周的渗透完成[12]。

三、展望

AQP在女性生殖器官的生理过程中起到了重要作用。随着研究的进展，AQP将会为一些与水代谢有关的妇产科疾病的研究提供新思路，为临床治疗妇产科疾病提供新方法。

[1]MASYUK AI,LARUSSO NF.Aquaporins in the hepatobiliarsystem[J].Hepatology，2006，43(2)：S75-S81.

[2]MURATA K,MITSUOKA K,HIRAI T,et al.Structural determinants of water permeation through aquaporin-1[J].Nature，2000，407：599-605.

[3]VIADIU H,GONEN T,WALZ T. Projection map of aquaporin-9 at 7 A resolution[J].Mol Biol，2007，367(1)：80-88.

[4]MAGNI F,SARTO C,TICOZZI D,et al.Proteomic knowledge of human aquaporins[J].Proteomics，2006，6(20)：5637-5649.

[5]HILDENBRAND A，LALITKUMAR L，NIELSEN S，et a1.Expression of aquaporin 2 in human endometrium[J].Fertil Steril，2006，86(5)：1452-1458.

[6]KOBAYASHI M,TAKAHASHI E,MIYAGAWA S，et al.Chromatin immuno-precipitation- mediated target identification proved aquaporin 5 is regulated directly by estrogen in the uterus[J].Genes Cells，2006，11(1O)：1133-1143.

[7]JABLONSKA EM,MCCONNELL NA,HUGHER FMJR，et al.Estrogen regulation of aquaporins in the mouse uterus：potential roles in uterine watermovement[J].Biol-Reprod，2003，69(5)：1481-1487.

[8]MOBASHERI A,WRAY S,MARPLES D.Distribution of AQP2 and AQP3 water channels in human tissue microarrays[J].J Mol Histol，2005，36(1／2)：1-14.

[9]SUN XL，DING JH，FANY，et al.Aquaporin4 regulatesthe effects of ovarian hormones on monoamine neurotransmission[J].Biochem Biophys Res Commun,2007，353(2)：457-462.

[10]JHSU MS，LEE DJ，BINDER DK.Potential role of the glial water channel aquaporin-4 in epilepsy[J].Neuron Glia Biol，2007，3(4)：287-297.

[11]POWERS RW，CHEN L，RUSSELL PT，et a1.Ge nadotropin stimulated regulation of blood-follicle barrier is mediated by nitric oxide[J].Am J Physiol，1995，269(2 pt 1)：290-298.

[12]MCCONNELL NA，YUNUS RS，GROSS SA，et a1.Water permeability of an ovarian antral follicle is predominantly transcellular and mediated by aquaporins[J].Endocrinology,2002,143(8)：2905-2912.