水通道蛋白在胶质细胞的表达及其意义

章 杰，芦立轩，江 华

(第二军医大学上海长征医院整形外科，上海200003)

水通道蛋白(aquaporins，AQPs)是一类介导细胞跨膜水转运的膜蛋白家族，共13 种(AQP0-AQP12)［1］，其在中枢神经系统胶质细胞内表达(AQP1，2，3，4，5，8，9)及在周围神经系统胶质细胞内表达(AQP1，2)，对胶质细胞的作用发挥和神经系统疾病的发生有重要意义［2］，本文就与胶质细胞相关的各AQP 蛋白亚型分别在中枢和周围神经系统胶质细胞内的生理和病理分布及功能意义综述如下。

1 水通道蛋白在中枢神经系统胶质细胞的生理和病理分布

1.1 AQP1

AQP1 是研究最多的水通道蛋白，其在脑和脊髓都有表达。脑AQP1 主要表达在产生脑脊液的脉络丛上皮细胞上，AQP1 敲除使脉络丛渗透性降低了80%，并使脑脊液产率下降了1/4，表明AQP1 参与调节脑脊液的形成［3］。在生理状态下，体外培养的星形胶质细胞并不表达AQP1，而在蛛网膜下腔出血、脑挫伤、自发性高血压、克雅氏病、脑梗死和多发性硬化等病理状态下脑星形胶质细胞内表达AQP1，暗示AQP1 具有病理状态下调节水转运的作用［4］。一项最新的研究发现，MAPK 信号通路能诱导损伤后的星形胶质细胞表达AQP1［5］，该研究通过体外培养星形胶质细胞模拟体内脑皮质戳伤，发现细胞损伤后16h 诱导了AQP1 表达，并通过U0126 抑制MEK1/2 能阻断此诱导。

有证据表明，脊髓损伤后伤口周围的星形胶质细胞AQP1 表达也显著增高，而伤口远处的星形胶质细胞AQP1 表达明显更低［6］。因此，鉴于损伤后低氧刺激星形胶质细胞迁移，可能是由于脊髓损伤后的低氧状态激发了星形胶质细胞内AQP1 合成，然后使星形胶质细胞向损伤位置迁移。AQP1 在中央管周围的脊髓室管膜细胞内也有表达，而且在脊髓后角含C 纤维的痛觉神经元表达，AQP1 敲除小鼠温度和化学诱导的小鼠痛觉反应发生明显障碍，提示AQP1 可能参与痛觉神经信号传导。

1.2 AQP2

以往研究报道AQP2 只在肾集合管表达，但有研究使用基因芯片技术发现AQP2 也在中枢神经系统部分区域表达，包括室管膜细胞层、脊髓、皮质下白质和海马［7］，但具体作用及其作用机制还有待进一步研究。

1.3 AQP3

AQP3 在胶质细胞系统内表达较少，有研究发现AQP3 在星形胶质细胞和神经元内表达［8］，并证实在低氧和复氧过程中AQP3 表达发生改变。

1.4 AQP4

AQP4 在大脑和脊髓中广泛表达，尤其是在脑实质的血管周围和与脑脊液直接接触的组织中表达强烈，包括参与形成血脑屏障的星形胶质细胞足突、胶质界膜、室管膜细胞和室管膜下星形胶质细胞，参与脑和脊髓水肿的形成和消退［9］。

AQP4 在活性小胶质细胞内也有表达，小胶质细胞表达AQP4 可能代表一种分子水平适应维持受损脑组织的水离子平衡。星形胶质细胞的缺失和活性小胶质细胞的增生可能提示在星形胶质细胞缺乏的情况下活化的小胶质细胞内表达AQP4，对钾离子的清除和渗透平衡的恢复起重要作用。

有研究发现在颞叶癫痫标本中AQP4 表达也发生改变，在化学诱导癫痫模型中，AQP4 敲除鼠发生抽搐的频率和程度明显低于野生型对照鼠，表明AQP4 参与神经元放电活动［10］。

AQP4 也参与自闭症，已有研究证实自闭症大脑标本有星形胶质细胞增生或小胶质细胞活化，提示神经胶质细胞激活在自闭症中发挥作用;通过分析自闭症患者脑脊液发现AQP4 表达下降，并导致细胞结构和细胞容积发生改变，其原因可能是为适应离子平衡的稳定。通过RNA 干扰抑制体外培养的星形胶质细胞AQP4 表达，发现细胞形态发生皱缩，渗透性能下降，提示AQP4 对维持星形胶质细胞容积和大脑内环境稳定有重要作用［11］。有研究发现AQP4 维持星形胶质细胞容积是通过与瞬时感受电位蛋白4(TRPV4)结合形成AQP4/TRPV4 复合物而发挥作用的，其可以作为渗透感受器调节大脑容积的内稳态［12］。

近来还有研究应用免疫组化和形态计量法检测70 例尸检大脑标本(22 例淡水溺死标本、26 例海水溺死标本和22 例非溺死标本)中AQP1 和AQP4 的表达差异，发现AQP4 表达具有诊断意义，即淡水溺死(FWD)组的大脑星形胶质细胞AQP4 表达明显高于海水溺死(SWD)组和对照组，可将大脑内AQP4 表达用来法医鉴定是淡水溺死还是海水溺死［13］。

1.5 AQP5

AQP5 仅在中枢神经系统的星形胶质细胞和神经元内被检测到。大鼠星形胶质细胞原代培养，用dbcAMP 处理可引起AQP5 mRNA 和蛋白表达的下降，而且dbcAMP 诱导对AQP5 的影响能被蛋白激酶A(PKA)抑制剂所抑制，提示PKA 是调节AQP5表达的主要信号通路，进而证实PKA 是星形胶质细胞主要信号传导通路之一，其调节细胞生长、mRNA表达和酶的活化［14］。

1.6 AQP8

最近才有学者发现AQP8 在大脑Bergmann 胶质细胞、耳蜗神经核及斜方体核内也有表达，表明AQP8 与其他AQP 家族一起共同维持大脑微环境稳定［8］。在脊髓内AQP8 主要表达在室管膜细胞内，星形胶质细胞和少突胶质细胞也有少量AQP8 表达。AQP8 的这种表达形式提示AQP8 可能与AQP4和AQP9 一起在水转运过程中发挥作用。包围毛细血管表面的星形胶质细胞突起(血管周足突)表达的AQP4 可能参与跨血管周间隙的水转运，而AQP8可能接下来促进水转运至中央管。

1.7 AQP9

AQP9 是一种运输甘油、甘露醇和尿素的水通道。在脑内，AQP9 表达在GFAP 阳性的缺乏纤毛的室管膜细胞上，其称为脑室膜细胞。AQP9 还在胶质界膜和白质上的星形胶质细胞内表达。相比较AQP4 主要表达在星形胶质细胞足突上，AQP9 则表达在整个星形胶质细胞的胞体和足突上，是脑星形胶质细胞的重要特征。与大脑类似，在脊髓的胶质界膜和白质细胞亚群也发现AQP9 染色阳性。

AQP9 可能与AQP4 类似，参与细胞外水平衡的调节和水肿形成，似乎也促进甘油和单羧酸盐的扩散，在脑卒中和脑损伤等缺血病理状态下AQP9 表达增加，并对细胞外隙乳酸盐的清除发挥作用［15］;有学者发现内皮缩血管肽可以降低星形胶质细胞AQP9 的表达，并且能够降低胞膜的水通透性［16］。

2 水通道蛋白在周围神经系统胶质细胞的生理和病理分布

2.1 AQP1

AQP1 在周围神经系统胶质原纤维酸性蛋白(GFAP)表达阳性的雪旺细胞内表达［17］，而且也在周围神经系统的背根神经节、三叉神经节、结节性神经节的雪旺细胞和卫星细胞内表达［18］，明确了AQP1 在周围神经系统的定位，但AQP1 对雪旺细胞具体作用机制及在周围神经系统疾病中的作用还有待进一步研究。

2.2 AQP2

AQP2 首先是在鼠急性炎性疼痛模型中三叉神经节的雪旺细胞和卫星细胞内发现，而且细胞内AQP2 发生重分布［19］。也有研究在大鼠坐骨神经慢性挤压模型(CCI)中，发现AQP2 在小直径背根神经节神经元和雪旺细胞内都表达增高［20］。基于这些数据，AQP2 可能参与周围神经系统的疼痛传导。事实上，已经有大量研究提供了间接证据支持渗透性在疼痛传导路径中的作用。并且AQP2 可能参与具有特征性的离子流入细胞进程，如损伤的信号传导、神经传导和突触传递等。

3 展望

AQPs 的发现帮助阐明了包括神经系统在内的各种组织水转运的分子基础。基因敲除小鼠已经证明AQPs 在经上皮水转运、细胞迁移、甘油调节和脑脊液形成中发挥重要作用。

本文通过综述AQPs 在胶质细胞系统的表达，发现胶质细胞的作用发挥与水通道蛋白关系密切，胶质细胞是通过AQPs 来调节内环境稳态和提供合适的神经元环境，尤其在脑缺血、脑梗死、脑肿瘤、脑创伤、自发性高血压、感染、周围神经水肿、癫痫、自闭症和阿尔茨海默病等病理状态下，胶质细胞内AQPs 都有特异性改变，而且对神经系统水肿的消除、水离子平衡的稳定、损伤后的神经再生等病理过程起直接作用，提示AQPs 可作为这些疾病的诊断标记，或以水通道蛋白为靶目标，通过基因敲除、RNA 干扰、转基因和开发水通道蛋白抑制或激活药物，从而达到治疗神经系统疾病的目的。

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