肺水通道蛋白的研究进展

檀俊涛 王喆 梁良 徐红萌

水通道蛋白(aquaporin，AQPS)是新近发现的一组与水通透性有关的细胞膜转运蛋白，是一种可调节进出细胞膜的水通道同源蛋白质家族的总称，它的发现在分子水平上揭示了水跨膜转运的调节机制。AQPS在维持肺脏的液体平衡中起着重要的作用。本文就肺AQPS的研究进展做一综述。

1 AQPS的结构

1988年Agre发现了整合膜蛋白28(CH 1P28)后命名为水通道蛋白1(Aquaporin 1，AQP1)。目前为止在哺乳动物中已发现13种AQPS亚型，AQP 0～12。目前对于AQPS的结构研究已较为明确［1，2］，认为2个稳定的天门冬酰胺-辅氨酸-丙氨酸基序的辅氨酸残基使长α螺旋和短α螺旋固定在水孔的中心，折叠中形成1个单水孔道。其氨基端和羧基端均位于胞内，这些研究证实了结构基础是AQPS对水高渗透而不转运质子的原因。

2 肺中AQPS的分布

分布于肺组织中的 AQPS有6种(AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8、AQP9)。Kreda 等［3］用原位杂交和免疫荧光技术检测了AQPS在人呼吸道的定位情况，结果显示AQP5位于呼吸道上皮表层的柱状上皮细胞顶膜和黏膜下腺腺泡细胞顶膜。AQP4位于纤毛管基底侧细胞膜和腺体细胞基底侧细胞膜。AQP3出现在上皮表层和腺泡的基底细胞。在终末和远端支气管中，其表达有从基底细胞到表层细胞迁移的趋势。AQP5和AQP4表达于肺泡Ⅰ型上皮细胞。AQP1主要表达在呼吸道旁毛细血管、淋巴管及胸膜脏层的间皮细胞上，也有少量分布于肺泡Ⅱ型上皮细胞顶膜面上。AQP8和AQP9在肺组织定位尚不清楚。这样的立体分布使得肺组织各个解剖层均有AQPS分布，从而参与不同部位水分子转运。

3 肺水通道蛋白的生理功能

AQPS在肺组织液体转运中关系紧密，它调节肺水平衡，在肺泡和肺间质及肺毛细血管间的水跨膜转运中发挥着重要作用，尤其对清除肺泡内多余的液体起着主导作用［4］。美国加州大学心血管研究所Verkman试验时发现AQP1或AQP5基因缺失的小鼠，肺泡毛细血管间的水通透性下降10倍，AQP1、AQP4基因敲除小鼠降低14～16倍［5］，而两者共同敲除后水的通透能力可以下降30 倍［6，7］，说明 AQP1、AQP5 在肺组织内水转运及肺水平衡调节起重要的作用。AQP1缺失小鼠胸膜腔内液体吸收速率是正常的25%［8］这些发现均表明AQP1及AQP5在小鼠肺的发育演变过程中液体清除方面起了重要作用。牛慧慧等［9］观察到正常胎肺组随孕周增加(孕28+2周～孕37+4周)AQP5 mRNA表达量有上升趋势;异常胎肺组中局部肺不张组织(孕31+4周)AQP5 mRNA表达量最高，肺发育不全患儿(孕28+6周)AQPAQPS mRNA表达量最低，孕31周较孕27+2周的肺水肿胎肺AQP5 mRNA表达量高。提示AQP5为肺发育成熟的标志因子之一，随胎儿逐渐发育成熟AQP5的表达量增加可增强对肺泡液的吸收，从而减轻或避免肺水肿的发生。上述研究证明AQPS具有转运或协同水转运的能力。

4 AQPS的调节

AQPS的调节大致可以分为两种:第一种是通过调节AQPS的活性来调节其功能。有学者研究表明:AQPS磷酸化为cAMP依赖性，即在某些因素作用下，腺苷酸环化酶被激活，使细胞内cAMP增加，进而活化蛋白激酶A(PKA)或蛋白激酶C(PKC)，PKA或PKC催化水通道蛋白上的丝氨酸磷酸化，从而增加膜对水的通透性［10］。第二种是通过改变细胞上AQPS的含量来调节跨膜水流动。类固醇可在转录水平诱导大鼠胎肺和成年肺表达AQP1，皮质类固醇使胎肺AQP1mRNA表达增加6倍，并在AQP1启动子中发现糖皮质激素反应件，提示内分泌激素可调节AQPS表达。

5 AQPS与肺部关疾病

5.1 AQPS与肺部感染 Towne等［10］利用某种呼吸道腺病毒感染小鼠造成的病毒性肺炎。发现AQP1和AQP5在鼠肺中的表达降低，提示AQPS的减少可能是肺水在肺间质聚集的重要原因。这是首次研究显示AQPS与肺部感染、水肿有关。

5.2 AQPS与哮喘 董春玲等［11］证实了AQP5降低会导致哮喘时肺水在毛细血管与肺泡间转运失衡，进一步提示地塞米松极可能通过提高AQP5水平以加快肺泡内液体的清除，从而减轻肺组织的水肿程度。发挥其减轻哮喘炎症作用。唐顺广等［12］研究发现，AQP1参与了哮喘急性炎症期的发病机制，在哮喘急性期炎症渗出、液体异常流动中起重要作用。AQP3可能在保持气道表面的液体平衡并且对防止细菌入侵、起到重塑作用。AQP4可能参与了哮喘条件下粘液分泌的调控，AQP5与气道高反应性、气流受限、调节气道水稳态有关。

5.3 AQPS与机械性肺损伤 刘洋等［13］发现AQP5表达下调参与了机械通气诱发大鼠肺水肿的发生。林飞等［14］认为在胸科手术单肺通气过程中，AQP1在调节肺内液体平衡中起到明显作用，可能参与了机械通气至急性肺损伤的发病过程，而AQP4与其无明显相关。

5.4 AQPS与急性肺损伤 王晴等［15］研究发现内毒素所致急性肺损伤中幼鼠肺组织AQP1表达明显下调。杜惠妍等［16］推测通过促进肺组织中AQP1及AQP5的表达可能会减轻急性肺损伤和肺出血的发生，为预防和治疗新生儿出血提供新的方法。高巨等［17］通过建立临床二次打击大鼠模型发现大鼠在失血性休克和内毒素打击下，肺组织AQP1和AQP5的表达水平显著下调，其表达水平与肺水肿和肺损伤的严重程度密切相关。并首次证实乌司他丁能显著抑制二次打击大鼠肺组织AQP1和AQP5mRNA的下调，促进肺泡腔和间质水肿液的吸收。

5.5 AQPS与肺癌 目前大量研究证实，许多肿瘤组织、细胞系及肿瘤微血管内皮细胞中高度表达AQP1［18，19］，随着研究的深入，研究者发现水通道蛋白在某些恶性肿瘤中存在异常表达［20］。在肺腺癌组织中AQP1大量表达于肿瘤的血管内皮细胞以及肿瘤细胞膜上、胞浆内。AQP1蛋白阳性细胞表达率与肺腺癌分化程度有关，分化程度越低，阳性细胞表达率越高，但有淋巴结转移者比无淋巴结转移者阳性率高。刘锦源等［21］也证实了这一点，发现AQP1大量表达于肺腺癌组织中的肿瘤血管内皮细胞中，其在蛋白水平的表达量亦较正常组织明显增多，证实AQP1可以使肿瘤血管渗透性增加，促进水在肿瘤细胞间的快速转运，使血管内皮细胞前部伪足的顶端内部因肌动蛋白裂解和离子摄入产生局部渗透压梯度，增加局部静水压引起细胞膜突伸，促进肿瘤血管生成。AQP1大量表达于肿瘤细胞膜、细胞浆，或许能够改变肿瘤上皮内的渗透压。有助于肿瘤细胞体积及外形的改变，向周围基质浸润。肺腺癌组织AQPS表达与淋巴结转移相关.有淋巴结转移者比无淋巴结转移者阳性率高;同时发现AQPl表达与肿瘤分化程度呈负相关。即分化程度越低，蛋白表达水平越高。AQPS参与了促进癌细胞迁移的可能机制，体外实验显示，癌细胞上表达AQPS可以增强其迁移能力，在体内显示增强其局部浸润、外生性生长及转移［22］。目前AQPS在肿瘤组织的表达及其与肿瘤细胞转移的关系是研究热点之一。

水通道的发现，使人们能够在分子水平研究水的转运。每种水通道在体内的特异分布预示了不同水通道的特异作用。随着对AQPS的深入研究，不仅可对体内水转运的生理学现象提供分子水平的解释，而且还将促进人类对包括肺部疾病(如肺部感染、哮喘、急性肺损伤、肺部肿瘤等)在内的疾病的发病机制产生进一步认识，从而为寻找临床治疗肺部疾病的有效方法提供了新的理论依据，提示应用AQPS的抑制剂或抗AQPS抗体将会是预防或治疗肺部疾病的新手段。

1 Verkman AS.More than just water channels:unexpected cellular roles of aquaporins.J Cell Sci，2005，118:3225-3232.

2 Wu B，Beitz E.Aquaporins with selectivity for unconventional permeants.Cell Mol Life Sci，2007，64:2413-2421.

3 Kreda SM，Gynn MC，Fenstermacher DA，et al.Expression and localization of epithelial aquaporins in the adult human lung.Am J Respir Cell Mol Biol，2001，24:224-234.

4 Verkman AS.Role of aquaporins in lung liquid physiology.Respir Physiol Neurobiol，2007，159:324-330.

5 Agre P，King LS，Yasui M，et al.Aquaporin water channels from atomic structure to clincal medicine.J Physiol，2002，542:3-16.

6 Ma T，Fukuda N，Song Y，et al.Lung fluid transport in aquaporin-5 knockout mice.J Clin Invest，2000，105:93-100.

7 Carter EP，Olveczky BP，Matthay MA，et al.High microvas-cular endothelial water permeability in mouse lung measured by a pleural surface fluorescence method.Biophys J，1998，74:2121-2128.

8 Song Y，Jayaraman S，Yang B，et al.Role of aquapofin water channels in airway fluid transport，humidification and surface liquid hydration.Gen Physiol，2001，117:573-582.

9 牛慧慧，曾万江，乔福元，等.水通道蛋白5在人胎肺发育中的表达及意义.中国优生与遗传杂志，2010，18:75-76.

10 Towne JE，Harrod KS，Krane CM，et al.Decreased expression of AQP1 and AQP5 in mouse lung after acute viral infection.Am J Respir Cell Mol Biol，2000，22:34-44.

11 董春玲，鲁继荣，王桂芳，等.地塞米松对哮喘小鼠肺液清除功能障碍的作用.临床服务与研究，2008，8:24-27.

12 唐顺广，周瑞祥，贲素琴，等.急性哮喘小鼠肺组织水通蛋白1的表达变化及乙酰唑胺对其表达的影响.中国呼吸与监护为重杂志，2010，9:271-272.

13 刘洋，王月兰，宋秀梅，等.机械通气相关性肺损伤大鼠肺组织水通道蛋白5表达的变化.中华麻醉学杂志，2010，30:234-237.

14 林飞，潘灵辉，杨建.不同单肺通气时间对大鼠肺组织水通道蛋白1、4 表达的影响.临床麻醉学杂志，2013，29:69-71.

15 王晴，刘正娟，马乐.水通道蛋白一1在急性肺损伤中的表达及意义.大连医科大学学报，2012，34:22-25.

16 杜惠妍，崔其亮.水通道蛋白1、5在肺出血新生大鼠肺组织中的表达.临床和实验医学杂志，2011，10:241-245.

17 高巨，周罗晶，陈弘，等.乌司他丁对大鼠“失血性休克-内毒素”二次打击肺组织水通道蛋白表达的影响.中国急救医学，2011，3:901-904.

18 Moon C，Sofia JC，Jang SJ，et al.Involvement of aquaporins in coloreetal carcinogenesis.Oncogene，2003，22:6699-6703.

19 Vacea A，Frigefi A，Ribatti D，et al.Microvessel overexp ression of aquapofin l parallels bonemarrow angiogenesis in patientswith active muhip le myelomal Br.Haematol，2001，113:415-421.

20 EndoM，Jain RK，Witwer B，et al.Water channel(aquaporin1)exp ression and distribution in mammary carci—nomas and glioblastomas.Micrevasc Res，1999，58:89-98.

21 刘锦源，张石江，金宇，等.水通道蛋白1在肺腺癌组织中的表达和分布.南京医科大学学报，2008，28:445-448.

22 Saadoun S，Papadopoulos MC，Hara-Chikuma M，et al.Impairment of angiogenesis and cell migration by targeted aquapofin-1 gene disruption.Nature，2005，434:786-792.