水通道蛋白在消化系统肿瘤中的表达及其意义

彭　瑞　孙剑勇

复旦大学附属中山医院消化内科(200032)

水通道蛋白在消化系统肿瘤中的表达及其意义

彭瑞*孙剑勇#

复旦大学附属中山医院消化内科(200032)

Neoplasm Metastasis

肿瘤的发生、发展进程中需要大量营养物质供应，其物质代谢的微环境在水中，需大量水分子参与。水通道蛋白(aquaporins)属于膜内在蛋白家族，广泛存在于生物体内的各组织部位，影响机体水代谢过程，并参与恶性肿瘤的生长、浸润和转移。消化系统肿瘤为人类常见恶性肿瘤，由于早期症状不明显，大部分患者出现明显临床症状时肿瘤已处于末期并发生转移，常规治疗效果不佳。本文就水通道蛋白在消化系统肿瘤中的表达及其意义作一综述。

一、水通道蛋白概述

1988年，Agre的研究组在分离纯化人Rh血型抗原时，偶然发现了一种相对分子质量为28 kDa(1 Da=0.992 1 u)的新的红细胞膜内在蛋白，并将其命名为“CHIP28”[1]；1991年完成了“CHIP28”的cDNA克隆；1992年在非洲爪蟾卵母细胞中对“CHIP28”进行功能鉴定，证实其为水通道蛋白，从而确定了细胞膜上存在水转运特异性通道蛋白；1997年基因组委员会正式将“CHIP28”命名为AQP-1。迄今为止，在哺乳动物中已鉴定出13种水通道蛋白(AQP-0~12)，这些AQPs均属于主体内在蛋白(MIP)家族。根据其对水和其他溶质的通透性，AQPs可分为水通道和水甘油通道两个亚家族，前者仅对水有通透性，包括AQP-0、1、2、4、5、8、11、12；后者除水外还对其他小分子溶质如甘油等有通透性，包括AQP-3、7、9、10；而AQP-6不参与水分子转运，不属于任一类型。根据其对汞制剂的敏感性，AQPs又可分为汞敏感型和汞不敏感型，前者包括AQP-1~3、5、6、8~12，后者包括AQP-4、7。消化系统中存在多种AQPs表达，参与调节细胞内外环境平衡、液体吸收和分泌等与水分子跨细胞膜转运有关的生理和病理过程。

二、水通道蛋白与消化系统肿瘤

1. 胃癌：目前研究发现人正常胃黏膜和(或)胃癌组织中存在AQP-1、3~5和11表达。高、中分化胃腺癌细胞能形成腺泡，存在AQP-1表达，低分化胃腺癌细胞是否表达AQP-1与其有无腺泡形成有关，提示AQP-1参与了胃腺癌细胞的分化和外分泌功能[2]。AQP-4表达于正常胃黏膜，在胃癌组织中则呈低表达，其原因可能为在胃癌的发生、发展过程中，AQP-4基因被其他异常表达的基因或miRNAs抑制或封闭。有研究[3]发现胃癌模型小鼠脾脏、淋巴结中的调节性T细胞比例和数量增高，对机体正常免疫系统的抑制效应增强，使肿瘤细胞受到的免疫攻击减弱，可能与胃癌组织中AQP-4表达减少有关。AQP-3和AQP-5在胃癌组织中呈高表达，在癌旁非癌组织中呈低表达，两者在胃癌组织中的表达均与淋巴结转移呈正相关[4-5]。研究[6]显示AQP-3在人表皮生长因子(hEGF)介导的胃癌细胞迁移和增殖中起关键作用，这可能是其促进胃癌淋巴结转移的机制之一。此外，AQP-3尚与幽门螺杆菌(Hp)相关胃肿瘤的发生有关，正常胃黏膜和胃癌组织中的AQP-3表达均与Hp感染状态相关，且体、内外实验显示Hp感染可上调AQP-3表达[7]，Hp诱导AQP-3表达的机制有待进一步研究。AQP-3是miR-874的靶基因，上调miR-874以抑制AQP-3可抑制胃癌细胞的增殖、迁移、侵袭能力和致瘤性，为胃癌的分子靶向治疗提供了可能的思路[8]。予低分化人胃腺癌细胞株MKN45表达外源性AQP-5可显著增加分化细胞比例，如再予水通道蛋白抑制剂HgCl2抑制AQP-5表达，则可使分化细胞比例重新降低，提示AQP-5表达上调可能与胃癌细胞的分化有关[9]。

2. 结直肠癌：水通道蛋白广泛分布于肠上皮细胞，表达于结直肠的有AQP-1~5、7~10和12。以相关技术上调或下调AQP-1在人结肠癌细胞株HT20中的表达，可分别增高和降低细胞膜水通透性和细胞迁移率，表明由AQP-1介导的细胞膜水通透性在结肠癌细胞迁移中起重要作用，与结肠癌的侵袭、转移密切相关[10]；对临床结直肠癌组织的研究证实AQP-1在癌组织中呈高表达并与淋巴结转移和组织学分期呈正相关[11]。水通道蛋白抑制剂乙酰唑胺灌胃可显著抑制人结肠癌裸鼠皮下移植瘤生长及其AQP-1表达，其作用机制可能为抑制肿瘤微血管生成[12]，该结果为水通道蛋白抑制剂的临床应用提供了实验依据。AQP-3在结肠癌组织中的表达显著高于癌旁正常组织，并与组织分化程度、淋巴结转移和远处转移密切相关，其高表达可能提示预后不良[13]。AQP-4和AQP-5高表达于结直肠癌组织，在癌旁正常组织中低表达或基本不表达，AQP-8的表达方式则与之相反，三者在癌组织中的表达均与淋巴结转移相关[14-15]。研究[16]发现AQP-1和AQP-5在结肠癌变早期(早期异型增生阶段)即被诱导表达并延续至晚期，甚至在肝转移灶中亦可见两者表达。AQP-5表达上调可诱导人结肠癌细胞株HCT116增殖，该作用所涉及的信号通路为AQP-5-Ras-ERK-Rb[17]，此外AQP-5尚通过p38 MAPK信号通路参与结肠癌多药耐药的发生[18]，因此AQP-5有望成为结直肠癌新的治疗靶点。

最近研究发现了许多水通道蛋白调节因子，如缺氧诱导因子1α(HIF-1α)可能是AQP-1的上游调节因子，两者在结直肠癌组织中的表达呈显著正相关[11]。与在胃癌细胞中一样，hEGF可通过PI3K/Akt信号通路诱导AQP-3表达，从而增强人结肠癌细胞株HCT116的迁移能力，而AQP-3抑制剂CuSO4则可阻断此作用[13]。血管内皮生长因子(VEGF)可上调人结肠癌细胞株LoVo中的AQP-4表达，进而促进细胞迁移，如联合应用AQP-4-siRNA干扰AQP-4表达，细胞迁移能力明显下降，证实上调AQP-4表达是VEGF促进结肠癌浸润、转移的机制之一[19]。

综合上述发现，结直肠癌组织中存在AQP-1、3~5表达，AQP-8表达缺失，且AQP-1和AQP-5表达在整个结直肠癌变和进展过程中持续上调，以这些AQPs为靶点进行抑制结直肠癌变和转移的研究，可能为结直肠癌提供新的治疗途径。

3. 肝细胞癌(HCC)：目前已确定肝胆系统中至少有AQP-0、1、3、5、7~9和11表达，这些AQPs的表达可能与糖脂代谢、胆汁分泌、砷代谢、肿瘤血管生成等多种生理和病理过程有关[20-21]。HCC组织中存在AQP-1、3、5、8、9表达，其中AQP-3、5表达上调[22]，AQP-8、9表达下调[23-24]。研究[22]显示HCC组织中AQP-3和AQP-5高表达与血清AFP水平、肿瘤分期和分级以及预后不良相关。对肝肿瘤细胞株H4IIE的研究[23]发现，AQP-8和AQP-9低表达可通过阻止水分子通过水通道移动至细胞外而使细胞对凋亡刺激产生抵抗。人肝癌细胞株SMMC-7721存在细胞膜高水通透性和低水通透性两个亚群，前者细胞膜AQP-1表达和迁移速率均显著高于后者，提示AQP-1系通过介导细胞膜高水通透性参与促进HCC细胞迁移[25]。

4. 胆管/胆囊癌：至少有AQP-1、4、5、8四种AQPs表达于胆道。小鼠胆囊上皮细胞可检测到AQP-1和AQP-8表达，前者定位于顶端膜和基底外侧膜，后者则仅见于顶端膜，两者均参与了胆汁中水分的分泌和吸收[26]。研究[27]发现AQP-1在胆管异型增生组织中呈高表达，在大部分肝内胆管癌组织中呈低表达或不表达，且其低表达或不表达与淋巴结转移和预后不良相关。然而另有研究[28]显示胆管/胆囊癌组织中AQP-1高表达与肿瘤浸润深度、组织学分型和血清CA19-9水平呈正相关，不同研究中AQP-1在胆系肿瘤中表达的不一致性有待进一步探讨；AQP-4和AQP-8表达与胆管/胆囊癌临床病理参数无明显相关性；AQP-5高表达提示患者生存期较长、对术后化疗敏感性较高。

5. 胰腺癌：胰腺中可检测到AQP-1、3~5和8表达，其中AQP-1和AQP-5在水分子流动参与激活电解质分泌方面发挥重要作用。研究[29]发现EGF能通过EGFR/ERK信号通路激活AQP-3，从而增强胰腺癌细胞株MPC-83的迁移能力，此通路有望成为胰腺癌治疗的潜在靶点。目前关于水通道蛋白在胰腺癌中表达和作用的研究尚少，相关研究有待进一步开展。

三、结语

随着分子生物学技术的进步，水通道蛋白相关基础研究已较为深入和成熟。通过调节水通道蛋白表达以抑制肿瘤细胞的生长、增殖、迁移，从而改善患者预后，可能成为临床常见消化系统肿瘤新的治疗途径。水通道蛋白相关基础研究成果，亦为阐释消化系统肿瘤的发病机制提供了可能的思路。

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(2014-08-27收稿；2014-09-25修回)

摘要水通道蛋白广泛存在于生物体内的各组织部位，影响机体水代谢过程，并参与恶性肿瘤的生长、浸润和转移。随着分子生物学技术的进步，水通道蛋白相关基础研究已较为深入和成熟。本文对水通道蛋白在消化系统肿瘤中的表达及其意义进行概述，以期利用相关研究成果，为阐释消化系统肿瘤的发病机制以及寻找新的治疗途径提供可能的思路。

关键词水孔蛋白质类；水代谢；消化系统肿瘤；肿瘤侵润；肿瘤转移

Expression and Significance of Aquaporins in Digestive System TumorsPENGRui,SUNJianyong.DepartmentofGastroenterology,ZhongshanHospitalFudanUniversity,Shanghai(200032)

Correspondence to: SUN Jianyong, Email: sun_jianyong1986@aliyun.com

AbstractAquaporins are widely expressed in fluid transporting organs and other types of cells, which affect the process of water metabolism in organisms. Involvement of aquaporins in growth, invasion and metastasis of malignancies was revealed by many studies. With the progress of molecular biology techniques the basic research on aquaporins has been more in-depth and mature. In this article, expression and significance of aquaporins in digestive system tumors were reviewed to interpret the pathogenesis and provide insights for finding new therapeutic approaches of digestive system tumors.

Key wordsAquaporins;Water Metabolism;Digestive System Neoplasms;Neoplasm Invasiveness;

通信作者#本文，Email: sunjianyong1986@aliyun.com

DOI:*硕士研究生，Email: 18001957253@163.com