水通道蛋白1研究进展

邱锴 余滨 赵培超 张智峰 刘献志

(郑州大学第一附属医院 神经外科 河南 郑州 450000)

水通道蛋白家族(aquaporins，AQPs)是具有高选择性水的膜通道蛋白，分布广泛，哺乳动物、植物细胞膜上均有发现，与生物体内水的跨膜转运及水平衡的调节密切相关。到目前为止，已从哺乳动物组织中鉴定出水通道蛋白亚型AQP12，该家族已经存在13 个亚型(AQP1 ～AQP12)，其中水通道蛋白1(AQP1)［1］是该家族中第一个被鉴定，且研究最深入、最全面的水通道。

1 AQP1 的发现和命名

水通过脂质双层膜的途径为简单扩散，但人们发现红细胞和某些上皮细胞中，其水通透性远超出简单扩散强度，人们便猜测细胞膜上存在某种通道参与介导水转运。20世纪80年代末，Agre 等在对红细胞膜上RH 血型抗原进行分离纯化时，发现了一个28 kD的疏水性跨膜蛋白，称为形成通道的整合膜蛋白28(channel－forming integral membrane protein，CHIP28)，1991年Preston 等对其cDNA 克隆完成，但该蛋白功能仍未知。由于水在红细胞中具有高通透性，结合它在红细胞膜的高表达量，因此推断其可能具有转运水的功能。1992年的功能测定实验，将CHIP28 cRNA 注入非洲爪蟾的卵细胞中，发现细胞体积在低渗溶液中迅速增加，5 min 内破裂。其后在对将CHIP28 植入蛋白磷脂体内的相关研究中，最终证明其为水通道蛋白，确认了细胞膜上存在转运水通道蛋白的理论，后命名为Aquaporin－1(AQP1)。

2 AQP1 的分子结构

人类AQP1 基因定位于染色体7p14，包含4 个外显子和3 个内含子。外显子编码第1 ～128，129 ～183，184 ～210 和211 ～269位氨基酸序列，内含子的长度分别为9.6、0.43、0.80 kb，AQP1 的转录产物约为3.1 kb，5'端为58 bp 的非编码区，随后是编码28.5 kD 蛋白质的807 bp 开放阅读框架及约2 kb 的3'非翻译序列，最后为polyA 尾［2］。

AQP1 拥有水通道蛋白家族的共同结构特征。序列分析表明，AQP1 的一级结构为跨膜6 次的单肽链，含5 个环(LoopA、B、C、D、E)。A、C、E 环定位于质膜外侧，而B，D 环及羧基、氨基末端均在胞内。A 环有N－连接糖基化部位，B、E 环呈疏水特性。水通道在水的吸收与分泌两个运动方向上所起的作用或许可以由分子结构来解释:构成整个分子的两个分子结构想似，在膜上彼此呈180°中心对称排列。B，E 环含有天冬氨酸－脯氨酸－丙氨酸(NPA)重复串连序列(第76 ～79、192 ～195位)。B、E 环的任何变异都会引起水通道活性下降。AQP1 肽链上第189 位氨基酸残基即半胱氨酸(Cys－189)，可与Hg 结合，堵塞水通道，因而可将其视为Hg 抑制位。

AQP1 二级结构是由36% ～40%的α 螺旋和42% ～43%的β 片层构成。它含有6 个跨膜的疏水α 螺旋及包含NPA 环区的反向平行β 片层，这些片层伸入磷脂双层，并在质膜上形成孔道。它的4 级结构是由4 个对称排列的各长5 nm，直径3.2 nm的圆筒状亚基包绕而成的四聚体。每个亚基均可独立成为水通道，但四聚体的结构对于维持单个亚基的位置有重要意义［2］。

AQP1 的三维结构是“沙漏”模式，包含NPA 的B、E 环折返穿入脂质双分子层，并且与邻近的跨膜区形成半个孔道(hemipore－1、2)，彼此对称分布构成一个狭窄的分子通道，而NPA序列则位于通道的核心［3］。

3 AQP1 与水的跨膜转运

3.1 水的跨膜简单扩散 水的简单扩散作用存在于任何组织中，其扩散通透性系数Pd 存在轻微差异。当水跨越单纯的脂质双分子层时，只有简单扩散，其渗透通透性系数Pf 与其扩散通透性系数Pd 比值为1∶1(Pf/Pd=1∶1)。水的简单扩散过程比较慢，活化能高，受膜的成分、温度等影响，但不受药物的抑制。

3.2 水通道介导的水转运 AQP1 具有高度选择性水通透性，有3 方面原因:①AQP1 的水孔直径，AQP1 通道最狭窄部分大约只有2.8A，相当于一个水分子直径;②静电排斥;③单个水分子产生暂时的偶极旋转同时与并排两个NPA 主题侧链形成氢键，成为对质子的一道屏障。水通道介导的水跨膜转运时，其渗透通透性系数远大于扩散通透性系数，水利用水通道蛋白向高渗方向移动，这个过程很快，无须“门控”等调节，不受质膜分子组成、温度等影响，基本上处于激活状态。在对爪蟾卵的研究中，表达AQP1 的卵细胞在22 ℃时，Pf ＞200 ×10－4cm/s，大约是对照组的8 倍;而在10 ℃时，其Pf 轻微下降，对照组Pf明显下降，表达AQP1 细胞组约为对照组30 倍;对照组卵细胞的活化能Ea ＞10 kcal/mol，而表达AQP1 的卵细胞的活化能Ea=3 kcal/mol，与汞制剂共同保温时，Pf 被明显抑制。有研究［4］将高纯度的AQP1 复原到脂质蛋白体中，显示出高的单位水渗透性(Pf ＞3 ×109水分子每单位每秒)。

4 AQP1 在正常脑组织中的分布与功能

AQP1 在机体中广泛存在，尤其是在那些与液体吸收或分泌有关的上皮细胞及可能协同水跨细胞膜转运内皮细胞中。

AQP1 在人的正常脑组织中表达微弱，可见于导水管室管膜细胞，胶质细胞形成的大脑皮质边缘和脑干边缘，下丘脑视上核和室旁核，以及小脑蒲肯野细胞［5］。AQP1 在脉络丛立方细胞的尖端均匀一致表达，且表达明显，与Na+－K+－ATP 酶共同定位于该组织，脉络丛毛细血管内皮中仅能看到微弱的表达，AQP1 在脉络丛上皮的高表达可能在脑脊液的生成过程中起到重要作用，并参与调节水和离子的平衡［6］。此外，研究［7］发现AQP1 在系统性低钠时，会介导过多的水进入脑组织，导致颅内压升高和脑细胞死亡，提示系统性低钠时，AQP1 对脑肿胀有重要影响，并且对AQP1 进行选择性阻断后，可以减少脑脊液的产生。

在胎儿脑组织中，AQP1 从妊娠14 周开始表达，直到妊娠24 周，其表达部位和量随周龄的增大而发生相应变化，参与胎儿脑内水平衡的调节，在脑的发育过程中发挥重要作用［8］。

5 AQP1 在中枢神经系统肿瘤中的作用

5.1 AQP1 在脑肿瘤水肿发生中的作用 Saadoun 等［9－10］证实，与正常组织相比，AQP1 在脑胶质瘤变异的星形胶质细胞和血管内皮细胞中的表达明显增高，因此在星型细胞中AQP1 的表达程度与恶性程度密切相关。水通道蛋白高表达可增强肿瘤组织对水肿液的吸收，作为主要通道来清除肿瘤及瘤周组织多余细胞间液。AQP1 在胶质细胞瘤的细胞膜和细胞质高度表达能增加血管通透性，提示AQP1 在肿瘤组织中具有很高的更新和转换率。Oshio 等［11］也证实AQP1 在胶质瘤的肿瘤细胞尤其是在高度恶性的肿瘤细胞中表达明显，提示AQP1 与肿瘤水肿关系密切［12－14］。Markert 研究发现，AQP1 在原发性多形性胶质母细胞瘤中上调，可能使肿瘤组织中水分通过AQP1 吸收入胶质细胞，引起细胞变形、肿胀。目前肿瘤细胞内信号诱导AQP1 表达的机制仍未知，但或许与由局部释放的生长因子以及肿瘤细胞分泌的血管内皮生长因子有关。治疗肿瘤水肿或许可以通过抑制肿瘤内AQP1 通道的表达来实现。

5.2 AQP1 在肿瘤血管生成中的作用 肿瘤的生长和扩散(侵袭和转移)中，很大程度依赖于肿瘤血管生成导致肿瘤间质的血管化。正常组织中，新生的组织及血管在机体需要时出现，而肿瘤组织中，肿瘤生长及血管生成是持续存在的。多数肿瘤的细胞外液渗透压较高，其新生血管对血浆蛋白及其他循环体系中的高分子物质具有高通透性。目前常将这种异常的通透性归因于肿瘤细胞分泌的血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)和血管渗透性因子(vascular permeability factor，VPF)。研究发现，AQP1 表达于非孔性毛细血管内皮细胞。AQP1 基因敲除小鼠表明AQP1 提供了一定数量水通道的排除，导致水通过毛细血管内皮细胞的渗透性升高，AQP1 通路占了微血管壁整个通过细胞间10% ～45%的液体渗透性［15］。因此认为AQP1 可能与血管渗透性有很大关系。

Saadoun 等［16］实验证实，AQP1 在血管内皮中广泛表达，增加细胞膜的水通透性，而在AQP1 缺失的小鼠皮下和颅内种植肿瘤，血管生成明显减少，且肿瘤出现大片坏死。这表明通过对AQP1 的抑制可以减少新生血管，抑制肿瘤生长。而之前的研究也表明，随着胶质瘤的级别增高，AQP1 在肿瘤微血管上皮细胞的表达明显增强。

5.3 AQP1 对肿瘤侵袭性的影响 迁移扩散是肿瘤的关键能力，包括肿瘤对周围组织的浸润及远处转移。Saadoun 等［16］研究表明，与正常小鼠相比，敲除AQP1 基因，小鼠体内的微血管生成、移植肿瘤细胞的生长受到明显抑制;而体外内皮细胞培养实验中，结果类似。因此推测AQP1 可能促进肿瘤浸润使胶质瘤细胞失水皱缩，从而通过细胞外基质向周围组织浸润。Saadoun等［9－10］发现转移瘤在内皮细胞和反应性星形细胞中呈阳性，而在星形胶质细胞瘤中，内皮细胞和塑型星形细胞出现AQP1 阳性表达。AQP1 阳性的星形细胞可能就是瘤周水肿组织中浸润的肿瘤细胞，而血管内皮细胞的AQP1 表达正是由这种肿瘤细胞浸润介导，促进了瘤周血管增生，易化了肿瘤细胞的侵袭性生长，形成了血管增生、肿瘤侵袭性生长的恶性循环［17］。而肿瘤浸润和异常的血管增生也是瘤周组织水肿的加重因素，而瘤周水肿又可以疏松周围组织，加强肿瘤侵袭力［18］。而最近的研究也表明，AQP1 表达阳性的肿瘤细胞转移潜力和局部浸润力均有增加，同时体外实验表明，AQP1 表达阳性的肿瘤细胞，其细胞迁移能力与对照组相比，增强了2 ～3 倍［19］。

6 小结

AQP1 在肿瘤生长、侵袭及瘤周水肿的形成方面起重要作用，通过水通道蛋白抑制因子来抑制AQP1 的高度表达，或许可以成为抑制肿瘤生长、转移以及减轻水肿的一种有效手段，但这方面研究还处于初级阶段。有研究表明，芳基磺酰胺AqB013 有AQP1 拮抗作用［20］，为将来进一步解释AQP1 参与肿瘤生长、浸润提供了思路。

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