水通道蛋白4的研究进展*

王永军李坤正肖宗宇

水通道蛋白4的研究进展*

王永军①李坤正②肖宗宇②

水通道蛋白4（AQP4）是一种与水的通透性有关的蛋白，主要存在于中枢神经系统，并广泛表达于中枢神经系统的星形胶质细胞、脉络丛上皮细胞、室管膜上皮细胞等支持细胞中，目前大量研究表明，AQP4不仅与脑水肿的发生发展密切相关，同时还参与多种神经系统疾病的病理过程，对临床神经系统疾病的诊断及治疗具有重要的意义，本文就AQP4与几种常见神经系统疾病的联系作一综述。

水通道蛋白质4； 脑水肿； 脑肿瘤； 抑郁症； 癫痫

First-author’s address：Qinghai University，Xining 810000，China

水通道蛋白（aquaporins，AQPS）就是一组与水的通透性有关的蛋白，其中AQP1最早被发现，随后又陆续发现了包括AQP0-AQP12在内的13种水通道蛋白，其中AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8和AQP9主要存在于哺乳动物的脑组织中，尤以AQP4的存在及表达最为重要，参与了脑水肿及多种神经系统疾病的发展。

1　AQP4基本结构及分布

AQP4基因位于人类染色体18q11.2与q12.1的连接处，包含4个外显子，负责127、55、27、92位氨基酸序列的编码，3个内含子位于其间。从结构上看，其包括6个跨膜结构和A、C、E 3个细胞外环和B、D 2个细胞内环。AQP4的四级结构是由相对分子质量约34 KD的4个具有独立活性的且均含有6条疏水性跨膜结构的单体组成的四聚体，每个单体的6条疏水性跨膜结构形成类似沙漏的水通道，仅允许单线通过1个水分子。AQP4主要分布于中枢神经系统的星形胶质细胞、脉络丛上皮细胞、室管膜上皮细胞等支持细胞中，并大量表达在星形胶质细胞足突、胶质界膜、软脑膜及室管膜与其下星形胶质细胞的空隙中，目前尚未发现其在兴奋性细胞中表达［1］。此外，AQP4呈极性分布于星形胶质细胞足突上，锚定蛋白和细胞周围环境对其这种分布起到了一定的作用［2］。由此可以简单的通过AQP4的分布及表达特点推断其与中枢系统的水平衡有关。

2　AQP4与Kir4.1

内向整流钾离子通道4.1（Inwardly rectifying K+channel，Kir4.1）是中枢神经系统的一种膜蛋白，其具有内向整流的特点并能通过调节胞外过高的钾离子浓度而维持内环境的稳态。其主要分布在胶质细胞、软脑膜、室管膜、视网膜M ü ller细胞等等。

研究表明，AQP4与Kir4.1在结构和功能上均存在共耦联的关系，两者的C末端均通过α-syntrophin的PDZ结构域锚定在胶质细胞的细胞膜上，AQP4表达的变化可以影响细胞内外水分子的运动，进而导致Kir4.1对钾离子通透性的改变，出现相应的电位变化。病理状态下，在颞叶癫痫患者的海马组织中发现AQP4的表达明显升高而Kir4.1却表达下调，钾离子平衡破坏，AQP4和Kir4.1的锚定蛋白复合体功能受损［3］，提示两者可能通过功能耦联共同参与了癫痫的病理过程。虽然大部分研究肯定了AQP4与Kir4.1在功能上的耦联关系，但仍有些学者对此提出了怀疑，认为胶质细胞中Kir4.1介导的K+的摄取功能与AQP4没有联系［4］。目前来说，两者之间的作用机制及是否存在相互作用还有待于进一步研究。

3　AQP4与脑水肿

人体中60%的成分是水，尤其在脑组织中其所占比例更是高达70%，脑水肿即由于各种致病因素的影响使水分在脑组织中过多存在的病理现象，直接导致脑组织容量扩增，继而提升颅内压，使临近脑组织受压并进一步加重脑水肿，最终因这种恶性循环导致脑疝，危及患者生命，因此脑水肿是各类脑部疾患致残致死的根本所在。自1966年，Klatzo提出血管源性和细胞毒性两种脑水肿的分类方法以来，人类对脑水肿的研究从未停下脚步，随着分子、生化等各相关领域研究的不断深入，对脑水肿的分类又提出了新的见解，并将其分为血管源性、 细胞性、脑积水性及渗透性四类普通脑水肿以及缺血性、粒细胞性、离子性三类特殊类型脑水肿。各类脑水肿在脑部疾病的演变过程中，既能共存，又能互变。大量研究表明，AQP4表达升高是颅脑创伤引起脑水肿的主要原因，通过检测颅脑创伤后脑脊液中AQP4的水平，可以有效地评估脑水肿的严重程度［5］。而脑出血后的血肿周围水肿程度更是与AQP4基因的变异有独立的关联［6］。Manley等［7］通过敲除AQP4基因的大鼠制作大鼠水中毒模型，与普通大鼠制作的水中毒模型相比，其脑组织含水量更低，其围绕于血管周的星形胶质细胞足突的肿胀程度也更低。推测AQP4在脑水肿的发生、发展的过程中起到了促进的作用。

虽然支持上述结论的学者很多，但也有些学者提出了相反的结论，Bloch等［8］利用被敲除AQP4基因的小鼠和普通小鼠制备梗阻性脑积水模型，与普通小鼠比较，被敲除AQP4基因的小鼠颅内压升高更明显，脑水肿更严重，其生存率也明显降低。推测AQP4的表达对脑积水后的脑组织含水量增加起到了抑制作用。Tang等［9］利用被敲除AQP4基因的小鼠和普通小鼠制备脑出血模型，研究发现被敲除AQP4基因的小鼠在制模成功后，其脑水肿程度更高，意识障碍更明显。推测AQP4的表达在一定程度上抑制了脑水肿发展的病理过程。

诸多研究表明，AQP4的表达在细胞毒性脑水肿时起正向作用，而在血管源性脑水肿时却起反向作用。细胞毒性脑水肿时，血脑屏障未受到破坏，水分子通过AQP4进入脑组织，所以当AQP4的表达升高时，进入脑组织的水分就越多，造成的脑水肿就越严重。Papadopoulos等［10］提出，血管源性脑水肿时，AQP4的表达上调减轻了脑水肿的程度。这可能是因为破坏了血脑屏障，血清蛋白与等渗液为了适应流体静力压的变化而渗透到细胞间隙，造成细胞间隙的肿胀。因此血管源性脑水肿的形成没有AQP4的参与，但其发展过程中水分子的排出需要AQP4作为介导。所以AQP4在此过程中对脑水肿起到了抑制作用。

Karmacharya等［11］研究发现，在大鼠脑水肿模型中施加低强度超声波刺激，可以减少AQP4的局部聚集，与对照组比较可以明显减少脑组织含水量以及AQP4的表达。其他方面如：亚低温治疗、去骨瓣减压、地塞米松等治疗方法均能通过抑制AQP4的表达减轻脑水肿，改善预后，提高其生存率。由此推测，以AQP4作为治疗靶点来减轻各种原因导致的脑水肿是切实可行的。

4　AQP4与脑肿瘤

脑肿瘤是指发生于颅腔内的肿瘤，WHO于2000年经过整理分类将神经系统肿瘤归纳为七大类，即神经上皮组织起源肿瘤、外周神经起源肿瘤、脑膜起源肿瘤、淋巴和造血组织肿瘤、生殖细胞起源肿瘤、鞍区肿瘤和转移性肿瘤。与其他部位的肿瘤相比，颅内肿瘤不论良恶性，均能挤占颅腔内脑组织的空间，造成占位效应对脑组织造成损害并危及生命。

胶质瘤是临床中神经系统发病率最高的原发性脑肿瘤，并多呈恶性侵袭性生长，手术全切率低且术后复发率高，需要术后配合放化疗及其他综合治疗，但目前在其治疗中仍然很艰难。Warth等［12］研究发现，在脑星形胶质细胞瘤中，AQP4的高表达和瘤周水肿的发生以及胶质瘤的恶性程度密切相关。另有研究表明，AQP4在脑肿瘤细胞中明显增多，以胶质瘤更为显著。其极有可能对肿瘤的生长有正性作用，促进病情的恶化。AQP4在胶质瘤细胞中具有抗凋亡的作用［13］，除此之外，AQP4还可以促进胶质瘤细胞的迁移，这无疑将会促进肿瘤的生长并增加其侵袭性［14］。据此推测，人为地促使AQP4的表达下调可能对脑胶质瘤的发展有抑制作用［15］。

脑膜瘤为发病率仅次于胶质瘤的颅内肿瘤，多呈良性，隐匿发病且缓慢生长，早期多无明显症状。后期多以颅内压增高的症状表现，影像学检查多提示颅内肿块伴瘤周水肿，可见瘤周水肿对脑膜瘤引起的颅内压增高起到了重要的作用。目前脑膜瘤瘤周水肿的形成机制并不明了，可能与软脑膜供血、瘤脑界面的存在、脑膜瘤血管渗透性增加、脑膜瘤自身引流静脉的发育等等因素有关，而脑膜瘤中AQP4的表达与其周围的水肿有没有联系呢？有学者研究表明，AQP4主要表达于脑膜瘤的瘤体细胞膜上，其表达水平的高低与瘤周水肿的严重程度成正性相关，推测如果能够抑制肿瘤细胞的AQP4表达，就能控制瘤周水肿，即可减轻患者围手术期的颅内压增高症状，又可减少手术中脑膨出的风险，而且更容易在手术中分离肿瘤，减轻对脑组织的损害［16］。

颅内多发转移瘤系身体其他部位肿瘤转移至颅内所致，男性以肺癌转移多见，女性则多以乳腺癌转移多见，可以转移至颅内的任何部位。颅内转移瘤常常伴有瘤周水肿，且水肿大多十分严重，对患者的生活质量及治疗效果有重要的影响［17］。Zhao等［18］研究发现，在多发的脑内转移瘤的瘤周脑组织中含有大量的AQP4表达，而在瘤组织中却鲜有AQP4表达。在瘤周较远的脑组织中AQP4轻度染色，随着对肿瘤的不断靠近，其周围脑组织中的AQP4染色亦不断加深，推测AQP4表达与多发转移瘤周围脑组织的水肿密切相关且成正相关。因此，可以通过研究瘤周水肿的分子生物学机制为临床的治疗提供理论依据。

5　AQP4与抑郁症

抑郁症是心境障碍的最主要类型，多以持续情感低落为主要临床表现，自卑抑郁，甚至有自杀的想法及行为，患者常伴有思维迟缓、意志活动减退、认知功能损害以及睡眠障碍、食欲减退等一些躯体症状。目前抑郁症的病因并不完全清楚，其治疗多以药物治疗配合心理治疗，并积极创造良好环境预防复发。

正常成年动物海马区的海马齿状回颗粒细胞下区有成人神经干细胞存在，其不但具有自我更新及分化成多种神经细胞的能力，而且参与学习、记忆等脑的高级功能，其病理状态下再生能力的变化与多种神经系统疾病的发生发展密切相关。研究表明，抑郁症可以抑制海马齿状回颗粒细胞下区的神经再生功能，而AQP4在海马齿状回颗粒细胞下区呈高表达，并促进成人神经干细胞的增值分化以及海马神经再生。Jayatissa等［19］通过尸检抑郁症患者发现，其海马神经元胞体体积及神经纤维网均不同程度萎缩，推测抑郁症的发病机制可能与海马的器质性病变有关。而AQP4对抑郁模型大鼠海马区的内环境及神经元凋亡都具有调节作用，并且能通过对星形胶质细胞功能及海马神经再生的调节而影响抑郁症的病理过程［20］。因此，AQP4可能为今后抑郁症的治疗提供了新的方向。

6　AQP4与癫痫

癫痫是由于脑组织神经元高度同步的异常放电所导致的一组具有发作性、短暂性、重复性和刻板性特点的临床综合症。由于癫痫发作时放电神经元的位置及放电范围的不同，其导致的发作形式也是各不相同，治疗方法目前还是以药物治疗为主，对于药物难治性癫痫则考虑手术治疗。

近年来诸多研究发现，AQP4与癫痫的病理过程存在一定的联系，Binder等［21］研究发现，在敲除AQP4的癫痫大鼠模型癫痫发作时，无论是其抽搐程度还是抽搐的频率均比野生对照组大鼠明显降低。在癫痫的潜伏期中，AQP4位于近血管腔足突膜的密度明显低于位于远血管腔足突膜的密度［22］，提示AQP4的分布改变与癫痫有关。研究发现，AQP4在星形胶质细胞大量分布，而这种分布的改变可以导致星形胶质细胞的水肿，并促使其内的谷氨酸盐释放，使胞外谷氨酸盐的浓度升高，激活神经元活动导致颞叶癫痫。Heuser等［23］从基因的水平上证实AQP4参与了癫痫的发作过程，但其详细机制有待于进一步研究。

7　小结与展望

目前来说，对于AQP4的研究已经不仅仅局限于其对水的转运作用，而是面向更多的研究方向。Ishiyama等［24］发现，梅尼埃病可以特异性的改变AQP4在支持细胞和线粒体蛋白的表达，因此通过检测AQP4表达量的变化对梅尼埃病的诊断具有极其重要的意义。Yasui［25］发现，AQP4在类淋巴系统紊乱过程中起到了关键作用，而未来通过研制抗AQP4药物就可以更好的治疗由于类淋巴系统通路功能紊乱导致的各种神经功能退化疾病及精神疾病。除此之外，AQP4还参与诸如脑部炎性疾病、视神经脊髓炎、阿尔茨海默病等等疾病的病理过程，本文在此不再一一详述。目前关于AQP4的基础研究虽然取得了很多的成就，但其临床转化率仍然较低，针对于以AQP4作为靶点在临床疾病的诊断治疗中的研究还少有报道，在今后的研究中，可以将AQP4更加的向临床靠近，研发出针对AQP4的治疗药物及诊断方法。

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The Research Progress of Aquaporin 4/

WANG Yong-jun，LI Kun-zheng，XIAO Zong-yu.//Medical Innovation of China，2016，13（26）：128-131

Aquaporin 4 is a kind of protein which is related to the permeability of water，mainly in the central nervous system.It express in astrocytes，choroid plexus epithelial cells，cell membrane epithelial cells and other supporting cells.At present a large number of studies show that AQP4 is not only related to the occurrence and development of brain edema，but also is involved in the pathological process of many kinds of nervous system diseases which is of great significance for the diagnosis and treatment of clinical nervous system diseases.Therefore，this article reviews the relationship between AQP4 and several nervous system diseases.

Aquaporins 4； Brain edema； Brain tumor； Depression； Epilepsy

10.3969/j.issn.1674-4985.2016.26.034

2016-01-25） （本文编辑：蔡元元）

青海省自然科学基金青年项目（2015-ZJ-943Q）；青海大学附属医院中青年科研基金（ASRF-2014-18）

①青海大学 青海 西宁 810000

②青海大学附属医院

李坤正