水通道蛋白-4与脑水肿的相关性研究进展

水通道蛋白(aquaporin，AQPs)是最近几年研究较多的与水通透性相关的一类跨膜蛋白。至今在哺乳动物体内共发现13种水通道蛋白(AQP0-AQP12)，其中AQP4是脑组织中分布最广泛的一种水通道蛋白[1]。近年来研究表明AQP4在各种颅脑疾病(脑血管病、脑外伤、脑肿瘤、炎症等)所致的脑水肿形成和消散中起着关键作用。正确认识AQP4和脑水肿的关系可为临床病人治疗脑水肿提供新思路。

1 AQP4的概述及分子结构

Peter Agre于1988年发现第一个AQP，并获取了2003年诺贝尔奖[1]。迄今在哺乳动物体内至少已经发现13种AQPs蛋白亚型，有8种在脑组织中表达，AQP4最为丰富[2]，与脑水肿的联系也最密切。AQP4最早于1994年由Hasegawa等从大鼠肺组织中克隆出来[3]，其蛋白单体由经过6次跨膜之后的多肽链构成，共形成3个胞外环(A、C、E)和2个胞内环(B、D)，其游离N端和C端均位于胞内[4](见图1A)。每个蛋白单体的B环和E环上均有一个高度同源的精氨酸-脯氨酸-丙氨酸序列(Asn-Pro-Ala，NPA序列)，为AQPs家族的特征性结构，决定了水的通透性，研究发现B环和E环的改变可引起对水通透性的改变[3]。两个NPA结构分别从胞膜的相对面折叠成一个能够允许水分子通过的孔道，直径约0.38 nm，且单线仅允许一个水分子通过，这种结构被称为水通道蛋白“沙漏模型”三维结构[5](见图1B)。AQP4的四级结构是由4个单体组成的四聚体，且每个单体都有各自独立的水通道[6](见图1C)。

AQP4根据翻译起始位点的不同分为3种功能亚型：M1、M23和Mz。分别含有323、301和364个氨基酸残基[7]。其中M23是脑组织中最常见的一种亚型， 且可在胞膜上排列成更高的结构-正交列阵结构(orthogonal arrays of particles，OAPs)[8]，可以增强水分子通透性，促进AQP4在星形胶质细胞的极化，辅助AQP4定位于细胞膜，且该结构为AQP4特有的结构。目前关于OAPs与四聚体形式在功能上的区别尚未清楚，但可肯定的是OAPs可增强水分子通透性，加快AQP4通道对水的转运[3]。

图1 AQP4的结构

2 AQP4的分布及功能

AQP4主要分布于星形胶质细胞、室管膜上皮细胞、脉络丛上皮细胞、血管内皮细胞等支持细胞中，尤其在与蛛网膜、软脑膜、毛细血管等相邻的星形胶质细胞足突上表达最丰富[9]。此外，Yool[10]研究发现，AQP4在小胶质细胞上表达上调，但在神经元、少突胶质细胞、脑膜成纤维细胞上均未见其表达，可以看出AQP4主要表达在脑实质与脑内液体成分相邻的细胞膜上。AQP4的这种极性分布提示在脑内水平衡中发挥重要作用，可能是胶质细胞与脑脊液以及血液之间水分子转运的重要结构单元[11]。如前所述，AQP4表达在脑室系统周围的室管膜细胞和脉络丛细胞，与脑脊液的分泌和重吸收的位置大致相同，说明脑脊液可能通过AQP4参与自身循环[12]。AQP4在下丘脑视上核和室旁核高度表达，该部位的大分泌细胞对细胞内容量变化非常敏感，当渗透压变化1%时可引起抗利尿激素释放，所以AQP4可能是渗透压感受器或受体，通过自身对微小渗透压的变化改变细胞容量，从而参与全身的水平衡[13]。此外，AQP4还表达在胼胝体、海马、小脑、脑干等部位，主要调节胞外间隙大小和钾离子浓度[11]。

3 AQP4的调控机制

AQP4在大脑中表达受到严格的调控，AQP4对水分子的通透性及在细胞膜上的数量是可以调控的，调控方式主要有长期调节和短期调节，长期调节是通过缺氧、渗透压、氨、转录等长时间的调节机制，短期调节是通过一些受体介导的磷酸化和去磷酸化以及AQP4在胞内运输实现的[14]。

3.1 短期调节

3.1.1 磷酸化调节 AQP4磷酸化调节是发生在翻译之后的一种调节方式，当发生磷酸化时，磷酸化蛋白被转运至细胞膜，进而进入细胞内，最终指导磷酸化蛋白在细胞内发生降解的一种方式[15]。研究表明，AQP4有多个磷酸化位点，其中最主要的为Ser180和Ser111两个残基位点[16]。

Ser180位点位于AQP4分子胞质内D环，其磷酸化可降低AQP4对水分子的通透性，该位点磷酸化是通过Ca2+浓度-磷脂依赖性蛋白激酶信号通路(PKC)实现的。Mccoy等[17]研究表明，PKC主要在转录水平对AQP4-mRNA进行调控，当AQP4的Ser180残基发生变异时，AQP4却不会被PKC磷酸化，此外用PKC活化剂二丁酸佛波醇酯可显著减少AQP4的数量，而该作用可被PKC抑制剂RO-31-8220消除，Ser180发生点突变时同样可以阻断二丁酸佛波醇酯的作用。Zeuthen等[18]用PKC活化剂对星形胶质细胞分别做长时间和短时间孵育，发现AQP4分子表现出不同的内化现象，提示PKC除了作用AQP4的Ser180位点还作用于其他的位点(如Ser267和Thr273)，共同导致AQP4水通透性降低。

Ser111位点位于AQP4分子胞质内B环，其磷酸化可增加水分子的通透性，与Ser180不同的是，该磷酸化是通过cAMP-蛋白激酶信号通路(PKA)和GAMP-蛋白激酶(PKG)途径实现的。Gunnarson等[19]研究表明，钙调蛋白并不是直接作用于Ser111位点，而是先作用于一氧化氮合酶产生NO和下游PKG的活化调节AQP4磷酸化。在肾脏和爪蟾某些细胞中发现Ser111位点的磷酸化是通过PKA途径实现，并且增强AQP4水透过率[20]。所以，抑制Ser111位点可降低水通透性进而减轻相应部位水肿。

3.1.2 胞内运输调节 Carmosino等[21]在研究胃腺癌细胞中发现，用组胺处理的细胞其OAPs结构减少，水通透性也降低， 猜测这可能与AQP4分子内吞有关，去除组胺后，AQP4又重新分布胞膜上，说明AQP4可在胞膜和胞内之间运输，调控水分子通透性。

3.2 长期调节

3.2.1 氧化应激调节 大量研究表明氧化应激损伤机制上调AQP4表达[22]，且途径较复杂。氧化应激能迅速诱导早期基因C-Jun和C-Fos表达，后形成蛋白激酶-1(AP-1)，AP-1激活MAPKS从而上调AQP4的表达；氧化应激也可作用于调控炎症反应的转录因子(NF-κB)调节AQP4；Hsu等[23]研究表明通过P38丝裂原活化蛋白激酶信号通路(MAPKS)和胞外信号调节激酶信号(ERK)通路能够激活半胱氨酸白三烯受体(CysLT2)上调AQP表达，所以氧化应激可以通过白三烯诱导AQP表达；氧化应激通过转录因子NF-E2相关因子(NRF2)激活AQP4基因启动子中抗氧化反应元件(ARE)基因上调AQP4表达，Mao等[24]研究发现萝卜硫素(NRF2的激活剂)可上调AQP4表达。

3.2.2 蛋白相互作用 研究发现肌营养不良蛋白聚糖复合物(dystrophin-associated complex，DGC)是AQP4呈极性表达在血管周围星形胶质细胞足突上的重要蛋白，Dmytrenko等[25]研究α-互养蛋白(α-syntrophin，DGC的一种)时发现，α-syntrophin基因缺失的小鼠其极化现象发生改变；Mahmood等[26]研究低钠血症时发现与野生型小鼠相比α-syntrophin基因敲除后的小鼠其脑水含量显著减少，提示AQP4定位和表达在细胞结构与某种蛋白关联。

3.2.3 精氨酸加压素(AVP) AVP主要由下丘脑视上核和室旁核分泌，主要作用为维持体内水盐平衡。近年来研究发现，AVP可以促进脑水肿，Taya等[27]发现，在脑外伤中V1αR拮抗剂可以通过降低AQP4表达减轻脑水肿；张波等[28]在研究精氨酸加压素1α受体(V1αR)与AQP4表达之间的关系时发现，在脑水肿不同时间段AQP4表达与V1αR之间呈正相关，提示V1αR 的调节可能导致AQP4表达升高。此外，重组人促红细胞生成素、OAPs等都参与AQP4的表达调控，但具体调节机制仍需进一步实验研究。

4 AQP4与脑水肿

脑水肿为液体过度聚集在脑实质内(脑组织细胞内或细胞间隙中)，可认为当脑组织中的含水量超过其正常含量的80%时就是脑水肿。神经系统各种疾病所致的脑水肿主要为细胞毒性和血管源性脑水肿。许多实验证实AQP4与脑水肿发生相关，在脑水肿形成和消散中起主导作用。

4.1 细胞毒性脑水肿 细胞毒性脑水肿多是由于细胞代谢功能紊乱，导致钠钾泵、钙泵等功能失调，无法正常调节水和离子，导致细胞内水超载的一种病理性水肿，主要发生于脑缺血、缺氧、中毒等损伤因素，主要特点为星形胶质细胞发生肿胀而血脑屏障是完整的。Hirt等[29]在研究脑缺血小鼠时证实，与野生型小鼠相比，AQP4缺失的小鼠其细胞坏死程度、炎性反应及病灶大小均较轻；Huang等[30]在脑膜炎模型中也发现，实验组脑水含量及AQP4表达明显增加。可以看出AQP4加重细胞毒性脑水肿的发生。

4.2 血管源性脑水肿 血管源性脑水肿是指由于血脑屏障破坏，过多液体集聚在细胞外间隙，多见于脑外伤、脑肿瘤、脑冻伤等相关疾病。与细胞毒性脑水肿不同的是AQP4有利于血管源性脑水肿消除，尤其在室管膜、胶质界膜和血脑屏障等富含AQP4的部位。在血管源性水肿中，水分子进入脑组织不需要借助AQP4，相反，水肿的消除却借助AQP4分子。Papadopoulos等[31]研究发现敲除AQP4基因后的小鼠脑组织水肿消散速度远低于野生型，同时在黑色素肿瘤引起的水肿中，缺乏AQP4基因小鼠颅内压与脑水含量都较重；在脑冻伤模型中，同样发现AQP4可减轻水肿和颅内压[32]；Tourdias等[33]研究血管源性水肿时发现，AQP4在脑水肿消退期表达增加。可以看出AQP4减轻血管源性脑水肿，促进水肿的吸收，减轻疾病的发展。

4.3 脑水肿治疗新靶点 目前治疗脑水肿的药物仅局限于对症治疗(激素、甘露醇、高渗液等)，AQP4是近年来研究比较多的药物作用靶点。细胞毒性脑水肿时AQP4表达增加并可加重脑水肿而血管源性脑水肿时水分子可通过AQP4通道排泄，其抑制剂和激动剂可减轻对应的脑水肿。研究发现亚低温和去骨瓣治疗都能通过抑制AQP4表达减轻脑水肿，所以AQP4作为靶点治疗脑水肿是可行的。有实验表明，2-尼克酰胺-1，3，4-噻二唑(TGN-020)、吡罗昔康和乙酰唑胺(AZA)可下调脑组织中AQP4的表达和分布，具备作为AQP4抑制剂的可能。Abed等[34]在脑缺血模型中发现，与模型组相比，TGN-020干预组脑水肿和梗死程度显著降低；Viskupicova等[35]发现，吡罗昔康可通过减少AQP4表达减轻脑水肿达到神经保护作用。目前关于AQP4抑制剂和激动剂的研究甚少，其作用于临床仍需更多的实验证实。

5 结语与展望

近年来神经系统发病率越来越高，其病理改变-脑水肿，是导致病人致残致死的主要原因。许多实验已证实AQP4在脑水肿中发挥重要作用。细胞毒性脑水肿中，AQP4促进脑水肿发展，加重疾病，而血管源性脑水肿中，AQP4促进脑水肿消散，降低病人颅内高压，延缓病情发展，所以探索AQP4抑制剂或激动剂以及使用的时机对治疗脑水肿至关重要，并能挽救病人生命，但目前对于AQP4的各种研究仅局限于一些基础性研究，与临床相差甚远，所以其临床应用价值仍需进一步的实验探索。