水通道蛋白在动物疾病发生过程中的作用研究进展

张玉婷，张 琪，郭抗抗，许信刚，周宏超

(西北农林科技大学动物医学院，陕西杨凌 712100)

水通道蛋白(aquaporin,AQP)作为一种水转运蛋白在机体各个部位广泛分布，尤其在涉及水液输送的组织细胞内分布量较多，例如在大脑、胃、肠道、肾脏及膀胱等器官均有表达，水通道蛋白在保持机体内环境稳态方面发挥重要作用，增强了机体的代谢能力[1]。研究发现，哺乳动物体内所表达的水通道蛋白已经有13种亚型，分别为AQP0、AQP1、AQP2、AQP3、AQP4、AQP5、AQP6、AQP7、AQP8、AQP9、AQP10、AQP11、AQP12。水通道蛋白家族根据各个亚型在机体发挥的功能不同，可分为3类：①单纯的水通道蛋白，如AQP1、AQP2、AQP4、AQP5； ②水甘油通道蛋白，如AQP3、AQP9、AQP10； ③超级水通道蛋白，如AQP6、AQP8、AQP11、AQP12[2]。近年来，某些疾病的发生与水通道蛋白异常表达现象，得到了广泛的关注。本文主要就水通道蛋白的定位以及在病理状态下的变化进行综述，为临床水与电解质代谢紊乱相关疾病的治疗和研究提供参考。

1 水通道蛋白的结构和功能

水通道蛋白是细胞膜上存在的一种跨膜孔道蛋白。水通道蛋白的结构包括6个跨膜结构域，结构域之间由5个环连接。B环和D环位于细胞内部，A环、C环、E环位于细胞外部，蛋白的N末端和C 末端位于细胞内部。在水通道蛋白的B环和E环上存在一个高度保守性结构，由天冬氨酸-脯氨酸-丙氨酸[asparagine(Asn)-proline(Pro)-alanine(Ala),NPA]构成。此结构直接参与水通道蛋白介导的水转运过程，构成了水通道的中心，每次只允许一个水分子通过。B环和E环具有疏水性且对外界环境敏感，一旦结构破坏，对水的运输将产生影响。细胞膜上的水通道蛋白通常以四聚体的形式存在，每个单体均可以参与水的转运，其生理功能主要是参与水的吸收和分泌，维持机体水与电解质代谢的平衡。脑脊液的分泌、眼房水的生成、尿液的浓缩与稀释、肠道内水的吸收与分泌等过程都可有水通道蛋白的参与。在病理状态下，水通道蛋白也扮演了一个很重要的角色，它可以参与脑水肿的生成和消退、多尿症的产生、便秘和腹泻的发生等。

2 水通道蛋白在疾病发生发展过程中的变化

2.1 水通道蛋白在脑部的分布和在脑部疾病发生发展过程中的表达

水通道蛋白可以驱动大脑中水的流动，保证大脑水稳态，在脑部疾病发生过程中也发挥重要调节作用。在大鼠脑部，水通道蛋白的定位如下：AQP1在星形胶质细胞、脉络丛表达。AQP3，AQP5定位于梨状皮层、海马和背侧丘脑的神经元等部位[3]。AQP4是在脑部表达较多的一种水通道蛋白，主要位于脊髓灰质和白质星形胶质细胞末端[4]，并且受到T细胞核因子(NFAT5)的调节[5]。AQP8分布于小脑的Bergmann神经胶质细胞。AQP9分布于海马和白质星形胶质细胞，在脑部能量代谢过程中具有重要作用。

AQP表达异常导致神经症状和脑水肿的发生。近年来，AQP4和AQP9在脑部疾病中的研究相对较多。脑水肿根据血脑屏障是否损伤，主要分为三类：①细胞毒性脑水肿：发生在脑缺血、缺氧、脑部中毒等情况，此型脑水肿发生后血脑屏障正常，星形胶质细胞出现病变。②离子型水肿：这一阶段主要是内皮系统功能障碍，血脑屏障仍然完好。③血管源性水肿：此型脑水肿发生后水液聚集在组织间隙，主要发生于脑外伤、脑脊液渗出和血脑屏障功能被破坏。近期有综述报道：发生细胞毒性脑水肿时，AQP4的表达呈现上升趋势，增加了水肿的程度。血管源性脑水肿AQP4表达增加，会使脑水肿症状减轻，起到有利作用[6]。当小鼠脑损伤后，脑组织中AQP4的表达升高，小鼠出现脑水肿症状[7]。这与上述由外伤引起的血管源性脑水肿发生时，AQP4的表达可使症状减轻的现象相互矛盾。原因可能是由于发生脑损伤时，脑组织释放大量的炎性因子，长时间的脑部损伤使脑部失血过多，神经元和神经胶质细胞发生坏死，组织缺血缺氧进而继发细胞毒性脑水肿，AQP4表达增加，进一步促进了脑水肿。说明脑水肿在发生时，血管源性脑水肿和细胞毒性脑水肿会相继出现。脑部受到剧烈损伤时会直接导致毛细血管破裂，血脑屏障的保护作用丧失。大量液体到达组织间隙，引起血管源性脑水肿。随病情发展，细胞能量代谢障碍，产生大量氧自由基，成为细胞毒性脑水肿形成的基础。有研究通过建立脑皮质冻伤小鼠模型，发现模型组小鼠AQP4表达量早期升高，后期AQP4表达量出现了下降趋势[8]。早期AQP4的升高可能是小鼠神经功能发生损坏，而AQP4的升高在早期解决脑水肿症状中也发挥了作用，后期神经功能缓慢恢复减少了AQP4的表达。AQP4的表达根据发病的不同原因可能受到多种因素的影响，从而在疾病发生发展过程中表现出不同的作用。在帕金森综合病发生过程中水通道蛋白的表达也发生了一定的变化。帕金森氏病(PD)患者，α-突触核蛋白(α-syn)免疫标记星形角质细胞在包括新皮质区的大脑区域优先分布。通过研究帕金森病患者颞叶中AQP的表达，发现表达AQP1和AQP4的星形胶质细胞群可能改变帕金森患者新皮质的α-syn沉积[9]。α-突触核蛋白(α-syn)作为PD的主要病理标志可诱导神经元的凋亡并且能够抑制神经递质的释放，促进小胶质细胞活化，导致脑部炎症的发生。

2.2 水通道蛋白在肺的分布和在肺部疾病发生发展过程中的表达

肺是机体进行气体交换的主要场所，外界的空气经鼻腔、气管、支气管运输到肺部，经肺泡上皮细胞完成氧气和二氧化碳的交换。在气道和肺泡表面存在一种黏液称之为气道或肺泡表面液(AST),起到保护作用并且在肺部形成气液界面。有证据表明AQP参与了肺和气道的液体处理。有运输液体、湿润气道、吸收胸腔内的液体，保持肺部干燥的功能，也可参与黏膜下腺体的分泌。在肺部发挥作用的水通道蛋白主要有AQP1、AQP3、AQP4和AQP5这4种[10]。AQP1表达于肺泡毛细血管内皮细胞，在远端气道上皮细胞外侧膜有AQP3的分布[11]，AQP4分布于支气管上皮腔， AQP5分布于Ⅰ型肺泡细胞顶端质膜。

当机体发生肺损伤、肺癌、肺动脉高压等疾病时，都会影响到AQP的表达。同时，也可以通过调节机体AQP的变化来缓解疾病造成的损害。AQP1和AQP5在肺部水与电解质代谢过程中发挥着主要作用。机体在缺氧条件下，缺氧诱导因子(HIF-1α)的出现，可诱导AQP1的转录增加，AQP1的表达可以在缺氧的肺组织中促进水与电解质代谢，保护肺组织，缓解肺水肿。在低氧引起的肺动脉高压中也发现AQP1的表达上调，采用AQP1基因敲除小鼠发现AQP1缺乏减弱了低氧诱导的肺动脉高压，并且在蛋白水平检测AQP1的缺乏抑制了缺氧诱导因子的表达，保护肺内皮细胞免受缺氧导致的损伤[12]。用H2S刺激小鼠肺部引起急性肺水肿，显著性下调了AQP5的表达，并且发现p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase，p38 MAPK)和细胞外调节激酶1/2(extracellular regulated protein kinases1/2，ERK1/2) 通路在其变化过程中也具有一定的影响[13]。在急性胰腺炎引起的急性肺损伤(ALI)中，通过脂蛋白A4诱导AQP5的表达来减弱ALI引起的肺水肿[14]。然而，对小鼠机械通气后观察小鼠肺部AQP1和AQP5表达变化，发现AQP5和AQP1表达增加，但是并没有引起微血管渗透性的改变和肺水肿的发生[15]。虽然水通道蛋白与肺水肿的发生存在密切关系，但是，水通道蛋白在肺水肿的形成和消退中的功能，仍然存在争议。另外，水通道蛋白在细胞的增殖、迁移、凋亡等方面也具有重要作用。当沉默AQP5表达时，可以抑制ERK1/2信号通路激活，抑制肺癌细胞(A549)增殖，促进肺癌细胞凋亡，对机体产生保护作用[16]。

2.3 水通道蛋白在肾的分布和在肾脏疾病发生发展过程中的表达

肾是机体水液运输最多的器官，在体内生成尿液，并且参与尿液的分泌和重吸收过程。在肾脏中主要有8种水通道蛋白存在，分别为AQP1、AQP2、AQP3、AQP4、AQP5、AQP6、AQP7、和AQP11。AQP1在肾脏近端小管上皮细胞的顶端、髓袢降支，在近端小管的基底外侧膜中也有AQP1表达[17]。AQP2、AQP3、AQP4、AQP5和AQP6位于集合管，AQP7分布于近曲小管的刷状缘，AQP11位于近端小管细胞的内质网膜。

机体出现肾损伤、肾积水、多囊肾病、肾功能衰竭和糖尿病肾病等时，肾脏中的水通道蛋白表达也会相应减少。AQP2是肾脏中水重吸收的重要蛋白质，并且受到抗利尿激素ADH的调节，在肾脏水平衡中起着关键作用。机体ADH缺乏时，AQP2在相应部位的表达出现异常，出现多尿症。肾移植后出现的急性利尿症状是由于肾中AQP2释放减少，多囊肾病主要表现为双肾囊肿，肾内充满液体[18]。在囊肿发展过程中AQP3的表达促进了囊肿肿大[19]。此外，与AQP3敲除小鼠相比，肾囊肿增长的速度显著减慢。AQP11定位于近端小管内质网(ER)上，AQP11敲除小鼠表现出近端小管的空泡化并伴有囊肿的形成。有研究证实，近端小管的初级纤毛在AQP11-/-小鼠中延长，多囊蛋白-1(PC-1)参与了AQP11-/-囊肿的发生[20]。发病时，AQP11-/-小鼠PC-1糖基化加工受损和膜运输异常[20]。患有糖尿病的动物有时会继发肾脏功能的损害而出现糖尿病肾病(DN)，使肾小球滤过障碍，出现多尿。AQP5参与尿液的浓缩和稀释，发生DN时大鼠肾组织中AQP5的mRNA含量升高[21]。测定尿液中AQP5时发现，AQP5的排泄量与发病进展呈正相关。

2.4 水通道蛋白在肠道的分布和在肠道疾病发生发展过程中的表达

肠道是体内水液代谢的第二大器官，对水液转运的能力仅次于肾脏，能够将机体摄取食物的水分进行吸收并将其转运至体内，从而增加动物体的营养供应。水通道蛋白在肠道中的表达丰富，包括AQP1、AQP2、AQP3、AQP4、AQP5、AQP7、AQP8、AQP9、AQP10和AQP11等。AQP1表达于小肠的肠黏膜血管内皮细胞上，AQP2分布于远端结肠上皮细胞顶膜，AQP3分布于大鼠结肠上皮细胞的基底外侧膜[22]， AQP4在结肠黏膜下层，在大鼠十二指肠Brunner腺有AQP5表达，主要定位于腺细胞的顶膜和基底外侧膜，AQP7表达与十二指肠浅表上皮细胞、空肠、回肠上皮细胞顶端刷状缘、远端结肠上皮细胞顶端膜，AQP8存在于十二指肠、空肠表面上皮细胞和近端结肠隐窝的表面上皮细胞，在大鼠小肠的杯状细胞基底外侧膜有AQP9的表达。AQP10分布于小肠黏膜上皮细胞的顶端和肠绒毛，结肠肠上皮细胞顶端发现有AQP11的表达。

细菌、病毒、寄生虫感染、环境的改变、肠动力疾病均会引起腹泻，有些腹泻的产生是由于肠道中水通道蛋白表达发生变化使肠腔中的水分不易吸收或分泌过多而导致。伊利替康(CPT-11)具有抗癌作用。此外，其副作用可产生腹泻，大鼠注入CPT-11后，观察到大鼠结肠隐窝细胞减少，AQP3主要存在于结肠的上皮细胞，隐窝细胞减少引起AQP3表达下降，吸收能力下降，大量水液聚集肠腔，出现腹泻症状[23]。水通道蛋白能分泌黏液润滑肠道，保证了动物正常的排泄机能。水通道蛋白异常表达使肠道内黏液减少，进而引起便秘。AQP在肠道不同定位使其发挥不同的作用，表达在肠腔侧的AQP表达增多时，促进水液向细胞间质的转运，最终出现便秘。反之，发生腹泻。表达在血管上的AQP增多时，促进吸收。反之，导致腹泻。在研究AQP与肠道疾病之间联系的同时也应考虑到，通过控制AQP在肠道中的表达来研究泻药和止泻药，治疗便秘和腹泻等疾病。增加腹泻大鼠肠组织中的AQP1表达，大鼠腹泻症状可以得到缓解[24]。

3 展望

水通道蛋白的分布较为广泛，主要是维持体内水液的平衡。近年来，研究人员对水通道蛋白在疾病发展过程中的表达进行了较多的研究，并取得了一定的进展。目前，水通道蛋白在疾病的发病机制中的研究还需要进一步深入，为水液代谢异常类疾病的治疗提供理论依据。