水通道蛋白在ADPKD中的研究现状与进展

马东玥，徐雨辰，牛青松，郝宗耀，梁朝朝

(安徽医科大学第一附属医院泌尿外科，安徽医科大学泌尿外科研究所，泌尿生殖系统疾病安徽省重点实验室，安徽合肥 230022)

常染色体显性遗传性多囊肾病(autosomal dominant polycystic kidney disease，ADPKD)是最常见的导致肾脏功能衰竭的遗传性肾脏疾病之一，发病率为1/400～1/1 000，其特征是进行性形成及增大的双肾弥漫性囊肿，对肾功能造成损害[1-5]。ADPKD主要由基因PKD1或PKD2突变引起，前者约占85%，后者占15%，分别编码多囊蛋白1(polycystin1，PC1)和多囊蛋白2(polycystin2，PC2)，最新的研究表明另2个罕见基因GANAB和DNAJB11的突变也能引起ADPKD[6-7]。多囊蛋白的缺失会通过激活mTOR、cAMP、Wnt等信号通路引起囊肿上皮过度增殖，分泌增加，同时还能引起纤毛功能缺陷，细胞极性异常，使肾小管上皮细胞呈球形排列，最终导致囊肿形成及增大[8]。此外，ADPKD常伴有尿液浓缩功能缺陷。作为尿液浓缩及维持水平衡的重要分子，水通道蛋白(aquaporin，AQP)广泛分布于哺乳动物各种组织中，在促进体内水和一些溶质在细胞内外的跨膜运输中具有重要的功能，参与多种生理过程[9-11]。迄今为止，已在哺乳动物中鉴定出13种AQP亚型(AQP0-AQP12)[12]。其中AQP1、AQP2、AQP3及AQP11可能在ADPKD的发生发展中起到作用。本文将总结水通道蛋白在ADPKD中作用机制的研究进展。

1 水通道蛋白1(AQP1)

AQP1是最早发现的水通道蛋白，在肾近端小管上皮的顶膜和基底外侧膜以及髓袢降支细段的上皮细胞膜上高度表达[13]，因此AQP1可作为近端小管标记物。HUANG等[14]利用ADPKD患者和健康对照者的成纤维细胞诱导分化为多能干细胞(induced pluripotent stem cell，iPSC)，结果显示ADPKD-iPSC自细胞外向内的水转运能力与健康对照-iPSC相比下降，并且ADPKD-iPSC中的AQP1表达显著低于健康对照-iPSC，此结果提示AQP1缺失可能降低ADPKD囊肿上皮对囊腔内水的重吸收，进而促进囊肿增大。

WANG等[15]利用PKD1和AQP1基因敲除小鼠对此现象进行了进一步研究，结果显示AQP1完全缺陷的PKD1敲除小鼠(PKD1flox/flox;Ksp-cre;AQP1-/-)与AQP1杂合的PKD1敲除小鼠(PKD1flox/flox;Ksp-cre;AQP1+/-)相比，肾脏体积、囊肿数目及直径均增加，并且这些增加的囊肿主要来源于近端小管区域，这一发现确认了AQP1在ADPKD近端小管囊肿形成中的作用。同时该研究还发现AQP1缺陷促进多囊肾的进展可能是通过激活Wnt/β-catenin信号通路所实现。在经典Wnt信号通路未被激活时，胞质中的β-catenin被GSK3β磷酸化，进而被蛋白酶体降解。当经典Wnt信号通路激活时，β-catenin的磷酸化和降解受到抑制，β-catenin积累并入核，促进下游靶基因表达[16]。我们的研究发现在ADPKD小鼠模型肾脏中Wnt/β-catenin信号通路存在异常激活[17]。在PKD1缺陷小鼠模型中敲除AQP1后，Wnt/β-catenin信号通路进一步活化，而过表达AQP1能够抑制细胞模型中囊肿的形成及β-catenin的表达，提示AQP1的缺失通过激活Wnt/β-catenin信号通路促进ADPKD近端小管囊肿进展。此外，Dweep在对ADPKD大鼠模型(PKD/Mhm)肾脏进行了mRNA和miRNA测序，结果显示AQP1表达下调，且在显著上调的miRNA中，miR-199a-5p、miR-214和miR-503可能对AQP1具有调控作用。提示ADPKD中AQP1的表达下调可能是通过miRNA介导[18]。

2 水通道蛋白2(AQP2)

肾脏的集合管表达水通道蛋白家族的另一个成员AQP2。AQP2在集合管主细胞中含量丰富，因此常作为集合管标记物。目前，已发现ADPKD中约2/3的囊肿表达AQP1或AQP2，且含有AQP2的囊肿是最常见的，但一般不同时含有两者，这种现象提示囊肿起源于肾单位不同部位的细胞。在一项最新的研究中，TSUKIYAMA等[19]构建了PKD1缺陷的猕猴多囊肾模型，结果显示在重度表型的肾脏中，大多数囊肿AQP2阳性而少数AQP1阳性，表明大多数严重的囊肿起源于集合管。更重要的是，AQP2阳性囊肿的平均直径大于AQP1阳性囊肿。此外，重度表型的肾脏与轻、中度表型的肾脏相比，AQP1阳性的囊肿大小无明显变化，而AQP2阳性的囊肿大小显著增大。上述结果提示，AQP2阳性的集合管囊肿可能与ADPKD的囊肿进展具有更高的相关性。

血管加压素(arginine vasopressin，AVP)与集合管主细胞上的V2受体(V2 receptor，V2R)结合能够诱导AQP2从细胞内囊泡到细胞顶膜之间运输，进而促进集合管水的重吸收，参与水平衡调控[20]。由于ADPKD的囊肿多起源于集合管[21]，且水平衡失调是ADPKD的特征之一，这些提示AVP-AQP2可能参与ADPKD的发生发展[22]。研究显示，多种多囊肾疾病的动物模型和ADPKD患者均检测到AVP水平升高且与GFR成负相关，同时ADPKD肾脏V2R和AQP2的表达增加，cAMP水平升高[4,23-25]。cAMP信号通路激活是ADPKD囊肿形成的关键机制之一，它能够促进囊肿上皮增殖及囊液分泌[26]，在人ADPKD囊肿上皮细胞中能够检测到cAMP的合成酶腺苷酸环化酶AC 1、3、5、6表达且与AQP2共定位[27]。据此，选择性V2R拮抗剂托伐普坦，可以通过靶向AVP-cAMP-AQP2信号通路，减缓囊肿生长，延缓肾功能损害，是目前唯一被批准用于ADPKD临床治疗的药物[28]。

3 水通道蛋白3(AQP3)

AQP3是存在于集合管主细胞基底外侧膜上的一个功能独特的水通道，主要运输水及一些小分子物质，如甘油等[13]。AQP3参与了多种细胞内信号转导过程涉及能量代谢、增殖和炎症等[29]。AQP3在ADPKD集合管囊肿上皮细胞中也有表达，研究表明AQP3的表达可以抑制腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)的磷酸化，增加囊肿上皮细胞的ATP浓度，并活化ERK/mTOR信号通路，促进细胞增殖[30]。与表达AQP3的PKD1flox/flox、Ksp-cre、AQP3+/-小鼠相比，AQP3缺失的PKD1flox/flox、Ksp-Cre、AQP3-/-小鼠的肾脏大小和囊肿指数显著降低，并且囊肿的减少主要位于集合管区域。AQP3缺失能够抑制囊肿上皮细胞能量代谢，抑制mTOR和ERK信号转导，进而抑制囊肿上皮细胞的增殖。该研究在细胞模型中也观察到了AQP3缺失对囊肿形成的抑制作用[30]。上述研究显示AQP3可能是ADPKD肾囊肿进展的新影响因素，但其作用还有待更多的研究确认。

4 水通道蛋白11(AQP11)

AQP11是转运特性尚不完全清楚的水通道蛋白[10]，在肾脏、肝脏、大脑、睾丸、尿路上皮等均有表达[31]，在亚细胞结构中，AQP11与粗面内质网(rough endoplasmic reticulum，RER)共定位，可能具有调节RER膜对水和其他溶质渗透性的功能。此外，AQP11可能参与PC1和PC2的正确糖基化[32]。

在肾脏中，AQP11表达于肾近端小管的上皮细胞内。AQP11敲除的小鼠表现出近端小管的空泡化和囊肿形成，常在出生早期死于多囊肾导致的肾衰竭[33]。因此，AQP11缺失小鼠的疾病表现更接近人类常染色体隐性遗传性多囊肾病(autosomal recessive polycystic kidney disease，ARPKD)。但不同的是，ARPKD的囊肿起源于集合管，而AQP11缺陷小鼠的囊肿仅限于近端小管。KOIKE[34]及SAITO等[35]的研究也证实AQP11在肾脏的近端小管中选择性表达，AQP11缺失的小鼠肾脏上皮表现出PC1向细胞膜的转运障碍，该多囊肾小鼠常在1个月内死亡。此外，AQP11的缺陷能导致近端小管上皮的增殖增加[36]。INOUE等[37]的实验进一步探明了AQP11缺失引起多囊肾病的发病机制。与野生型小鼠的肾脏相比，AQP11-/-小鼠的肾脏PC1表达升高，PC2表达降低，且上皮的初级纤毛长度增加。虽然AQP11-/-小鼠肾脏的PC1表达升高，但AQP11的缺失使得PC1在内质网处的糖基化过程受损，并且使PC1向细胞膜的转运及定位异常，这可能是AQP11-/-小鼠囊肿发生的关键机制。此外，转基因AQP11可以完全挽救3周龄AQP11-/-小鼠的肾脏囊肿表型[35,37]。因此，AQP11的表达可以在囊肿形成中发挥抑制作用，有望成为新的潜在治疗靶标。

5 总结与展望

目前ADPKD仍然是临床上难以治愈的疾病，除了托伐普坦已进入临床用药阶段外，尚无其他明确有效减缓疾病进程的治疗方案[38]。AQP在肾的水及溶质转运的过程中扮演着重要角色，不仅能够作为ADPKD中囊肿起源的标记，与疾病表型严重程度相关，还参与cAMP、Wnt、mTOR等多种信号通路以及多囊蛋白的细胞内转运，可能对ADPKD囊肿形成及疾病进展产生调控作用。深入研究AQP在ADPKD中的作用机制，在寻找ADPKD药物靶点方面具有广阔的前景。