泌尿外科疾病中Uroplakins的研究进展

周 辉，李宜桓，陈书练，罗 旭

Uroplakins(Upk)是一类在脊椎动物体内广泛分布的完整膜蛋白，主要分布于尿路上皮伞状细胞层，是尿路斑块的主要组成部分，因此又称为尿斑蛋白。Upk主要包括Upk1A、Upk1B、Upk2、Upk3A和Upk3B，其中Upk1A和Upk1B是具有40%同源性的四跨膜蛋白，Upk2和Upk3为单跨膜蛋白。Upk3B在尿路上皮斑块中的表达水平较低，通常不足Upk3A的10%，但在内脏间皮组织和视网膜色素上皮细胞中大量表达。此外，在胃、肾、前列腺、生殖腺等多种非尿路上皮组织中，亦发现多种Upk的表达。

Upk的主要功能是形成尿路上皮的血尿屏障，防止膀胱中尿液的水和其他溶质进行跨细胞膜转运。Upk的破坏和异常表达会损害尿路上皮屏障功能，导致尿路系统异常。大量研究表明，Upk在多种泌尿系统相关疾病的病理和发病机制中起重要作用。因此，深入了解Upk在泌尿外科相关疾病中的表达和作用，将有助于疾病的进一步诊断与治疗。

1 Upk是构建尿路屏障的主要蛋白

生理条件下尿路上皮伞细胞的顶端质膜上被大量的斑块蛋白覆盖，这些斑块的外叶比内叶厚，称为不对称单位膜(asymmetric unit membrane, AUM)。AUM蛋白颗粒主要由Upk1A、Upk1B、Upk2和Upk3A构成，呈六边形排列，直径为16 nm[1]。在内质网中Upk1A与Upk2组成异二聚体，Upk1B与Upk3A组成异二聚体，并转运至高尔基体进行下一步合成。Upk2前序列上3个N-糖基化位点中的2个多糖在高尔基体中形成复合多糖，并在反面高尔基体管网状结构中通过弗林蛋白酶的作用去除，在糖基化修饰和构象变化的作用下组成异四聚体(Upk1A/Upk2-Upk1B/Upk3A)。六个异四聚体组装成16 nm的环形二维晶体结构，在高尔基体后囊泡中排列成紧密的半结晶状斑块蛋白[2]。在细胞角蛋白的调节下，斑块蛋白从高尔基体转运到顶端质膜，导致高尔基体在细胞中碎裂和重新分布，大量肌动蛋白微管发生重新排列，细丝从细胞质内消失[3]。AUM通过铰链区相互连接，赋予了伞细胞层高度的可塑变形性和顺应性，从而适应膀胱从充盈到排空过程中经历的形态变化。

Upk正确合成尿路斑块是尿路屏障形成的基础。Upk基因敲除的小鼠表现为AUM结构改变和屏障功能缺陷。Upk1B基因敲除后的小鼠无法产生Upk1B/3A二聚体，AUM的形成受阻[4]。Upk3基因缺陷的小鼠Upk1B表达上调且无法正常进行糖基化，无法形成正确的AUM结构，其尿路上皮通透性显著增加，但跨膜阻力表达正常[5]。Upk2基因敲除小鼠的尿路上皮斑块完全丢失，由于Upk3B的存在，Upk3A基因敲除小鼠的尿路上皮斑块丢失70%～80%。

2 Upk在泌尿系统发育中的作用

胚胎期Upk在膀胱、输尿管和肾盂的尿路上皮中表达，其表达量与尿路上皮斑块形成的数量一致。研究发现，源自胚胎期输尿管芽上皮细胞的Sec10对尿路上皮发育和屏障功能建立有至关重要的作用，Sec10基因敲除后Upk3表达完全缺失，未观察到尿路斑块形成和尿路上皮分化[6]。Upk3基因缺失小鼠表现为肾盂扩张、肾积水，并且可导致原发性膀胱输尿管反流(vesicoureteric reflux, VUR)。文献报道，在Upk3A基因突变的患者中发现肾发育不全、泄殖腔畸形和VUR等畸形[7]。Upk2基因突变小鼠因输尿管内尿路上皮细胞增生出现梗阻性先天性肾病，最终死亡[8]。Upk1B基因敲除小鼠发生进行性肾积水，约16%出现单侧重复肾畸形[4]。因此，Upk缺失和异常可能导致肾脏发育不良。

尿路上皮和生殖系统具有相同的胚胎起源，因此在多处生殖系统组织中发现Upk的表达。Upk在人类胚胎生殖窦和尿道中表达，然而随着男性阴茎、尿道的发育和包皮、龟头结构的成形，Upk的表达量逐渐减弱直至消失[9]。在人类女性生殖道中亦未观察到Upk表达[10]。Upk1A、Upk1B、Upk2和Upk3B在雄性小鼠的前列腺、睾丸、精囊和精子中大量表达[11-12]。组织学分析表明，Upk3B在精子细胞成熟期被特异性激活[13]。Upk基因敲除小鼠的体外受精率和产仔数均下降，提示Upk可能在受精过程中起重要作用[11]。

3 Upk在膀胱癌中的作用

尿路上皮癌占膀胱癌的90%以上，Upk在大多数膀胱尿路上皮癌中表达，而在非尿路上皮癌中不表达。因此，Upk的特异性抗体在临床上用于鉴定尿路上皮起源的膀胱肿瘤病变。肿瘤组织破坏了正常尿路上皮结构，Upk在血液和尿液中的释放量明显增多。在膀胱癌组织中，Upk1A的表达较癌旁组织明显上升，且与临床预后不良相关，是影响患者生存率的重要预后因子。在尿路上皮癌细胞株(T24)中，siRNA转染Upk1A可抑制T24的增殖并促进细胞凋亡[14]。在肝癌细胞中亦发现相同情况，缺氧下Upk1A与HIF-1α结合从而促进癌细胞的增殖和糖酵解，其中长链非编码RNA Upk1A-AS1起关键作用[15]。Upk1B在膀胱癌中表达增高，且与肿瘤转移、预后不良密切相关，下调Upk1B后可明显降低癌细胞的增殖、侵袭和转移能力，可能通过Wnt/β-catenin信号通路发挥作用[16]。Upk2是尿路上皮细胞谱系标志物，在尿路上皮来源肿瘤的鉴别和诊断中的价值优于S100P、GATA3和THBD等[17]。Upk2在尿路上皮癌免疫组化中呈胞膜和胞质内弥漫性表达，在与其他来源肿瘤的鉴别中具有较高的特异性和敏感性[18]。膀胱癌患者的血浆Upk2平均浓度较正常对照组高1.4倍，尿液Upk2平均浓度高3.4倍[19]。在非浸润性膀胱癌和浸润性膀胱癌、低级别组和高级别组对比发现，血浆和尿液的Upk2浓度均无统计学差异。Upk3A在膀胱癌患者血浆和尿液中的表达明显升高，且在低级别组和高级别组之间差异有显著性，提示Upk3A浓度在膀胱癌分级中有较高的应用价值[20]。Tsumura等[21]检测血清中Upk3的浓度，发现其表达量和肌肉侵袭、淋巴血管侵犯存在显著相关性，浸润性膀胱癌的血清Upk3浓度明显高于非浸润性膀胱癌。因此，高血清Upk3可能提示膀胱癌患者预后不良。

值得关注的是，Upk在其他肿瘤中亦发挥重要作用。Upk1A在肺癌[22]、子宫内膜癌、胰腺癌、肝细胞癌[15]中升高，但在食管癌[23]、结直肠癌[24]、胃癌[25]中表达降低。在食管鳞状细胞癌中，Upk1A的低表达与肿瘤转移和预后不良相关，同时发现Upk1A启动子区域高甲基化，去甲基化处理后可恢复Upk1A的表达[23]。Upk1B在肾癌组织中表达增加，过表达Upk1B能增强N-α-乙酰基转移酶10(NAA10)引起的增殖作用[26]。Upk2在乳腺大汗腺癌和浸润性小叶癌中表达[27]。卵巢Brenner瘤常伴尿路上皮化生，在Brenner瘤可见Upk3表达[28]。根据癌症基因组图谱中的基因表达数据，Upk3A在前列腺癌中的表达比膀胱癌中更高[17]。Upk3B是间皮细胞的特异性标志物，在间皮瘤中表达降低[29]。

4 Upk在膀胱炎中的作用

细菌性膀胱炎主要由尿路致病性大肠杆菌(uropathogenic escherichia coli, UPEC)引起，大多数UPEC分离株均表达1型菌毛黏附素(FimH)，FimH能识别糖基化的Upk1A并特异性结合其核苷酸结构序列，从而启动UPEC对宿主的入侵、定植与增殖，促进尿路上皮细胞内细菌群落的形成。将Upk1A的天冬酰胺连接糖基化位点(Asn169)替换为非糖基化位点(Gln169)后，FimH无法与Upk1A正常结合，UPEC定植与中性粒细胞浸润较正常小鼠明显减少[30]。Upk1A胞外环结构上的糖基化位点可聚集相对分子质量为(2.0～3.0)×104的高甘露糖，是FimH黏附的关键。FimH拮抗剂甘露糖苷能有效抑制FimH的黏附作用，从而阻断UPEC与Upk1A的结合，是治疗UPEC感染的有效靶点[31]。FimH还通过酪蛋白激酶Ⅱ诱导Upk3A结构域中的Thr244磷酸化，细胞内Ca2+升高，促进UPEC诱导的细胞凋亡[32]。敲低Upk3后UPEC诱导的细胞凋亡明显减少，Upk1B可促进Upk3的表达与结合，进一步加剧UPEC的感染程度[33]。敲除Upk1B后，尿路上皮的细菌负荷明显减少[4]。

间质性膀胱炎(interstitial cystitis, IC)为一种病因不明、以疼痛和下尿路症状为主要表现的临床综合征，其主要特征是尿路上皮通透性增加、屏障功能受损导致大量炎性物质聚集，并刺激神经元产生疼痛和相关症状。Zeng等[34]检测到IC患者的膀胱组织中Upk1A、Upk1B、Upk2的表达水平显著降低，而Upk3表达量增加，同时还发现Upk3的选择性剪接体Upk3-delta4表达增加。与溃疡性IC、正常对照组相比，非溃疡性IC患者膀胱组织中Upk3表达明显升高。Cho等[35]的研究显示，在溃疡性IC患者的非溃疡部位中Upk3表达明显升高。非溃疡性IC在膀胱镜检查中缺乏表达，Upk3的表达水平可能在溃疡性IC和非溃疡性IC的鉴别具有重要的临床意义。Upk3增加CD4+T细胞对尿路上皮细胞的自身免疫反应，引起膀胱的炎症浸润、超敏反应和相关症状。已有实验通过注射UPK3A 65-84肽诱导IC的表型特征，建立实验性自身免疫性膀胱炎的动物模型[36]。

出血性膀胱炎往往因肿瘤接受化疗或放疗引起，环磷酰胺(cyclophosphamide, CYP)是引起出血性膀胱炎最常见的化疗药物。腹腔注射CYP后，大鼠的尿液中Upk2浓度明显增加，并出现严重血尿。出现明显血尿的大鼠Upk2浓度高于无明显血尿的大鼠，提示Upk2的浓度水平可能与血尿的严重程度有关[37]。使用肾上腺素进行膀胱内灌注后Upk2的表达水平上升，膀胱黏膜水肿和出血等情况得到缓解。腹腔注射CYP后小鼠膀胱组织中的Upk3A表达水平明显下降，S-烯丙基半胱氨酸(SAC)是一种有效的尿路保护剂，使用SAC治疗后上调了Upk3A的表达水平。

5 展望

随着近年对Upk结构和功能的研究逐渐深入，Upk在泌尿外科疾病中的作用有了更清楚的认识。Upk是尿路屏障的主要构成蛋白，在病理条件下受表观遗传变化的调控。Upk的表达变化与膀胱癌的转移、分期和预后有密切联系。Upk可能改变细菌入侵和炎症浸润，从而影响膀胱炎的发生、发展。目前，越来越多的研究证实Upk在其他组织和疾病中的表达，Upk与多种肿瘤的发展有密切关系。目前，Upk的研究不再限于尿路上皮炎症和肿瘤，但国内相关报道较少，Upk在不同系统疾病中的病理改变和分子机制仍值得进一步探讨。