水通道蛋白與腦水腫

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1、水通道蛋白與腦水腫水通道蛋白(aquaporin,AQP)是一種水的分子通道,在動(dòng)物和植物細(xì)胞中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有多種不同的水通道蛋白。由于水通道蛋白的存在,細(xì)胞才可以快速調(diào)節(jié)自身體積和內(nèi)部滲透壓，水通道蛋白對(duì)于生命活動(dòng)至關(guān)重要。本文僅就水通道蛋白與腦水腫關(guān)系的研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。一、AQP的發(fā)現(xiàn)與家族種類(lèi)過(guò)去認(rèn)為,水在細(xì)胞內(nèi)外的轉(zhuǎn)運(yùn)只是通過(guò)脂質(zhì)雙分子層擴(kuò)散來(lái)完成。但在某些生理現(xiàn)象中,如紅細(xì)胞、腎近曲小管上皮細(xì)胞等對(duì)水的轉(zhuǎn)運(yùn)速度非?？?不能用水簡(jiǎn)單擴(kuò)散來(lái)解釋。Agre[1]等(1988)在鑒定人類(lèi)Rh血型抗原時(shí),偶然在紅細(xì)胞膜上發(fā)現(xiàn)一種新的28KD的疏水

2、性跨膜蛋白,稱(chēng)為形成通道的整合膜蛋白28(CHIP),1991年完成其cDNA克隆,但當(dāng)時(shí)并不知道該蛋白的功能。在進(jìn)行功能鑒定時(shí),將體外轉(zhuǎn)錄合成的CHIP28cDNA注入非洲爪蟾的卵母細(xì)胞中,發(fā)現(xiàn)在低滲溶液中,卵母細(xì)胞迅速膨脹,并于5min內(nèi)破裂。為進(jìn)一步確定其功能,又將其構(gòu)建于蛋白磷脂體內(nèi),通過(guò)活化能及滲透系數(shù)的測(cè)定以及后來(lái)的抑制劑敏感性等研究,證實(shí)其為水通道蛋白。從此確定了細(xì)胞膜上存在轉(zhuǎn)運(yùn)水的特異性通道蛋白,并稱(chēng)CHIP28為AQP1。以后又陸續(xù)從哺乳動(dòng)物組織中鑒定出9種水通道蛋白(AQP2～AQP10),它們與先前克隆的晶體纖維中的主要內(nèi)源性

3、蛋白(majorintrinsicprotEin,MIP)有20%～40%的氨基酸序列同源性,目前所發(fā)現(xiàn)的水通道均屬M(fèi)IP家族,后經(jīng)證明MIP亦有弱的水通道活性,被命名為AQP0。這些相繼發(fā)現(xiàn)的專(zhuān)一性運(yùn)輸水的通道蛋白被統(tǒng)稱(chēng)為AQPs。AQP家族，存在于不同的組織器官中,如：AQP2存在于腎髓和腎皮質(zhì)收集管主細(xì)胞,它在調(diào)節(jié)水的排泄中有重要作用,約有10%的腎小球?yàn)V過(guò)液流經(jīng)集合管時(shí)是在AQP2的參與下被重吸收的。AQP5大量存在于唾液腺和淚腺中,與唾液和淚液的產(chǎn)生有關(guān)[2]。AQP0在眼中有較高的表達(dá),被認(rèn)為與晶狀體的透明度有關(guān)[3]。它們對(duì)于維持機(jī)體

4、的水平衡起著重要作用,并且與水平衡紊亂所造成的一些疾病有密切關(guān)系。AQPs除了跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)水外,近來(lái)發(fā)現(xiàn)還能通透其它小分子。Tsukaguchi等[4]據(jù)此將其分為三類(lèi):Ⅰ類(lèi)為選擇性水通道,如AQP1、2、4、5；II類(lèi)對(duì)某些中性溶質(zhì)(尿素、甘油)有一定的選擇通透性,如AQP3、7等；Ⅲ類(lèi)有廣泛的選擇通透性(尿素、多元醇、乳酸鹽、羧基丁酸、嘌呤、嘧啶等),如AQP9。后兩類(lèi)又稱(chēng)水甘油通(aquaglyceroporins)。新克隆出來(lái)的AQP10對(duì)水和中性溶質(zhì)具有滲透性，卻不能滲透甘油和尿素[5]。另一種分類(lèi)方法就是根據(jù)AQPs功能能否被汞抑制而分為汞

5、敏感性蛋白和不敏感性蛋白[6]。AQPs家族的絕大多數(shù)成員都具有汞敏感性,即汞制劑能夠抑制其對(duì)水的通透性；而只有AQP4和AQP7具有汞不敏感性。據(jù)研究AQP4與AQP1的組織構(gòu)成性活性不同的是鄰近NPA基序的半胱氨酸缺失,而汞離子和有機(jī)汞通過(guò)與AQP1殘基C189形成硫醇鍵使其發(fā)生構(gòu)象改變,引起水通透性下降。近來(lái)研究又證實(shí)AQP1的70-73和189殘基定位于水孔或其附近，水孔的寬度也是可變的，而pCMBS(一種汞制劑)能通過(guò)71-73殘基而調(diào)節(jié)水通道的功能。二、AQP4的結(jié)構(gòu)水通道蛋白(aquaporin,AQP)在腦水腫病理生理學(xué)機(jī)制中到了重

6、要的作用。迄今已在腦內(nèi)已發(fā)現(xiàn)6種AQP，別是AQP1，3，4，5，8，9。AQP3、AQP5和AQP8的生理學(xué)功能未見(jiàn)報(bào)道外,AQP1主要在脈絡(luò)叢內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá),參與腦脊液生成[7];AQP9主要存在于室管膜細(xì)胞以及下丘腦內(nèi)側(cè)基底部的室管膜細(xì)胞,可能調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞外間隙與體循環(huán)之間的信號(hào)傳遞[8]。AQP4是腦內(nèi)表達(dá)最多的AQP,因此最可能與腦水腫形成和消除相關(guān)。AQPs所有成員之間的基因序列具有一定的同源性。AQP4的基因定位在人染色體18q11.2與q12.1之間的連接處,由四個(gè)分別編碼127、55、27、92位氨基酸的外顯子組成,并被0.

7、8、0.3和5.2kb的內(nèi)含子分隔開(kāi)。AQP4的一級(jí)結(jié)構(gòu)同其它AQP一樣,為跨細(xì)胞膜6次的單肽鏈,其氨基和羥基末端均位于細(xì)胞內(nèi),含3個(gè)胞外環(huán)(A、C、E)和2個(gè)胞內(nèi)環(huán)(B、D)。AQP4整個(gè)分子前后兩部分在序列上相似,呈180°定位的正面對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),內(nèi)部結(jié)構(gòu)與其它AQP同源性最高的是位于B環(huán)與E環(huán)上的天冬酰氨-脯氨酸-丙氨酸(NPA)基序,NPA基序重疊位于脂質(zhì)雙分子層之間,產(chǎn)生一個(gè)使水分子單線(xiàn)通過(guò)的通道,可使水分子順滲透壓梯度雙向轉(zhuǎn)運(yùn),這是AQP家族成員共有的特征性結(jié)構(gòu)[9]。AQP4的四級(jí)結(jié)構(gòu)是由具有活性、分子量約34kDa亞單位組成的四聚體。四

8、聚體在膜上的組裝是維持AQP的穩(wěn)定和其正常功能所必須的[10]。AQP4有3個(gè)mRNA亞型,由N端外顯子的差異所決定[11