劉 毅(綜述)，史振偉(審校)

(1.河北聯(lián)合大學(xué)研究生學(xué)院，河北 唐山 063000； 2.煤炭總醫(yī)院腎內(nèi)科，北京 100028 )

20世紀(jì)90年代初發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)水通道蛋白——CHIP28(也稱(chēng)aquaporin1)，自此對(duì)這種通道蛋白的分子結(jié)構(gòu)有了明確的認(rèn)識(shí)[1]。水通道蛋白家族的發(fā)現(xiàn)為水跨膜運(yùn)動(dòng)的分子機(jī)制提供了新的見(jiàn)解，迄今為止在哺乳動(dòng)物體內(nèi)已發(fā)現(xiàn)13種：AQP0-12[2]，其中AQP1、AQP5在肺泡毛細(xì)血管間的水轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮著重要的作用，其異常表達(dá)參與了某些疾病所導(dǎo)致的肺水腫的發(fā)病機(jī)制。

1 水通道蛋白的結(jié)構(gòu)及分布

1.1水通道蛋白的結(jié)構(gòu) 目前對(duì)AQP1結(jié)構(gòu)的研究較為明確，AQP1 的大小(28×103)和結(jié)構(gòu)與其他水通道蛋白類(lèi)似。AQP1 的一級(jí)結(jié)構(gòu)含有6個(gè)跨膜區(qū)域，并由5個(gè)環(huán)相連接，水通道蛋白家族共有的特征性結(jié)構(gòu)為天冬酰氨-脯氨酸-丙氨酸序列[3-4]，其與6條跨膜區(qū)域共同構(gòu)成了一個(gè)供水分子通過(guò)的親水通道，通道大約長(zhǎng)20 ?，直徑<3 ?，最窄處僅容水分子單行通過(guò)[5]。水通道蛋白獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定了其對(duì)水的高滲透性。

1.2肺水通道蛋白的分布 有6種水通道蛋白(AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8 以及AQP9)分布于呼吸系統(tǒng)中[6-8]，Kreda等[9]通過(guò)對(duì)水通道蛋白在人呼吸道的定位發(fā)現(xiàn)，AQP1主要分布于支氣管周?chē)艽?、臟層胸膜以及淋巴管；AQP3出現(xiàn)在上皮表層和腺泡的基底細(xì)胞；AQP4位于纖毛管基底側(cè)和腺體細(xì)胞基底側(cè)；AQP5分布于肺泡上皮Ⅰ型細(xì)胞、鼻咽以及呼吸道黏膜下腺及呼吸道上皮細(xì)胞；AQP8分布在氣管、支氣管的腺細(xì)胞；目前，AQP9在呼吸系統(tǒng)的具體定位尚不清楚[10]。由此可見(jiàn)，水通道蛋白在肺組織的分布主要以AQP1、AQP5為主[11-12]。根據(jù)水通道蛋白在肺組織中所處位置，推測(cè)其在肺泡腔、肺組織間隙及毛細(xì)血管腔間的水轉(zhuǎn)運(yùn)中起著極其重要的作用。

2 肺水通道蛋白的功能和調(diào)節(jié)

2.1肺水通道蛋白的功能 已有研究表明，水通道蛋白在肺的生理和病理生理過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[13]。在肺組織，水通道蛋白是肺泡上皮細(xì)胞與毛細(xì)血管間水滲透性跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的主要途徑，如果肺組織缺失AQP1或AQP5，肺泡毛細(xì)血管間水的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)能力會(huì)降低90%[14-16]。AQP1與AQP5均敲除的小鼠肺泡-毛細(xì)血管間水的滲透性與野生型相比，降低96%～97%[17-18]。以上研究說(shuō)明，在肺組織中，AQP1和AQP5 促進(jìn)由滲透壓改變所引起的水的快速轉(zhuǎn)運(yùn)。AQP1 敲除小鼠胸膜腔內(nèi)液體吸收速率是正常小鼠的1/4[19]，表明AQP1在小鼠肺中液體清除方面有重要作用。?；莼莸萚20]研究發(fā)現(xiàn)，正常人胎肺中AQP5的表達(dá)量隨孕周的增加而增加，肺水腫、局部肺不張等發(fā)育異常的胎肺中，AQP5 mRNA的表達(dá)較正常胎肺顯著降低，提示AQP5 可以檢測(cè)胎肺是否發(fā)育成熟。AQP5的表達(dá)隨著胎兒的發(fā)育而逐漸增加，對(duì)肺泡內(nèi)液體的吸收能力也逐漸增強(qiáng)，從而達(dá)到預(yù)防肺水腫發(fā)生的目的。以上研究表明，AQP1、AQP5是肺內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)或協(xié)同水轉(zhuǎn)運(yùn)的主要通道蛋白，其對(duì)肺水平衡調(diào)節(jié)起重要的作用。

2.2水通道蛋白的調(diào)節(jié) 大多數(shù)水通道蛋白在所分布的組織中一直處于激活狀態(tài)，水經(jīng)水通道向高滲方向的轉(zhuǎn)運(yùn)只需存在滲透壓梯度即可，一般不需要門(mén)控或其他調(diào)節(jié)，但在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平可對(duì)水通道蛋白進(jìn)行直接調(diào)節(jié)[21-22]，也可通過(guò)翻譯后的蛋白修飾調(diào)節(jié)水通道蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)活性或通過(guò)改變水通道蛋白的數(shù)量調(diào)節(jié)水的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。

3 肺水通道蛋白的相關(guān)疾病

3.1肺水通道蛋白與肺臟相關(guān)疾病 關(guān)于肺水通道蛋白的異常表達(dá)與肺臟疾病的關(guān)系已有很多研究。水通道蛋白的異常表達(dá)可能參與了各種肺損傷中水的異?？缒まD(zhuǎn)運(yùn)，及其在肺組織中的異常聚集。研究表明，在肺部病毒感染引起肺水腫模型中，AQP1和AQP5的表達(dá)是降低的[23-24]。杜惠妍等[25]在新生鼠肺出血模型中發(fā)現(xiàn)，隨著低溫缺氧時(shí)間的延長(zhǎng)，AQP1和AQP5的表達(dá)也逐漸降低，導(dǎo)致肺泡與毛細(xì)血管間水轉(zhuǎn)運(yùn)能力下降，水和紅細(xì)胞積聚于肺泡腔內(nèi)，出現(xiàn)急性肺損傷和肺出血。另外研究發(fā)現(xiàn)，老年(20～24月齡)小鼠的肺水轉(zhuǎn)運(yùn)速率較青年(2～2.5月齡)小鼠是降低的，因?yàn)槔夏晷∈蠓谓M織內(nèi)AQP1和AQP5的表達(dá)是下降的[26]。上述研究提示，AQP1和AQP5 的表達(dá)或功能下降可能是加重肺泡和間質(zhì)水腫的重要原因。海水淹溺所致的大鼠肺損傷，隨著肺水腫的加重，肺組織中AQP1、AQP5 mRNA及蛋白的表達(dá)數(shù)量顯著上調(diào)[27]。因此，水通道蛋白是否參與了肺水腫的病理過(guò)程仍不明確。

3.2肺水通道蛋白與腎臟相關(guān)疾病 肺水通道蛋白的異常表達(dá)不僅與肺部疾病相關(guān)，還與腎臟疾病相關(guān)。當(dāng)腎損傷發(fā)生后，可能會(huì)影響到肺水通道蛋白的表達(dá)，進(jìn)而引起肺內(nèi)液體轉(zhuǎn)運(yùn)的失衡。臨床上常出現(xiàn)腎衰竭患者并發(fā)肺水腫的病例，尤其首次血液透析患者更易出現(xiàn)急性肺水腫相關(guān)癥狀，即肺型失衡綜合征。急性腎損傷對(duì)肺通氣及肺水平衡有影響，即為腎肺串?dāng)_，認(rèn)為急性腎損傷對(duì)肺內(nèi)穩(wěn)態(tài)、特別是水的平衡有很大的影響[28]。急性腎損傷動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵炎C明，急性腎損傷對(duì)肺組織會(huì)產(chǎn)生有害的病理影響，從而支持存在“腎肺串?dāng)_”，并在這樣的背景下提出了“腎源性肺水腫”的概念[29]。研究表明，在大鼠雙腎切除模型和雙腎缺血/再灌注模型中，肺組織AQP5 mRNA的表達(dá)大幅降低，伴隨AQP5 蛋白的表達(dá)下降[30]。Rabb等[31]觀察到，急性腎損傷后的肺水腫是由肺內(nèi)鹽和水的清除障礙所導(dǎo)致的。急性腎損傷對(duì)肺水腫形成的影響是顯而易見(jiàn)的，并且越來(lái)越多的證據(jù)證明，在危重?fù)p害(如休克、創(chuàng)傷以及膿毒癥)中，腎損傷是引起肺臟、心臟、神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙的始作俑者[32-33]。綜上所述，在急性腎損傷狀態(tài)下，肺組織中AQP5的表達(dá)減少，導(dǎo)致水在肺泡和毛細(xì)血管間轉(zhuǎn)運(yùn)失衡，誘發(fā)肺水腫。

隨著對(duì)水通道研究的不斷深入和拓展，疾病誘發(fā)的肺水腫均可能與水通道蛋白的異常表達(dá)相關(guān)。肺水腫是慢性腎臟疾病和終末期腎病的常見(jiàn)并發(fā)癥，其發(fā)病率可高達(dá)60%以上，是尿毒癥的首位死因[34]。慢性腎臟疾病和終末期腎病相關(guān)的肺水腫是否與肺組織中AQP1和AQP5 的表達(dá)變化有關(guān)，還有待進(jìn)一步研究。

4 小結(jié)與展望

肺水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)，使人們了解了肺內(nèi)水的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，其表達(dá)的降低會(huì)導(dǎo)致肺內(nèi)液體的清除，誘發(fā)或加重肺水腫的發(fā)生，因此肺水通道蛋白的表達(dá)異常與肺部疾病及腎臟疾病誘發(fā)的肺水腫相關(guān)。目前對(duì)肺水通道蛋白的研究?jī)H處于探索性階段，對(duì)其功能的調(diào)節(jié)和具體的分布及作用還有待進(jìn)一步研究。

[1] Walz T,Fujiyoshi Y,Engel A.The AQP structure and functional implications[J].Handb Exp Pharmacol,2009,190:31-56.

[2] Gao X,Wang G,Zhang W,etal.Expression of pulmonary aquaporin 1 is dramatically upregulated in mice with pulmonary fibrosis induced by bleomycin[J].Arch Med Sci,2013,9(15):916-921.

[3] Takata K,Matsuzaki T,Tajika Y.Aquaporins:water channel proteins of the cell membrane[J].Prog Histochem Cytochem,2004,39(1):1-83.

[4] 周家杰.水通道蛋白與不同病理類(lèi)型肺癌關(guān)系的研究進(jìn)展[J].醫(yī)學(xué)綜述,2013,19(15):2755-2756.

[5] Savage DF,O′Connell JD 3rd,Miercke LJ,etal.Structural context shapes the aquaporin selectivity filter[J]. Pro Natl Acad Sci U S A,2010,107(40):17164-17169.

[6] Abreu-Rodríguez I,Martins AP.Functional and transcriptional induction of Aquaporin-1 gene by hypoxia; Analysis of promoter and role of Hif-1α[J].PloS One,2011,6(12):e28385.

[7] Kawedia JD,Yang F,Sartor MA,etal.Hypoxia and hypoxia mimetics decrease Aquaporin 5 (AQP5) expression through both Hypoxia Inducible Factor-1α and proteasome-mediated pathways[J].PLoS one,2013,8(3):e57541.

[8] Machida Y,Ueda Y,Shimasaki M,etal.Relationship of aquaporin 1,3,and 5 expression in lung cancer cells to cellular differentiation,invasive growth,and metastasis potential[J].Hum Pathol,2011,42(5):669-678.

[9] Kreda SM,Gynn MC,Fenstermacher DA,etal.Expression and localization of epithelial aquaporins in the adult human lung[J].Am J Respir Cell Mol Biol,2001,24(3):224-234.

[10] Song Y,Yang B,Matthay MA,etal.Role of aquaporin water channels in pleural fluid dynamics[J].Am J Physiol Cell Physiol,2000,279(6):C1744-C1750.

[11] Hansel NN,Sidhaye V,Rafaels NM,etal.Aquaporin 5 polymorphisms and rate of lung function decline in chronic obstructive pulmonary disease[J].PLoS One,2010,5(12):e14226.

[12] 張照杰,楊長(zhǎng)青.腹內(nèi)高壓對(duì)肝硬化小鼠肺水通道蛋白1及水通道蛋白 5 表達(dá)的影響[J].華西醫(yī)學(xué),2011,26(2):165-169.

[13] Wang F,Huang H,Lu F,etal.Acute lung injury and change in expression of aquaporins 1 and 5 in a rat model of acute pancreatitis[J].Hepatogastroenterology,2010,57(104):1553-1562.

[14] 劉魁,彭文鴻.水通道蛋白-5與肺疾病相關(guān)研究進(jìn)展[J].臨床肺科雜志,2012,17(11):2064-2066.

[15] Verkman AS,Yang B,Song Y,etal.Role of water channels in fluid transport studied by phenotype analysis of aquaporin knockout mice[J].Exp Physiol,2000,85:223s-241s.

[16] Gao J,Zhou L,Ge Y,etal.Effects of different resuscitation fluids on pulmonary expression of Aquaporin1 and Aquaporin5 in a rat model of uncontrolled hemorrhagic shock and infection[J].PLoS One,2013,8(5):e64390.

[17] Bai C,Fukuda N,Song Y,etal.Lung fluid transport in aquaporin-1 and aquaporin-4 knockout mice[J].J Clin Invest,1999,103(4):555-561.

[18] Ma T,Fukuda N,Song Y,etal.Lung fluid transport in Aquaporin-5 knockout mice[J].J Clin Invest,2000,105(1):93-100.

[19] Song Y,Jayaraman S,Yang B,etal.Role of aquaporin water channels in airway fluid transport,humidification,and surface liquid hydration[J].J Gen Physiol,2001,117(6):573-582.

[20] ?；莼?曾萬(wàn)江.水通道蛋白 5 在人胎肺發(fā)育中的表達(dá)及意義[J].中國(guó)優(yōu)生與遺傳雜志,2010,18(4):75-76.

[21] 路煒,漆洪波.水通道蛋白調(diào)節(jié)的研究進(jìn)展[J].國(guó)外醫(yī)學(xué):婦幼保健分冊(cè),2005,16(1):42-44.

[22] Lee DM,King LS,Agre P.The aquaporin family of water channel proteins in clinical medicine[J].Medicine(Baltimore),1997,76(3):141-156.

[23] Towne JE,Harrod KS,Krane CM,etal.Decreased expression of aquaporin (AQP) 1 and AQP5 in mouse lung after acute viral infection[J].Am J Respir Cell Mol Biol,2000,22(1):34-44.

[24] Xie YP,Chen CP,Wang JC,etal.Experimental study on the expression and function of aquaporin-1 and aquaporin-5 in rats with acute lung injury induced by lipopolysaccharide[J].Zhonghua Jie He He Hu Xi Za Zhi,2005,28(6):385-389.

[25] 杜惠妍,崔其亮.水通道蛋白1, 5在肺出血新生大鼠肺組織中的表達(dá)[J].臨床和實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志,2011,10(4):241-243.

[26] Zhang YW,Bi LT,Hou SP,etal.Reduced lung water transport rate associated with downregulation of aquaporin-1 and aquaporin-5 in aged mice[J].Clin Exp Pharmacol,2009,36(7):734-738.

[27] 周長(zhǎng)喜.海水淹溺肺損傷肺水通道蛋白 1, 5的表達(dá)及意義的實(shí)驗(yàn)研究[D].重慶:第三軍醫(yī)大學(xué),2008.

[28] Azarkish F,Nematbakhsh M,Fazilati M,etal.N-acetylcysteine prevents kidney and lung disturbances in renal ischemia/reperfusion injury in rat[J].Int J Prev Med,2013,4(10):1139-1146.

[29] Basu RK,Wheeler D.Effects of ischemic acute kidney injury on lung water balance:nephrogenic pulmonary edema?[J].Pulm Med,2011,2011:414253.

[30] Doi K,Ishizu T,Fujita T,etal. Lung injury following acute kidney injury: kidney-lung crosstalk[J].Clin Exp Nephrol,2011,15(4): 464-470.

[31] Rabb H,Wang Z,Nemoto T,etal.Acute renal failure leads to dysregulation of lung salt and water channels[J].Kidney Int,2003,63(2):600-606.

[32] Ko GJ,Rabb H,Hassoun HT.Kidney-lung crosstalk in the critically ill patient[J].Blood Purif,2009,28(2):75-83.

[33] Grams ME,Rabb H.The distant organ effects of acute kidney injury[J].Kidney Int,2011,81(10):942-948.

[34] Lin H,Wu YG,Zhang JH,etal.High-flux dialysis improves pulmonary ventilation function in uremic patients[J].Mol Med Rep,2013,7(5):1603-1606.