周園園 李衛(wèi)國

(河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 新鄉(xiāng) 453007)

水通道蛋白(aquaporins, AQPs)是存在于細(xì)胞膜上的一種高效轉(zhuǎn)運(yùn)水分子的特異通道蛋白，廣泛存在于動(dòng)物、植物和微生物中[1]，與水的轉(zhuǎn)運(yùn)和細(xì)胞內(nèi)外水平衡密切相關(guān)，它的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)研究工作完善了水分子跨膜運(yùn)輸方式的認(rèn)識。從AQPs被發(fā)現(xiàn)至今的20多年間，隨著生物學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，對水通道蛋白的研究已較為深入，尤其是多種水通道蛋白相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制的揭示，為新療法的研發(fā)提供了實(shí)驗(yàn)資料和基礎(chǔ)理論。

1 水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)

水通道蛋白是于1988年由美國約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家彼得·阿格雷(Peter Agre)發(fā)現(xiàn)的。同大多科學(xué)研究一樣，水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)歷程艱辛而又漫長。20世紀(jì)20年代以前，人們大都認(rèn)為水分子僅以自由擴(kuò)散方式透過細(xì)胞膜。但后來發(fā)現(xiàn)，腎近端小管等具有強(qiáng)烈吸水功能的組織吸水量大且快捷，提示這類組織不可能只通過簡單的自由擴(kuò)散方式進(jìn)行水分的快速和大量的吸收。1950年，科學(xué)家Solomon通過菲克第一定律測出細(xì)胞膜對水的通透性遠(yuǎn)高于人造脂質(zhì)體[2]，于是提出細(xì)胞膜上可能有調(diào)控水分子和其他小分子溶質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的某類通道。之后的多年間，科學(xué)家們經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)只有水分子能快速大量透過選擇性通道進(jìn)入紅細(xì)胞以及腎臟、膀胱等組織中。盡管科學(xué)家們一直嘗試從紅細(xì)胞等細(xì)胞中找到并分離出水通道蛋白，但都無功而返，研究便陷入瓶頸。

直到1988年Agre和他的同事在進(jìn)行分離提純兔Rh血型抗原蛋白并試圖純化分子量為30 kDa的Rh蛋白質(zhì)時(shí)，非常偶然地從紅細(xì)胞上分離出一種新的28 kDa膜蛋白，原本猜想這是Rh蛋白的水解污染物，但通過測試發(fā)現(xiàn)此物質(zhì)是一種跨膜寡聚蛋白，與Rh抗原無關(guān)，這推翻了他們之前的猜測。Agre及其團(tuán)隊(duì)對這種新型蛋白產(chǎn)生了濃厚興趣，開始深入研究。隨后發(fā)現(xiàn)該蛋白在紅細(xì)胞及腎近端小管上皮細(xì)胞中含量很豐富，每個(gè)細(xì)胞中含有大約20萬個(gè)分子，并和磷脂雙分子層緊密結(jié)合[3]。1991年Agre測定了28 kDa蛋白的分子結(jié)構(gòu)，完成其cDNA的克隆[4]，測序表明它與MIP269(major intrinsic protein)有較高相似性。但當(dāng)時(shí)并不知道該蛋白的功能，只是懷疑其可能為運(yùn)輸水分的通道蛋白，因而命名為通道樣內(nèi)在膜蛋白28(channel-like integral membrane protein of 28 kDa, CHIP28)。

1992年Agre利用對水?dāng)U散作用非常小的爪蟾卵母細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，把CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾卵母細(xì)胞，72 h后CHIP28蛋白大量表達(dá)。然后置于低滲溶液中觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)非洲爪蟾卵母細(xì)胞迅速膨脹并破裂，較之未注射mRNA的卵母細(xì)胞發(fā)生了明顯的變化[5]。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了之前的推測，CHIP28蛋白實(shí)質(zhì)是水通道。這個(gè)結(jié)論一經(jīng)發(fā)表，受到了多方質(zhì)疑，懷疑者認(rèn)為CHIP28只是一種水通道調(diào)節(jié)器，而非水通道蛋白本身。Agre及其團(tuán)隊(duì)為了強(qiáng)有力地回應(yīng)質(zhì)疑，兩年后他們通過脂質(zhì)體實(shí)驗(yàn)測定了CHIP28的活化能、滲透系數(shù)以及對HgCl等抑制劑的敏感性等[6]，終于證實(shí)這種CHIP28蛋白為專一性水通道蛋白，并被重新命名為aquaporin。由于CHIP28是首個(gè)被鑒定的水通道蛋白，因此稱為aquaporin1，簡稱AQP1。目前在哺乳動(dòng)物體內(nèi)已知的AQP家族成員有13種(AQP0～AQP12)，它們在不同的表達(dá)部位展現(xiàn)出特殊的生理作用。

2 水通道蛋白與人類疾病的關(guān)系

2.1 水通道蛋白與多囊腎病 多囊腎病是一種常見的遺傳疾病，以雙腎出現(xiàn)多個(gè)囊腫為特征。腎臟是體內(nèi)AQPs含量最高的組織，AQPs通過調(diào)節(jié)細(xì)胞體積和內(nèi)部滲透壓，在多囊腎病的形成過程中產(chǎn)生重要影響。早期Bachinsky[7]的研究顯示，AQP2在多囊腎病不同階段的表達(dá)各不相同，且AQP2的表達(dá)影響囊泡增大。闞秀芳等[8]的研究表明，幼年腎囊腫(juvenile cystic kidneys, JCK)多囊腎小鼠腎囊泡上皮細(xì)胞表達(dá)AQP2、AQP3和AQP4，腎囊泡上皮細(xì)胞AQPs的表達(dá)受到抑制，可減緩腎囊泡液體分泌和增生。AQPs作為治療多囊腎病的新靶點(diǎn)，前景十分廣闊。

2.2 水通道蛋白與胃腸道疾病 很多胃腸道疾病發(fā)生的本質(zhì)是胃腸道水代謝平衡紊亂，出現(xiàn)嚴(yán)重腹瀉時(shí)，AQPs通過表達(dá)量增加或減少來調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外水分的吸收，并且參與消化道液體的分泌。Diana等[9]發(fā)現(xiàn)感染了檸檬酸桿菌的小鼠，其腸道中AQP4和AQP8的表達(dá)上調(diào)，水和電解質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能紊亂，最終造成腸道炎癥和腹瀉。Guttman等[10]也發(fā)現(xiàn)改變AQPs在小鼠腸道的分布是導(dǎo)致細(xì)菌感染性腹瀉的一個(gè)因素，這些結(jié)果表明AQPs的表達(dá)異?？梢鸶篂a。

2.3 水通道蛋白與肺部疾病 肺是水液交換的又一重要臟器，AQPs含量豐富。Krane等[11]研究了在過敏原和白細(xì)胞介素-13(interleukin-13, IL-13)誘導(dǎo)哮喘小鼠模型中AQP mRNA和蛋白的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)在過敏原模型中AQP1、AQP4、AQP5 mRNA表達(dá)下調(diào)，而在IL-13模型中AQP3表達(dá)上調(diào)，說明AQP與這兩種類型哮喘的基因表達(dá)有關(guān)；Dong等[12]也發(fā)現(xiàn)抗哮喘藥物可通過上調(diào)AQP1和AQP5表達(dá)進(jìn)而減輕哮喘肺水腫。因此，通過探討AQP在肺中的生理病理機(jī)制，可尋找治療肺病的新方法。

2.4 水通道蛋白與腦水腫 研究表明，AQP4是主要在腦組織中表達(dá)的水通道蛋白，在一系列腦水腫的病理過程中都有它的身影。Manley等[13]最早發(fā)現(xiàn)了AQP4和腦水腫有關(guān)：缺失AQP4的小鼠與普通小鼠相比，毒性腦水腫病死率低，且康復(fù)可能性更大。Papadopoulos等[14]的研究表明，缺乏AQP4的小鼠患肺炎球菌腦膜炎后，顱內(nèi)壓和腦組織含水量較野生型小鼠明顯增加，而腦組織清除水的速度變慢?？梢?，AQP4對抑制各種原因引發(fā)的腦水腫起重要作用。