王長(zhǎng)志,景文莉

(1.河北聯(lián)合大學(xué)中醫(yī)學(xué)院，河北唐山 063000;2.承德醫(yī)學(xué)院)

水通道蛋白-2的研究進(jìn)展

王長(zhǎng)志1,景文莉2Δ

(1.河北聯(lián)合大學(xué)中醫(yī)學(xué)院，河北唐山 063000;2.承德醫(yī)學(xué)院)

水通道蛋白-2;結(jié)構(gòu);功能;表達(dá);疾病

水是生命所必需成分，細(xì)胞內(nèi)外水平衡的穩(wěn)定是維持生命的關(guān)鍵因素。水的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)維持細(xì)胞正常代謝具有重要的作用及意義。水通道蛋白(AQP)是一組與水通道有關(guān)的細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，屬古老的跨膜通道蛋白家族成員。1991年和1992年，Ager及其同事先后完成了對(duì)AQP-1的分子克隆和功能鑒定，首次揭示了水通道蛋白的存在。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)水通道蛋白共13種。水通道蛋白-2(AQP-2)是由Fushimi在1993年克隆確認(rèn)的水通道蛋白家族中的一種[1]，位于腎臟集合管主細(xì)胞管腔側(cè)和靠近管腔側(cè)的囊泡內(nèi)，是血管加壓素依賴性水通道，是調(diào)節(jié)腎臟集合管對(duì)水通透性的關(guān)鍵蛋白，在調(diào)節(jié)腎臟水平衡中起重要作用，并被認(rèn)為是維持體內(nèi)水平衡的必須物質(zhì)[2]。

1 AQP-2分子結(jié)構(gòu)

AQP-2和其它AQP一樣，均屬于膜整合蛋白(MIP)家族，和AQP-l具有同源性，具有類似的結(jié)構(gòu)。AQP-1作為第一個(gè)確定的水通道蛋白，人們多以它的結(jié)構(gòu)作為水通道蛋白家族的經(jīng)典代表。AQP-1以四聚體的形式存在于質(zhì)膜上，呈沙漏狀，每個(gè)單體都是一個(gè)獨(dú)立的功能單位，其基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)單肽鏈，每個(gè)單體肽由271個(gè)氨基酸組成，以螺旋結(jié)構(gòu)跨膜6次，在質(zhì)膜兩側(cè)形成5個(gè)線形的環(huán)(Loop A、B、C、D、E)，肽鏈N端和C端位于質(zhì)膜內(nèi)側(cè)，在B、E環(huán)上均含有3個(gè)氨基酸(天冬氨酸一脯氨酸一丙氨酸，NPA)的重復(fù)串聯(lián)序列，其周圍氨基酸序列高度保守。

AQP對(duì)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)具有一定的選擇性，最近幾項(xiàng)對(duì)水通道蛋白家族結(jié)構(gòu)的高分辨研究可以解釋其選擇性。通過冷凍電子顯微鏡技術(shù)重建的人類AQP-1膜晶體結(jié)構(gòu)被確定為3．80A，和大腸埃希氏桿菌非常相似(2.20A)，因此，它們被形象的稱為“異卵雙生”。為融合這些特點(diǎn)，人們提出了AQP-1精細(xì)結(jié)構(gòu)。而且，這種結(jié)構(gòu)最近通過x射線分析牛的AQP-l結(jié)構(gòu)得到證實(shí)。

2 AQP-2調(diào)控

研究表明，AQP-2是血管升壓素(AVP)依賴性水通道蛋白[3-4]，在調(diào)節(jié)機(jī)體的水平衡中起著至關(guān)重要的作用。對(duì)AQP-2的調(diào)控主要有兩種方式，一是短時(shí)調(diào)控機(jī)制，二是長(zhǎng)時(shí)調(diào)控機(jī)制[5-7]。

參與短時(shí)調(diào)控的機(jī)制有:(l)囊泡穿梭假說。當(dāng)AVP水平升高后，細(xì)胞質(zhì)的囊泡與管腔面的細(xì)胞膜融合。AQP-2通過出胞運(yùn)動(dòng)移至管腔游離面細(xì)胞膜上，使管腔側(cè)細(xì)胞膜上AQP-2的數(shù)量增加，對(duì)水的通透性升高。而當(dāng)血管加壓素水平降低時(shí)，又重新形成囊泡回到細(xì)胞內(nèi)，管腔側(cè)細(xì)胞膜上AQP-2數(shù)量也相應(yīng)減少。(2)蛋白磷酸化作用。腎臟集合管主細(xì)胞上存在血管加壓素受體V2，與AVP特異性結(jié)合后，激活腺苷酸環(huán)化酶而產(chǎn)生cAMP，后者作為第二信使激活蛋白激酶A，再激活A(yù)QP-2，因而導(dǎo)致水通透性升高。(3)兩者的協(xié)同作用。

在長(zhǎng)時(shí)調(diào)控機(jī)制中，如慢性AVP的作用、長(zhǎng)期限水等，均可使管腔側(cè)膜上和囊泡上AQP-2mRNA和蛋白的含量增加，導(dǎo)致水通透性增加[8-10]。其調(diào)控機(jī)制為:腎臟集合管主細(xì)胞上存在著血管加壓素受體V2，這是一種G蛋白結(jié)合受體[11]。血中的AVP濃度升高后，與其在集合管主細(xì)胞上的V2受體結(jié)合，使V2受體活化，與G蛋白結(jié)合并使之發(fā)生構(gòu)象改變，與G蛋白的a亞基結(jié)合的GDP為GTP取代，隨之a(chǎn)亞基與Br亞基分離，成為活化狀態(tài)的a亞基，結(jié)合并活化腺甘酸環(huán)化酶(AC)，后者使ATP水解生成cAMP，使胞漿中的cAMP含量升高，cAMP使蛋白激酶A(PKA)活化。AQP-2基因系列的5’端啟動(dòng)子有cAMP的反應(yīng)元件。PKA使cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白磷酸化，后者識(shí)別、結(jié)合cAMP的反應(yīng)元件，促進(jìn)AQP-2基因的轉(zhuǎn)錄[12-13]。血漿中的AVP含量升高后，和其受體V2特異結(jié)合，使胞漿中的第二信使cAMP含量增高，可促進(jìn)腎臟集合管上皮AQP-2的表達(dá)。

3 AQP-2與疾病

3.1 充血性心力衰竭 充血性心力衰竭(CHF)是各種心臟疾病導(dǎo)致心功能不全的一種綜合征，是大多數(shù)心血管疾病的最終歸宿，也是最主要死因。水潴留是充血性心力衰竭最重要的病理生理改變之一，也是心源性水腫的最重要的發(fā)病機(jī)制，同時(shí)還是充血性心力衰竭出現(xiàn)癥狀的重要原因，并可導(dǎo)致心臟功能的進(jìn)一步損傷。

在充血性心衰水潴留機(jī)制的研究中，人們發(fā)現(xiàn)腎臟是水潴留的中心環(huán)節(jié)[14-16]，而受血管加壓素(AVP)調(diào)節(jié)的AQP-2更是其關(guān)鍵蛋白。許頂立和Nielsen的研究相繼發(fā)現(xiàn)，充血性心力衰竭大鼠模型腎臟的AQP-2基因表達(dá)和蛋白質(zhì)表達(dá)均上調(diào)，而此狀態(tài)下大鼠血漿中的AVP水平正常或稍有升高，但相對(duì)于較低的血清鈉水平，這個(gè)“正?！盇VP水平已經(jīng)是較高的，從而提示AQP-2的基因表達(dá)增加在充血性心衰中的發(fā)病機(jī)制中起到重要作用，且受血中的AVP調(diào)節(jié)。而Martin的研究中，給予充血性心力衰竭患者AVP的V2受體拮抗劑(AVP-985)，可檢測(cè)到尿液中的AQP-2排出明顯減少，從而進(jìn)一步證明了AQP-2基因的表達(dá)是由AVP介導(dǎo)的。許頂立還發(fā)現(xiàn)，充血性心力衰竭時(shí)，腎臟中無論是腎髓質(zhì)還是腎皮質(zhì)AQP-2水平同樣升高，提示腎間質(zhì)滲透壓對(duì)充血性心力衰竭時(shí)AQP-2的增加并不起主要調(diào)節(jié)作用。 Niesen等還報(bào)道了充血性心力衰竭伴低鈉血癥時(shí)，除了AQP-2蛋白增加外，腎臟中分布在近曲小管和髓拌降支的AQP-1和分布于腎臟集合管主細(xì)胞基底側(cè)細(xì)胞膜的AQP-3不增加，證明了AQP-2的增加是有選擇性的。臨床試驗(yàn)中，伴低血鈉的充血性心力衰竭患者水潴留及低鈉血癥越重，尿液中AQP-2排出越多。從而共同證實(shí)了AQP-2是充血性心衰患者調(diào)節(jié)水儲(chǔ)留的關(guān)鍵性蛋白，進(jìn)一步闡明了充血性心力衰竭時(shí)水潴留機(jī)制的主要途徑:心輸出量下降—血中AVP增加—腎集合管主細(xì)胞V2受體激活—AQP-2激活/或基因表達(dá)上調(diào)—水重吸收增加—水潴留。3.2 AQP-2與高血壓 高血壓病是我國(guó)常見的心血管疾病之一，并且是冠心病和腦血管病發(fā)生的最危險(xiǎn)因素。由于機(jī)體血壓受到神經(jīng)、體液、血管本身等諸多因素影響，故其發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，現(xiàn)在認(rèn)為該病是多種因素共同作用的結(jié)果。近年來的研究表明，AQP-2調(diào)節(jié)異常與高血壓的發(fā)病機(jī)制及相關(guān)病理生理學(xué)密切相關(guān)。

Lee通過對(duì)DOCA(去氧皮質(zhì)酮醋酸鹽)鹽性高血壓大鼠(DHR)的研究發(fā)現(xiàn)，無論是僅以DOCA處理或合并應(yīng)用DOCA和高鹽處理所致的高血壓大鼠，4周后，其腎臟皮質(zhì)及內(nèi)髓、外髓中的AQP-2的表達(dá)和穿梭顯著增加[17]。在DOCA鹽性高血壓大鼠模型中，鹽和血管加壓素是形成高血壓的的重要因素，鹽在DHR形成中起重要作用，單用DOCA血壓不升高，在加鹽后首先出現(xiàn)細(xì)胞外液和血容量的增加，腎功能和結(jié)構(gòu)的改變，腎小動(dòng)脈的硬化，腎和心臟和動(dòng)脈壁的肥厚，然后才出現(xiàn)血壓的升高。在DOCA和鹽的共同作用下，由下丘腦分泌入血的AVP顯著增加，惡性高血壓尤為明顯，AVP抗血清或其拮抗劑可減低血壓，而有一種大鼠(Bratetboro大鼠)給DOCA鹽后血壓不上升，當(dāng)注射AVP后血壓穩(wěn)定上升，可見其在形成DHR中也起到了重要作用。由于血中AVP濃度的升高，其進(jìn)一步作用于腎臟集合管主細(xì)胞管周側(cè)的V2受體，從而激活主細(xì)胞內(nèi)的腺甘酸環(huán)化酶，cAMP合成增加，激活PKA，通過短期調(diào)節(jié)致AQP-2的表達(dá)和其在集合管主細(xì)胞管腔側(cè)穿梭增加，水通道開放，水重吸收增加，加重鈉水儲(chǔ)留，進(jìn)一步加速高血壓的形成。Roxas的研究中，標(biāo)準(zhǔn)的Sprague-Dawley大鼠和對(duì)鹽敏感的Dahl SS/Jr大鼠予高鹽飲食后，Dhal SS/Jr大鼠的腎臟中的AQP-2的轉(zhuǎn)錄顯著增加，可見AQP-2的調(diào)節(jié)在Dhal SS/Jr大鼠模型中發(fā)生了改變，影響了鹽和水的重吸收，在高血壓的發(fā)病中起到了一定作用[18]。

在雙腎夾閉一側(cè)(2K1C)的高血壓大鼠模型中，大鼠的尿量顯著增加，其機(jī)制可能與鈉和水的調(diào)節(jié)紊亂有關(guān)。Lee的研究證實(shí)，該模型形成6周后，其被夾閉側(cè)的腎臟皮質(zhì)內(nèi)、外髓中的AQP-2表達(dá)顯著減少，腎臟中的cAMP水平亦下降，但其AQP-2本身轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制及生理功能并未改變，在該側(cè)腎臟去除夾閉24小時(shí)后，其AQP-2表達(dá)可恢復(fù)至正常水平，而對(duì)側(cè)未夾閉腎臟AQP-2表達(dá)水平一直正常。原因可能由于夾閉腎動(dòng)脈至腎血流中的AVP下降，減少了cAMP的合成，通過短期調(diào)節(jié)，減少了AQP-2在集合管主細(xì)胞管腔策的穿梭，進(jìn)而水通道關(guān)閉，尿量增加[19]。

4 展望

水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。它表明水分子的轉(zhuǎn)運(yùn)形式不僅可通過脂質(zhì)雙分子層的彌散作用，而且還可以通過細(xì)胞膜蛋白質(zhì)的選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)，使人們對(duì)膜轉(zhuǎn)運(yùn)有了新的認(rèn)識(shí)，這對(duì)水代謝紊亂疾病的認(rèn)識(shí)及治療提供了新的途徑。

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2012-03-14)

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