毛 劍(綜述)，鄒永杰，巢少輝(審校)

(解放軍第184醫(yī)院神經(jīng)外科，江西 鷹潭 335000)

水通道蛋白(aquaporins，AQPs)是一組與水通透有關(guān)的細胞膜轉(zhuǎn)運蛋白。1988年，Agre研究小組發(fā)現(xiàn)了一種具有選擇性水通透的功能的嵌膜蛋白質(zhì)，命名為AQP1[1]。迄今為止在哺乳動物體內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了13種AQPs，其中有8種AQPs在腦組織中有分布，即AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP7、AQP8、AQP9、AQP11。AQP4是腦內(nèi)表達最多的AQP，在腦水腫形成和消除及其病理生理過程中都發(fā)揮了非常重要的作用，調(diào)節(jié)其在腦內(nèi)的表達對研究腦水腫的治療具有重要意義。

1 AQP4的分子結(jié)構(gòu)和遺傳特性

AQPs家族在人類染色體上均為單一拷貝基因，AQP4基因定位于人的染色體18q11.2與q12.1之間的連接處，由4個外顯子組成，分別編碼127、55、27、92位氨基酸序列，其間有3個內(nèi)含子(長度分別為0.8、0.3和5.2 kb)。較大的第1外顯子編碼N端，較小的第2～4外顯子編碼C端。AQP4的相對分子量大約為30×103，基本結(jié)構(gòu)為一條N端和C端均位于胞內(nèi)的6次跨膜的單肽鏈，6個疏水跨膜區(qū)域由5個長度不同的連接環(huán)相互串聯(lián)，其中A、C、E環(huán)位于細胞外，B、D環(huán)位于細胞內(nèi)。B環(huán)和E環(huán)上的高度保守的天冬酰氨-脯氨酸-丙氨酸基元是家族成員共有的特征性結(jié)構(gòu)和功能區(qū)，天冬酰氨-脯氨酸-丙氨酸基元前后兩部分在序列上相似，呈180°定位的正面對稱結(jié)構(gòu)。B環(huán)和E環(huán)下沉至雙分子層內(nèi)，中心部分折疊形成被6條跨膜的螺旋所包繞狹窄的開放水通道，能使一個水分子單線通過，這種結(jié)構(gòu)稱為沙漏模式[2]。

AQP4有M1、M23、Mz三種有功能的亞型，M23為最短的亞型，含有301個氨基酸，是腦內(nèi)分布最多的亞型，M1亞型相比M23亞型而言在N端增加了22個氨基酸，而最長的亞型Mz則比M1亞型在N端多出41個氨基酸。這三種亞型都對水具有通透性，但對小分子物質(zhì)沒有通透性[3]。研究表明，AQP4能構(gòu)成正交空間排列顆粒(rthogonal arrays of particles，OAPs)蛋白，其亞型的構(gòu)成比決定了OAPs蛋白體積大小[4]。

2 AQP4在腦內(nèi)的分布

AQP4是腦內(nèi)表達最多的AQPs，主要分布于腦實質(zhì)內(nèi)的星形膠質(zhì)細胞、室管膜上皮細胞、毛細血管內(nèi)皮細胞、鄰近軟腦膜的膠質(zhì)細胞及脈絡(luò)叢上皮細胞中，而在神經(jīng)元、小膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞和腦膜成纖維細胞未見表達[5]。AQP4在蛛網(wǎng)膜下腔、血管周圍的星形膠質(zhì)細胞表面以及星形膠質(zhì)細胞終足包繞毛細血管壁所形成的膠質(zhì)界膜上表達最為豐富，稱之為極性分布，這種分布特點提示AQP4在維持大腦水平衡中發(fā)揮了重要作用，它是膠質(zhì)細胞與腦脊液以及血管間的水調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)運的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。同時，AQP4在軟腦膜、腦室系統(tǒng)周圍的室管膜細胞以及脈絡(luò)叢上皮細胞的分布與腦脊液重吸收部位一致，表明腦脊液可能通過這些細胞上的AQP4被重吸收[6]。精氨酸加壓素可以調(diào)節(jié)腎臟水的排泄，而視上核和室旁核等核團的膠質(zhì)表面AQP4呈高表達特征，這個區(qū)域局部滲透壓改變1%即可引起精氨酸加壓素的合成與釋放，推測AQP4可能是滲透壓感受器或受體，通過對微小滲透壓變化產(chǎn)生迅速而敏感的細胞容量改變參與滲透壓的調(diào)節(jié)[7]。

3 AQP4在腦水腫中的作用

腦水腫即水分在腦內(nèi)的過多積聚。1967年,Klatzo[8]將腦水腫分為血管源性腦水腫和細胞毒性腦水腫兩大類。細胞毒性水腫多見于缺血或中毒引起的細胞損害。由于細胞膜的鈉-鉀依賴性ATP酶失活，能量代謝障礙，細胞內(nèi)水、鈉潴留，引起細胞(神經(jīng)細胞、膠質(zhì)細胞、內(nèi)皮細胞)腫脹，細胞外間隙減少，此型水腫可同樣累及灰質(zhì)和白質(zhì)。星形膠質(zhì)細胞是在細胞毒性水腫時發(fā)生腫脹的主要細胞類型，尤其是在毛細血管周圍的星形膠質(zhì)細胞足突上，這個位置也是AQP4在腦內(nèi)表達的主要位點[9]。Manley等[10]發(fā)現(xiàn)，AQP4缺失小鼠在低鈉血癥中的病死率遠低于野生型小鼠，這種保護作用是通過降低血腦屏障的水通透性和減少流入大腦實質(zhì)的水而產(chǎn)生的。AQP4缺失小鼠的這種保護機制在細菌性腦膜炎和早期局灶性腦缺血等引起的細胞毒性腦水腫中同樣存在[11]。血管源性水腫，腦腫瘤和腦膿腫是這一類型水腫的典型代表。由于血腦屏障的破壞，等滲液和血清蛋白適應(yīng)流體靜力壓的改變從血液進入細胞間隙，因此，血管源性水腫是細胞間隙的腫脹。Papadopoulos等[12]提出在血管源性腦水腫時,AQP4表達可以促進腦水腫液體的重吸收。在一些凍傷模型建立血管源性腦水腫研究中發(fā)現(xiàn)，AQP4基因剔除小鼠腦組織含水量和顱內(nèi)壓顯著高于野生型小鼠,說明AQP4在血管源性水腫的清除過程中起著重要作用。

4 AQP4的調(diào)節(jié)

4.1AQP4的磷酸化 AQP4有許多可磷酸化的位點，其中Ser180和Ser111兩個殘基主要參與AQP4的動態(tài)調(diào)節(jié)，Ser180殘基磷酸化能降低AQP4的水通透性。Ser180位于AQP4細胞質(zhì)內(nèi)的D環(huán)上，Zelenina等[13]發(fā)現(xiàn)，Ser180殘基變異的AQP4不會被蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)活化劑所抑制，提示Ser180殘基是PKC對AQP4磷酸化的靶位點，在AQP4表達的豬腎小管上皮細胞株中，佛波酯和多巴胺能引起AQP4水通透性快速下降，而預(yù)先使用PKC抑制劑能抵消這一效果。PKC激動劑的長時間孵育也能導致AQP4的內(nèi)化[14]，但短時程應(yīng)用PKC則沒有觀察到該結(jié)果。PKC長時間的活化，除作用于Ser180位點外，也會影響其他PKC的磷酸化位點[15]。總之，腦內(nèi)PKC的活化可以導致AQP4的單通道的水通透性和細胞內(nèi)化作用降低，從而引起星形膠質(zhì)細胞的水通透性的下降。

Ser111殘基的磷酸化能提高AQP4的水通透性。Gunnarson等[16]發(fā)現(xiàn)，在急性鉛中毒模型中，轉(zhuǎn)染了AQP4 cDNA的星形膠質(zhì)細胞膜的水通透性得到提高，這一結(jié)果可以被鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶Ⅱ抑制劑所逆轉(zhuǎn)，而Ser111殘基變異模型的AQP4水通透性則不受影響，這一現(xiàn)象提示鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶Ⅱ是通過作用于Ser111殘基來增加AQP4的水通透性的。他們發(fā)現(xiàn)一種與AQP4分子96～123位置氨基酸殘基序列一致的肽并不與鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶Ⅱ發(fā)生磷酸化，而是與鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶Ⅱ磷酸化一氧化氮合酶產(chǎn)生的蛋白激酶G進行磷酸化，提示Ser111殘基通過鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶Ⅱ被蛋白激酶G磷酸化。此外，研究證明Ser111殘基還與OAPs的形成有關(guān)[17]。

4.2蛋白質(zhì)之間的相互作用 AQP4在腦內(nèi)的表達與肌營養(yǎng)不良蛋白-糖蛋白復(fù)合體有關(guān)，在α-互養(yǎng)蛋白缺失的小鼠上，星形膠質(zhì)細胞膜上的AQP4存在錯誤定位現(xiàn)象，在小腦和大腦皮質(zhì)緊鄰血管的終足細胞膜上的表達顯著下降，但在鄰近神經(jīng)氈的細胞膜上的表達超過正常水平，在肌營養(yǎng)不良蛋白缺失的小鼠上也觀察到了同樣的現(xiàn)象[18]。α-肌營養(yǎng)不良蛋白聚糖是聚集蛋白的一個結(jié)合蛋白，是一種細胞外基質(zhì)中的類肝素硫酸蛋白聚糖，與血腦屏障的形成和維護有關(guān)[19]。研究表明，聚集蛋白能增加細胞膜上AQP4的密度，并且對星形膠質(zhì)細胞終足細胞膜上OAPs結(jié)構(gòu)的形成有重要作用[20]。

4.3AQP4與精氨酸加壓素 精氨酸加壓素對AQP4的調(diào)節(jié)作用存在一定的爭議。Taya等[21]在顱腦外傷模型中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用精氨酸加壓素V1a受體拮抗劑能降低AQP4的表達，從而減輕腦水腫程度。Okuno等[22]和Liu等[23]研究小組得出了完全不同的結(jié)論，Okuno等[22]發(fā)現(xiàn)應(yīng)用精氨酸加壓素V1a受體拮抗劑能降低缺血/再灌注后AQP4的上調(diào)，而Liu等[23]發(fā)現(xiàn)應(yīng)用精氨酸加壓素V1a受體拮抗劑能增加缺血/再灌注后AQP4的表達。這兩種不同結(jié)論的出現(xiàn)，可能是由于給藥時間的不同所導致的，進一步說明精氨酸加壓素對AQP4的調(diào)節(jié)作用需要進一步的研究證明。

5 展 望

越來越多的研究表明，星形膠質(zhì)細胞的功能不僅有營養(yǎng)和支持作用，還參與了中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)各種穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)、神經(jīng)遞質(zhì)的攝取、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育以及學習、記憶等生理病理過程；另外，星形膠質(zhì)細胞還能夠維護受損組織的完整性，其形態(tài)改變后，能夠通過調(diào)節(jié)細胞外隙的體積變化而影響神經(jīng)元興奮性。AQP4在星形膠質(zhì)細胞中是高表達的，它參與調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)水的跨膜運輸和水的平衡，在腦水腫的發(fā)生、發(fā)展和消退中扮演著重要的角色。盡管其詳盡的作用機制還不清楚，但是隨著分子生物學技術(shù)的發(fā)展，對AQP4與腦水腫的關(guān)系的研究也將日益深入，針對AQP4調(diào)控的藥物或其他手段將為腦水腫的治療提供新的方法。

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