水通道蛋白(aquaporin，AQPs)是最近幾年研究較多的與水通透性相關(guān)的一類跨膜蛋白。至今在哺乳動(dòng)物體內(nèi)共發(fā)現(xiàn)13種水通道蛋白(AQP0-AQP12)，其中AQP4是腦組織中分布最廣泛的一種水通道蛋白[1]。近年來(lái)研究表明AQP4在各種顱腦疾病(腦血管病、腦外傷、腦腫瘤、炎癥等)所致的腦水腫形成和消散中起著關(guān)鍵作用。正確認(rèn)識(shí)AQP4和腦水腫的關(guān)系可為臨床病人治療腦水腫提供新思路。

1 AQP4的概述及分子結(jié)構(gòu)

Peter Agre于1988年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)AQP，并獲取了2003年諾貝爾獎(jiǎng)[1]。迄今在哺乳動(dòng)物體內(nèi)至少已經(jīng)發(fā)現(xiàn)13種AQPs蛋白亞型，有8種在腦組織中表達(dá)，AQP4最為豐富[2]，與腦水腫的聯(lián)系也最密切。AQP4最早于1994年由Hasegawa等從大鼠肺組織中克隆出來(lái)[3]，其蛋白單體由經(jīng)過(guò)6次跨膜之后的多肽鏈構(gòu)成，共形成3個(gè)胞外環(huán)(A、C、E)和2個(gè)胞內(nèi)環(huán)(B、D)，其游離N端和C端均位于胞內(nèi)[4](見圖1A)。每個(gè)蛋白單體的B環(huán)和E環(huán)上均有一個(gè)高度同源的精氨酸-脯氨酸-丙氨酸序列(Asn-Pro-Ala，NPA序列)，為AQPs家族的特征性結(jié)構(gòu)，決定了水的通透性，研究發(fā)現(xiàn)B環(huán)和E環(huán)的改變可引起對(duì)水通透性的改變[3]。兩個(gè)NPA結(jié)構(gòu)分別從胞膜的相對(duì)面折疊成一個(gè)能夠允許水分子通過(guò)的孔道，直徑約0.38 nm，且單線僅允許一個(gè)水分子通過(guò)，這種結(jié)構(gòu)被稱為水通道蛋白“沙漏模型”三維結(jié)構(gòu)[5](見圖1B)。AQP4的四級(jí)結(jié)構(gòu)是由4個(gè)單體組成的四聚體，且每個(gè)單體都有各自獨(dú)立的水通道[6](見圖1C)。

AQP4根據(jù)翻譯起始位點(diǎn)的不同分為3種功能亞型：M1、M23和Mz。分別含有323、301和364個(gè)氨基酸殘基[7]。其中M23是腦組織中最常見的一種亞型， 且可在胞膜上排列成更高的結(jié)構(gòu)-正交列陣結(jié)構(gòu)(orthogonal arrays of particles，OAPs)[8]，可以增強(qiáng)水分子通透性，促進(jìn)AQP4在星形膠質(zhì)細(xì)胞的極化，輔助AQP4定位于細(xì)胞膜，且該結(jié)構(gòu)為AQP4特有的結(jié)構(gòu)。目前關(guān)于OAPs與四聚體形式在功能上的區(qū)別尚未清楚，但可肯定的是OAPs可增強(qiáng)水分子通透性，加快AQP4通道對(duì)水的轉(zhuǎn)運(yùn)[3]。

圖1 AQP4的結(jié)構(gòu)

2 AQP4的分布及功能

AQP4主要分布于星形膠質(zhì)細(xì)胞、室管膜上皮細(xì)胞、脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞等支持細(xì)胞中，尤其在與蛛網(wǎng)膜、軟腦膜、毛細(xì)血管等相鄰的星形膠質(zhì)細(xì)胞足突上表達(dá)最豐富[9]。此外，Yool[10]研究發(fā)現(xiàn)，AQP4在小膠質(zhì)細(xì)胞上表達(dá)上調(diào)，但在神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細(xì)胞、腦膜成纖維細(xì)胞上均未見其表達(dá)，可以看出AQP4主要表達(dá)在腦實(shí)質(zhì)與腦內(nèi)液體成分相鄰的細(xì)胞膜上。AQP4的這種極性分布提示在腦內(nèi)水平衡中發(fā)揮重要作用，可能是膠質(zhì)細(xì)胞與腦脊液以及血液之間水分子轉(zhuǎn)運(yùn)的重要結(jié)構(gòu)單元[11]。如前所述，AQP4表達(dá)在腦室系統(tǒng)周圍的室管膜細(xì)胞和脈絡(luò)叢細(xì)胞，與腦脊液的分泌和重吸收的位置大致相同，說(shuō)明腦脊液可能通過(guò)AQP4參與自身循環(huán)[12]。AQP4在下丘腦視上核和室旁核高度表達(dá)，該部位的大分泌細(xì)胞對(duì)細(xì)胞內(nèi)容量變化非常敏感，當(dāng)滲透壓變化1%時(shí)可引起抗利尿激素釋放，所以AQP4可能是滲透壓感受器或受體，通過(guò)自身對(duì)微小滲透壓的變化改變細(xì)胞容量，從而參與全身的水平衡[13]。此外，AQP4還表達(dá)在胼胝體、海馬、小腦、腦干等部位，主要調(diào)節(jié)胞外間隙大小和鉀離子濃度[11]。

3 AQP4的調(diào)控機(jī)制

AQP4在大腦中表達(dá)受到嚴(yán)格的調(diào)控，AQP4對(duì)水分子的通透性及在細(xì)胞膜上的數(shù)量是可以調(diào)控的，調(diào)控方式主要有長(zhǎng)期調(diào)節(jié)和短期調(diào)節(jié)，長(zhǎng)期調(diào)節(jié)是通過(guò)缺氧、滲透壓、氨、轉(zhuǎn)錄等長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)節(jié)機(jī)制，短期調(diào)節(jié)是通過(guò)一些受體介導(dǎo)的磷酸化和去磷酸化以及AQP4在胞內(nèi)運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)的[14]。

3.1 短期調(diào)節(jié)

3.1.1 磷酸化調(diào)節(jié) AQP4磷酸化調(diào)節(jié)是發(fā)生在翻譯之后的一種調(diào)節(jié)方式，當(dāng)發(fā)生磷酸化時(shí)，磷酸化蛋白被轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞膜，進(jìn)而進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，最終指導(dǎo)磷酸化蛋白在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生降解的一種方式[15]。研究表明，AQP4有多個(gè)磷酸化位點(diǎn)，其中最主要的為Ser180和Ser111兩個(gè)殘基位點(diǎn)[16]。

Ser180位點(diǎn)位于AQP4分子胞質(zhì)內(nèi)D環(huán)，其磷酸化可降低AQP4對(duì)水分子的通透性，該位點(diǎn)磷酸化是通過(guò)Ca2+濃度-磷脂依賴性蛋白激酶信號(hào)通路(PKC)實(shí)現(xiàn)的。Mccoy等[17]研究表明，PKC主要在轉(zhuǎn)錄水平對(duì)AQP4-mRNA進(jìn)行調(diào)控，當(dāng)AQP4的Ser180殘基發(fā)生變異時(shí)，AQP4卻不會(huì)被PKC磷酸化，此外用PKC活化劑二丁酸佛波醇酯可顯著減少AQP4的數(shù)量，而該作用可被PKC抑制劑RO-31-8220消除，Ser180發(fā)生點(diǎn)突變時(shí)同樣可以阻斷二丁酸佛波醇酯的作用。Zeuthen等[18]用PKC活化劑對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞分別做長(zhǎng)時(shí)間和短時(shí)間孵育，發(fā)現(xiàn)AQP4分子表現(xiàn)出不同的內(nèi)化現(xiàn)象，提示PKC除了作用AQP4的Ser180位點(diǎn)還作用于其他的位點(diǎn)(如Ser267和Thr273)，共同導(dǎo)致AQP4水通透性降低。

Ser111位點(diǎn)位于AQP4分子胞質(zhì)內(nèi)B環(huán)，其磷酸化可增加水分子的通透性，與Ser180不同的是，該磷酸化是通過(guò)cAMP-蛋白激酶信號(hào)通路(PKA)和GAMP-蛋白激酶(PKG)途徑實(shí)現(xiàn)的。Gunnarson等[19]研究表明，鈣調(diào)蛋白并不是直接作用于Ser111位點(diǎn)，而是先作用于一氧化氮合酶產(chǎn)生NO和下游PKG的活化調(diào)節(jié)AQP4磷酸化。在腎臟和爪蟾某些細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)Ser111位點(diǎn)的磷酸化是通過(guò)PKA途徑實(shí)現(xiàn)，并且增強(qiáng)AQP4水透過(guò)率[20]。所以，抑制Ser111位點(diǎn)可降低水通透性進(jìn)而減輕相應(yīng)部位水腫。

3.1.2 胞內(nèi)運(yùn)輸調(diào)節(jié) Carmosino等[21]在研究胃腺癌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，用組胺處理的細(xì)胞其OAPs結(jié)構(gòu)減少，水通透性也降低， 猜測(cè)這可能與AQP4分子內(nèi)吞有關(guān)，去除組胺后，AQP4又重新分布胞膜上，說(shuō)明AQP4可在胞膜和胞內(nèi)之間運(yùn)輸，調(diào)控水分子通透性。

3.2 長(zhǎng)期調(diào)節(jié)

3.2.1 氧化應(yīng)激調(diào)節(jié) 大量研究表明氧化應(yīng)激損傷機(jī)制上調(diào)AQP4表達(dá)[22]，且途徑較復(fù)雜。氧化應(yīng)激能迅速誘導(dǎo)早期基因C-Jun和C-Fos表達(dá)，后形成蛋白激酶-1(AP-1)，AP-1激活MAPKS從而上調(diào)AQP4的表達(dá)；氧化應(yīng)激也可作用于調(diào)控炎癥反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子(NF-κB)調(diào)節(jié)AQP4；Hsu等[23]研究表明通過(guò)P38絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)通路(MAPKS)和胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶信號(hào)(ERK)通路能夠激活半胱氨酸白三烯受體(CysLT2)上調(diào)AQP表達(dá)，所以氧化應(yīng)激可以通過(guò)白三烯誘導(dǎo)AQP表達(dá)；氧化應(yīng)激通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子NF-E2相關(guān)因子(NRF2)激活A(yù)QP4基因啟動(dòng)子中抗氧化反應(yīng)元件(ARE)基因上調(diào)AQP4表達(dá)，Mao等[24]研究發(fā)現(xiàn)蘿卜硫素(NRF2的激活劑)可上調(diào)AQP4表達(dá)。

3.2.2 蛋白相互作用 研究發(fā)現(xiàn)肌營(yíng)養(yǎng)不良蛋白聚糖復(fù)合物(dystrophin-associated complex，DGC)是AQP4呈極性表達(dá)在血管周圍星形膠質(zhì)細(xì)胞足突上的重要蛋白，Dmytrenko等[25]研究α-互養(yǎng)蛋白(α-syntrophin，DGC的一種)時(shí)發(fā)現(xiàn)，α-syntrophin基因缺失的小鼠其極化現(xiàn)象發(fā)生改變；Mahmood等[26]研究低鈉血癥時(shí)發(fā)現(xiàn)與野生型小鼠相比α-syntrophin基因敲除后的小鼠其腦水含量顯著減少，提示AQP4定位和表達(dá)在細(xì)胞結(jié)構(gòu)與某種蛋白關(guān)聯(lián)。

3.2.3 精氨酸加壓素(AVP) AVP主要由下丘腦視上核和室旁核分泌，主要作用為維持體內(nèi)水鹽平衡。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，AVP可以促進(jìn)腦水腫，Taya等[27]發(fā)現(xiàn)，在腦外傷中V1αR拮抗劑可以通過(guò)降低AQP4表達(dá)減輕腦水腫；張波等[28]在研究精氨酸加壓素1α受體(V1αR)與AQP4表達(dá)之間的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，在腦水腫不同時(shí)間段AQP4表達(dá)與V1αR之間呈正相關(guān)，提示V1αR 的調(diào)節(jié)可能導(dǎo)致AQP4表達(dá)升高。此外，重組人促紅細(xì)胞生成素、OAPs等都參與AQP4的表達(dá)調(diào)控，但具體調(diào)節(jié)機(jī)制仍需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

4 AQP4與腦水腫

腦水腫為液體過(guò)度聚集在腦實(shí)質(zhì)內(nèi)(腦組織細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間隙中)，可認(rèn)為當(dāng)腦組織中的含水量超過(guò)其正常含量的80%時(shí)就是腦水腫。神經(jīng)系統(tǒng)各種疾病所致的腦水腫主要為細(xì)胞毒性和血管源性腦水腫。許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)AQP4與腦水腫發(fā)生相關(guān)，在腦水腫形成和消散中起主導(dǎo)作用。

4.1 細(xì)胞毒性腦水腫 細(xì)胞毒性腦水腫多是由于細(xì)胞代謝功能紊亂，導(dǎo)致鈉鉀泵、鈣泵等功能失調(diào)，無(wú)法正常調(diào)節(jié)水和離子，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)水超載的一種病理性水腫，主要發(fā)生于腦缺血、缺氧、中毒等損傷因素，主要特點(diǎn)為星形膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生腫脹而血腦屏障是完整的。Hirt等[29]在研究腦缺血小鼠時(shí)證實(shí)，與野生型小鼠相比，AQP4缺失的小鼠其細(xì)胞壞死程度、炎性反應(yīng)及病灶大小均較輕；Huang等[30]在腦膜炎模型中也發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組腦水含量及AQP4表達(dá)明顯增加?？梢钥闯鯝QP4加重細(xì)胞毒性腦水腫的發(fā)生。

4.2 血管源性腦水腫 血管源性腦水腫是指由于血腦屏障破壞，過(guò)多液體集聚在細(xì)胞外間隙，多見于腦外傷、腦腫瘤、腦凍傷等相關(guān)疾病。與細(xì)胞毒性腦水腫不同的是AQP4有利于血管源性腦水腫消除，尤其在室管膜、膠質(zhì)界膜和血腦屏障等富含AQP4的部位。在血管源性水腫中，水分子進(jìn)入腦組織不需要借助AQP4，相反，水腫的消除卻借助AQP4分子。Papadopoulos等[31]研究發(fā)現(xiàn)敲除AQP4基因后的小鼠腦組織水腫消散速度遠(yuǎn)低于野生型，同時(shí)在黑色素腫瘤引起的水腫中，缺乏AQP4基因小鼠顱內(nèi)壓與腦水含量都較重；在腦凍傷模型中，同樣發(fā)現(xiàn)AQP4可減輕水腫和顱內(nèi)壓[32]；Tourdias等[33]研究血管源性水腫時(shí)發(fā)現(xiàn)，AQP4在腦水腫消退期表達(dá)增加?？梢钥闯鯝QP4減輕血管源性腦水腫，促進(jìn)水腫的吸收，減輕疾病的發(fā)展。

4.3 腦水腫治療新靶點(diǎn) 目前治療腦水腫的藥物僅局限于對(duì)癥治療(激素、甘露醇、高滲液等)，AQP4是近年來(lái)研究比較多的藥物作用靶點(diǎn)。細(xì)胞毒性腦水腫時(shí)AQP4表達(dá)增加并可加重腦水腫而血管源性腦水腫時(shí)水分子可通過(guò)AQP4通道排泄，其抑制劑和激動(dòng)劑可減輕對(duì)應(yīng)的腦水腫。研究發(fā)現(xiàn)亞低溫和去骨瓣治療都能通過(guò)抑制AQP4表達(dá)減輕腦水腫，所以AQP4作為靶點(diǎn)治療腦水腫是可行的。有實(shí)驗(yàn)表明，2-尼克酰胺-1，3，4-噻二唑(TGN-020)、吡羅昔康和乙酰唑胺(AZA)可下調(diào)腦組織中AQP4的表達(dá)和分布，具備作為AQP4抑制劑的可能。Abed等[34]在腦缺血模型中發(fā)現(xiàn)，與模型組相比，TGN-020干預(yù)組腦水腫和梗死程度顯著降低；Viskupicova等[35]發(fā)現(xiàn)，吡羅昔康可通過(guò)減少AQP4表達(dá)減輕腦水腫達(dá)到神經(jīng)保護(hù)作用。目前關(guān)于AQP4抑制劑和激動(dòng)劑的研究甚少，其作用于臨床仍需更多的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

近年來(lái)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)病率越來(lái)越高，其病理改變-腦水腫，是導(dǎo)致病人致殘致死的主要原因。許多實(shí)驗(yàn)已證實(shí)AQP4在腦水腫中發(fā)揮重要作用。細(xì)胞毒性腦水腫中，AQP4促進(jìn)腦水腫發(fā)展，加重疾病，而血管源性腦水腫中，AQP4促進(jìn)腦水腫消散，降低病人顱內(nèi)高壓，延緩病情發(fā)展，所以探索AQP4抑制劑或激動(dòng)劑以及使用的時(shí)機(jī)對(duì)治療腦水腫至關(guān)重要，并能挽救病人生命，但目前對(duì)于AQP4的各種研究?jī)H局限于一些基礎(chǔ)性研究，與臨床相差甚遠(yuǎn)，所以其臨床應(yīng)用價(jià)值仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探索。