水通道蛋白與泌尿外科疾病

1、水通道蛋白與泌尿外科疾病很早以前，生理學(xué)家就認(rèn)識(shí)到水的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)除了簡(jiǎn)單擴(kuò)散外，還存 在某種特殊的水轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，并提出了水通道概念。1991年Agre等首先克隆了相對(duì)分子質(zhì)量為28 000的水通道蛋白(AQP),稱為AQPi(aquaporin)，并證明 具有將細(xì)胞外的水轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)的功能。隨后發(fā)現(xiàn)了一大家族具有高選擇性水 通道功能的膜蛋白分子，共有6種，統(tǒng)稱為AQP，存在于多種組織細(xì)胞的質(zhì)膜 中。在涉及到水平衡紊亂的疾病中，尤其是在泌尿外科某些疾病，如多囊腎、 腎癌、雙側(cè)輸尿管梗阻后利尿以及結(jié)石形成的研究中有重要意義。一、水通道的分類及在組織中的分布1. AQPi首先被定性為水通道蛋白，稱之為

2、CHIP (channel integratedprotein),用免疫組化、免疫電鏡及分子生物學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)AQP1在機(jī)體許多組織中有表達(dá)，如平滑肌和子宮組織 2，腎臟的近曲小管和髓襻降支細(xì)胞上皮的頂 膜及基側(cè)膜。此外，在涉及水轉(zhuǎn)運(yùn)的其它組織中亦發(fā)現(xiàn)有AQP1顯著表達(dá)，如角膜的內(nèi)皮細(xì)胞、脈絡(luò)膜網(wǎng)、肝膽管上皮細(xì)胞、膽囊頸內(nèi)壁、汗腺上皮、支氣 管和肺泡上皮、唾液腺上皮、結(jié)腸、脾臟和毛細(xì)血管內(nèi)皮：印。在淋巴管和粘膜下毛細(xì)血管的AQP1，能促進(jìn)吸收的水迅速進(jìn)入淋巴管和毛細(xì)血管床，維持機(jī)體 的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。2. AQP2是血管加壓素調(diào)控的水通道蛋白，位于腎集合管的頂質(zhì)膜上，對(duì)尿濃縮起重要作用，在腎外尚未發(fā)現(xiàn)

3、有表達(dá)，它與 AQP1 cDNA有42%的同源 性。該基因突變可產(chǎn)生常染色體隱性遺傳病即腎源性尿崩癥：4：，表現(xiàn)為血清抗利尿激素水平明顯增高，而尿不被濃縮。它與 X連鎖的腎源性尿崩癥不同，該 疾病為抗利尿激素V2受體基因突變所致。刺激 V2受體，腎集合管頂質(zhì)膜 AQP2表達(dá)明顯增高。鋰劑可以抑制它的表達(dá)，因而可以解釋鋰劑的副作用，這 種作用限制了它在治療精神病中的作用。3. AQP3是腎臟集合管和胃腸道表達(dá)的另一型水通道蛋白，主要分布在集合管的上皮細(xì)胞的基側(cè)膜，該部位水的通透性被認(rèn)為是不可調(diào)節(jié)的。AQP3還具有轉(zhuǎn)運(yùn)非離子小分子物質(zhì)如尿素和甘油的特性，因此AQP3是相對(duì)非選擇性的：。 尿素跨內(nèi)髓

4、集合管的轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)尿濃縮起十分重要作用。4. AQP4主要表達(dá)在下丘腦的視上核和視旁核的口渴中樞，在眼、腎、腸和 肺組織中表達(dá)較少。它可能作為滲透壓感受器來調(diào)節(jié)機(jī)體水的平衡，并在中樞 神經(jīng)系統(tǒng)介導(dǎo)水轉(zhuǎn)運(yùn)：6：。5. AQP5在唾液腺和淚腺表達(dá)顯著，參與唾液和淚液分泌，可能是口眼干燥 綜合征的靶抗原。AQP5和AQP1在成人肺中有顯著表達(dá)，可能參與呼吸不顯蒸 發(fā)和溺水的病理生理變化 厘，有迅速清除出新生嬰兒肺內(nèi)液體的作用。6. AQP0最初稱之為主體內(nèi)在蛋白，最近才證實(shí)是一種水通道蛋白，在眼中高度表達(dá)，與晶狀體的透明度有關(guān)。小鼠缺乏它時(shí)患先天性白內(nèi)障：8： 0此外，汞不敏感水通道 （MIWC） 存在

5、于腎髓質(zhì)內(nèi)（可能在髓質(zhì)的血管系統(tǒng)），其生理意義尚不清楚。UT-2（urea transporter）,其基因序列與其他 AQP明 顯不同，因此被稱為 UT-2。二、AQP結(jié)構(gòu)與功能Agre等證實(shí)，AQPi在細(xì)胞膜中以四聚體的形式存在，四聚體復(fù)合物每一 個(gè)亞單位在功能上都作為一個(gè)獨(dú)立的水通道。AQP1 的 cDNA 經(jīng)測(cè)序分析證實(shí)其全長(zhǎng)接近3Kb，807bp的開放讀碼框架編碼相對(duì)分子質(zhì)量 28 500的AQPi蛋白， 緊隨其后的是 2Kb 的 3非翻譯區(qū)序列。 AQP1 的基本結(jié)構(gòu)為一個(gè)單肽鏈，跨越細(xì) 胞膜6次。其氨基和羧基末端定位在細(xì)胞內(nèi)，在細(xì)胞外形成3個(gè)襻（A、B和C），細(xì)胞內(nèi)有2個(gè)襻（B和

6、E），四個(gè)AQPi亞單位中空部分含有四個(gè)獨(dú)立通 道，其大小大致為一個(gè)單水分子 9。 B 和 E 襻明顯疏水，且含有天冬氨酸 -脯氨 酸-丙氨酸（Asn-Pro-Ala, NPA）的重復(fù)串聯(lián)序列，是主體內(nèi)在蛋白（MIP）的特征 序列，AQP均為MIP家族成員。定位在AQPi襻NPA序列前有一半胱胺酸（C- 189），被認(rèn)為是汞的抑制部位。汞離子和有機(jī)汞通過與半胱胺酸殘基結(jié)合，堵 塞或破壞該通道，因而可解釋汞的利尿機(jī)制。AQP2的相關(guān)部位也有半胱胺酸存在，因此也對(duì)汞敏感，而 MIWC 無半胱胺酸存在。三、水通道活性調(diào)節(jié)水通道介導(dǎo)水依滲透梯度方向運(yùn)動(dòng)。已證實(shí) AQP2受生理調(diào)節(jié)，在限水的 正常大鼠，

7、細(xì)胞AQP2蛋白含量增加，mRNA含量亦增加，限水所致 AQP2表達(dá) 是機(jī)體長(zhǎng)期克服缺水生理調(diào)節(jié)機(jī)制之一，稱之為長(zhǎng)時(shí)調(diào)節(jié)。相反，長(zhǎng)期限水 后，腎髓質(zhì)AQPi的mRNA含量無明顯改變。長(zhǎng)期限水機(jī)制為抗利尿激素 （ADH） 與血管加壓素受體結(jié)合，G蛋白介導(dǎo)腺苷酸環(huán)化酶激活產(chǎn)生環(huán)腺苷酸（cAMP）,促 使蛋白酶A活化，引起AQP2水通道外表化至頂質(zhì)膜，因此增加了水的通透性10 。AQP2，亦存在短時(shí)調(diào)節(jié)，當(dāng)給予血管加壓素后，集合管水通透性顯著增 加，在510分鐘內(nèi)，從50卩m/s增加到1 000卩m/s,該反應(yīng)與集合管上皮細(xì)胞頂 質(zhì)膜功能水通道增加有關(guān)，是由血管加壓素引起的胞吐作用，將細(xì)胞內(nèi)囊泡中

8、的水通道蛋白轉(zhuǎn)移到頂質(zhì)膜；撤除血管加壓素后，水通透性降低是由于細(xì)胞膜 水通道結(jié)構(gòu)區(qū)胞飲作用的恢復(fù)，將水通道從頂質(zhì)膜移走。因此，水通透性的迅 速調(diào)節(jié)涉及到細(xì)胞內(nèi)富含水通道的囊泡和頂質(zhì)膜間的再分布，即“穿梭學(xué) 說”。四、水通道與泌尿外科疾病在已發(fā)現(xiàn)的 6種水通道蛋白中，有 4種蛋白在腎臟表達(dá)，介導(dǎo)水的跨膜轉(zhuǎn) 運(yùn)。AQPi在近曲小管和Henle襻的薄降支表達(dá)極高，AQP2、AQP3和AQP4主 要在集合管系統(tǒng)表達(dá)，AQP2是集合管頂質(zhì)膜上主要水通道，而 AQP3和AQP4 位于基側(cè)膜。Henle襻在腎髓質(zhì)通過逆流倍增作用產(chǎn)生高滲透壓，而集合管腔內(nèi) 的尿因抗利尿激素作用和高張髓質(zhì)達(dá)到滲透平衡，兩者共同

9、參與尿濃縮。水通 道在整個(gè)尿濃縮過程中起作用，并為水平衡和水平衡紊亂生理提供分子水平的 解釋。其中研究較深入的兩種水通道蛋白為 AQPi和AQP2：ii：。許多泌尿外科疾病如前列腺增生癥所致尿儲(chǔ)留和神經(jīng)原性膀胱引起的雙側(cè)輸尿管梗阻，在梗阻解除后，其腎臟濃縮尿的功能明顯降低，引發(fā)多尿。這一 新的水通道理論從分子水平解釋了水的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，從而進(jìn)一步了解了梗阻后利 尿機(jī)制。雙側(cè)輸尿管梗阻和梗阻解除后均伴有明顯的AQP2 表達(dá)持續(xù)下調(diào)，同時(shí)形成持續(xù)多尿，因此，尿路梗阻后，尿濃縮功能下降并且恢復(fù)緩慢與AQP2表達(dá)低下有關(guān) 12 。多囊腎是一常染色體顯性遺傳疾病，囊腫起源于腎小管，開始表現(xiàn)為局灶 性擴(kuò)張，而

10、后進(jìn)行性增大，最終與其起源的腎單位分離。囊腫增大與溶質(zhì)和液 體不斷向囊腔內(nèi)分泌有關(guān)。囊腫遍布整個(gè)腎實(shí)質(zhì)，其腔內(nèi)液體增加引起雙側(cè)腎 臟進(jìn)行性增大。研究發(fā)現(xiàn) AQPi在多囊腎和正常腎近曲小管和 Henle襻的薄降支 均有表達(dá)。囊腫的內(nèi)襯細(xì)胞有 71%表達(dá)AQPi，其中44%囊腫的近曲小管標(biāo)志 gp330陽(yáng)性（gp330是一種糖蛋白，為近曲小管特異性標(biāo)志），一些表達(dá)AQPi的囊腫gp330染色陰性，表明其來源于 Henle襻的薄降支；僅有8%的囊腫內(nèi)襯 細(xì)胞表達(dá)AQP2蛋白，而這些囊腫無 AQPi表達(dá)和gp330染色。AQPi在腎小管 和腎囊腫表達(dá)豐富，且和gp330共同染色，并持續(xù)至多囊腎晚期，表

11、明在多囊 腎疾病各個(gè)時(shí)期，AQPi參與并促進(jìn)了來源于近曲小管的腎和薄降支囊腫跨細(xì)胞 和跨上皮水轉(zhuǎn)運(yùn)，即促進(jìn)溶質(zhì)驅(qū)動(dòng)的跨上皮液體向囊腔內(nèi)分泌。一旦囊腫從母 腎單位分離，調(diào)節(jié)或阻斷這一通道可能減慢囊腫增大的速度，進(jìn)而為治療提供 可能的方法 i3。腎細(xì)胞癌可能起源于腎近曲小管。用 Northern印記、RT-PCR和免疫組化 方法檢測(cè)AQPi和AQP2，在12例原發(fā)腎癌標(biāo)本中均有表達(dá)，通過免疫組化方 法檢測(cè)到這兩種水通道分子在腎直小管腫瘤中亦有表達(dá)。在腎細(xì)胞癌中， AQPi 表達(dá)均為陽(yáng)性，而未見 AQP2表達(dá)。AQPi在腎小管中分布的部位支持腎細(xì)胞癌 來源于近曲小管或薄降支。可以肯定 AQPi在腎細(xì)

12、胞癌樣本中表達(dá)的特異性。 已證明近曲小管細(xì)胞和腎細(xì)胞癌細(xì)胞有共同特異抗原和超微結(jié)構(gòu)特征；此外， 將V-Src癌基因與正常人近曲小管培養(yǎng)可導(dǎo)致腎細(xì)胞癌表型的改變。這一發(fā)現(xiàn) 更進(jìn)一步明確了腎細(xì)胞癌來源于近曲小管。腎直小管腫瘤是一種少見的惡性腫 瘤，其形態(tài)學(xué)與腎集合管相似，用免疫組化方法檢測(cè) 4例經(jīng)病理證實(shí)腎直小管 腫瘤，無一例AQPi表達(dá)，而其中2例AQP2表達(dá)陽(yáng)性，證實(shí)了腎直小管腫瘤來 源于集合管。研究?jī)煞N水通道分子表達(dá)情況，對(duì)高級(jí)和未分化腎腫瘤有實(shí)際意 義。腎細(xì)胞癌對(duì)傳統(tǒng)抗癌藥物不敏感，未手術(shù)病人預(yù)后差。腎細(xì)胞癌的AQPi恒定表達(dá)提示人們可研制出一種有效藥物，通過改變 AQPi 功能改變細(xì)胞膜

13、對(duì) 水的通透性，來治療腎細(xì)胞癌 i4?？估蚣に兀ㄑ芗訅核兀┳饔糜诩瞎?，使水的通透性增加，引起腎小 管管腔內(nèi)鈣升高（5mmol/L），超過了尿中鈣沉淀的水平。甲狀旁腺細(xì)胞和腎 Henle氏襻細(xì)胞上的鈣離子受體可以感受到鈣離子濃度的變化，當(dāng)腎小管腔內(nèi)尿 鈣升高時(shí) ,頂質(zhì)膜上鈣受體可特異性降低血管加壓素影響滲透水的通透性。存在 于集合管頂質(zhì)膜的內(nèi)涵體含有血管加壓素調(diào)控的水通道，即AQP2和鈣離子受體。此外，具有AQP2的內(nèi)涵體亦擁有刺激和抑制鳥苷酸結(jié)合蛋白（GTP）的作 用，GTP不但與蛋白激酶C的兩種特異性受體相互作用，也可與鈣離子受體相 互作用。大鼠和人腎的集合管均有鈣離子受體存在，表明集

14、合管是唯一將鈣和 水代謝聯(lián)系起來的信號(hào)傳導(dǎo)部位。如果此信號(hào)傳導(dǎo)通路出現(xiàn)異?？赡軐?dǎo)致腎結(jié)對(duì) AQP 研究的深入為機(jī)體水轉(zhuǎn)運(yùn)的生理現(xiàn)象提供分子解釋，并促進(jìn)對(duì)人類某些疾病發(fā)病機(jī)制的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，為治療提供理論依據(jù)。作者單位：郭宏騫 辛殿旗 薛兆英（ 100034 北京醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院泌尿外 科，泌尿外科研究所）張志文（北京醫(yī)科大學(xué)生理學(xué)系）參考文獻(xiàn)1 Agre P,Preston GM,Smith BL,et al.Aquaprorin CHIP:the archetypal molecular water channel.Am J Physiol,1993,34： 463-476.2 Nielson

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