【摘要】 水通道蛋白是水分子通过生物膜脂质双分子层的一种膜蛋白,在动植物尤其在哺乳动物体内被发现并得到鉴定。AP1(auaporin1)是水通道蛋白家族中最早被发现的一个亚型,对水的转运有高度选择性。现已发现,AP1分布在多种器官组织中,特别是那些与液体吸收和分泌有关的上皮细胞及可能协同水跨细胞转运的内皮细胞中,参与水的跨膜转运及水平衡调节。研究AP1对于了解水代谢疾病的发生机制以及指导临床水代谢疾病的治疗具有十分重要的意义。
【关键词】AP1;水转运
水是生命的根本,机体的水平衡对维持动物的正常生命活动起着十分重要作用。早期对水跨生物膜的转运机制的认识仅局限于渗透压引起的单纯扩散。1988年Arge课题[1]在偶尔的情况下发现了一种具有快速转运水的蛋白质分子,后被命名为水通道蛋白1(auaporin,AP1)。在近20年的研究中陆续发现了水通道家族auaporins,APs)中的13种亚型(AP0-AP12)[2]。APS广泛分布于哺乳动物体内,水通道蛋白在维持机体水分子平衡和内环境稳态中发挥重要作用。AP1是在人体分布最广泛的水通道蛋白,也是近年研究比较多的水通道蛋白。
1 AP1的发现
自1966年发现了水分子能以单纯扩散的方式通过生物膜的脂质双分子层,科学家们一直在找寻另一种途径来解释一些超过单纯扩散转运水分子速度的水分子高速转运现象。1988年Petre Agre与其同事[3]在分离红细胞Rh多肽(32kD)时,同时得到了一个分子量为28kD的蛋白,初步命名为CHIP28(channelformingintegralprotein),后继的非洲爪蟾卵母细胞实验研究(1992)揭示了CHIP28的水转运功能,CHIP28被命名为水通道蛋白,后又被命名为AP1。
2 AP1的分子结构
AP1是一种膜蛋白,以四聚体形式存在。AP1的每个单体为跨越脂质双分子层6次的单肽链,其-NH和-COOH末端均位于胞内,A、C、E绊位于胞外侧,B、D绊位于胞内侧,B绊和E绊呈显著疏水性,其余为亲水性。B、E绊各有一段高度保守的NPA(天冬酞胺一脯氨酸一丙氨酸,Asn-Pro-Ala)串联序列。B绊从胞内侧、E绊从胞外侧折返于脂质双分子层中,两部分在NPA处折叠形成狭窄孔道,大小可通过一个单水分子,此即AP1的“沙漏”模型[4]。孔道中有一个带正电的区域,会排斥带正电的离子,AP1是高度选择性的水通道蛋白。AP1的每个单体都是一个独立的水通道,四个单体形成四聚体,中心形成一个中心孔道。有研究认为中心孔道也参与了水的转运[5]。
3 AP1的分布和功能
AP1广泛的分布于哺乳动物体内,在各种与水的吸收、分泌有关的上皮组织普遍分布,在其他组织的分布、功能及临床应用价值的研究也在广泛开展。
3.1 上皮组织 应用免疫组化、免疫电镜等发现AP1表达于淋巴管、毛细血管和小静脉内皮细胞,可能具有促进水快速吸收进入淋巴和血管的功能[6]。在低氧诱导所致的血管新生过程中,AP1的表达明显上调[7]。
AP1在胸、腹膜的丰富表达与胸、腹腔体液转运有密切关系。王洪峰等[8]应用RT-PCR技术证实在体外培养人胸膜间皮细胞上有AP1的表达。对腹膜透析患者腹膜活检组织的研究中发现,AP1在间皮细胞层的表达与内皮细胞(毛细血管、小静脉)的表达有一定相关性,可能在将来作为诊断超滤衰竭的工具[9]。
AP1特异性表达于肾近曲小管和髓袢降支细段的上皮细胞顶膜和侧膜,在逆流倍增系统中发挥作用。AP1在从食管到结肠的整个消化道黏膜下层和固有层的小血管、小肠的中央乳糜管内皮以及涎腺、唇腺腺泡的基膜都有分布[10]。AP1在人类正常下鼻甲组织中主要表达于上皮表面纤毛细胞层和上皮基底细胞层及固有层的浆液性腺细胞[11]。AP1在鼻黏膜浆液腺中的分布有利于浆液的分泌,并经导管转运至上皮表面。此外,AP1还表达于支气管上皮和肺泡Ⅱ型上皮细胞、脑脉络丛上皮细胞顶膜的微绒毛表面、眼前房顶膜和基侧膜(包括睫状上皮、晶状体上皮、角膜内皮)、汗腺、肝胆管上皮、男性生殖道上皮、内耳边缘细胞、脾脏和胰腺等。
3.2 肌肉组织 AP1在肌肉组织分布主要在平滑肌和心肌。Shanahan CM[12]等报道了AP1在动脉平滑肌层的表达。Gannon[13]报道了AP1在输卵管环行肌内细胞的表达,提示水分子可以通过AP1进入输卵管肌细胞,从而调节输乳管蠕动和运输受精卵功能。2003年,两个独立的科研小组[14,15]报道了AP1在鼠子宫肌层的表达。2006年有报道在兔子宫环行肌内部AP1的表达[16]。AP1在心脏的分布除了心脏的血管内皮,还分布于心肌细胞膜上[17]。在心肌缺血的研究中发现在心肌梗死区域由于心肌细胞的破坏和血管分布减少,AP1表达明显下降,而在梗死周边缺血组织的AP1表达呈现先下降后增加的表现,缺血后心肌组织水肿双峰状改变的第二个高峰与AP1表达上调在时间上存在一致性[18],提示AP1参与了心肌梗死病理生理过程,但其确切分子学调节机制还需进一步研究。
3.3 结缔组织 AP1最早是在红细胞膜上被发现。红细胞上大量的AP1能解释红细胞的生理功能:红细胞在低渗溶液中,水分子能快速进入红细胞,致红细胞瞬间膨胀、破裂;红细胞在通过高渗性肾髓质时,体积先变小,通过后则变大,说明AP1在细胞体积的双向渗透调节中均起作用。一些先天性红细胞生成障碍性贫血者的红细胞缺乏AP1,这种红细胞膜水通透性明显下降[19]。
在变应性疾病的研究中,激活的嗜酸粒细胞(eosinophil,EOS)在趋化因子作用下从骨髓迁移到外周血及局部组织,随后发挥作用。细胞迁移时体积、外形迅速变化,需要细胞内外水的快速跨膜转运[20]。雷霏等[21]在变应性哮喘伴鼻息肉患者的研究中发现:外周血中的EOS运动性很强,高表达AP1;而到达局部鼻黏膜或鼻息肉组织的EOS表达AP1减弱,说明该细胞已完成了迁移,运动性减弱。AP1是通过提高细胞膜前缘伪足形成的速率而加快细胞迁移,因此AP1有望成为EOS迁移趋化活性的标志物。AP1在炎症局部EOS抗凋亡之间的关系也十分密切[22]。鼻息肉组织EOS中AP1 mRNA和Bcl-2 mRNA呈阳性正相关,在类似死亡的EOS均表达AP1 mRNA,推测在病理状态下存活的这些EOS如果长期处于抗凋亡状态,细胞膜张力变大、变薄,细胞膜通透性增加,呈不可逆变化,使胞内水分及离子丢失,胞质浓缩,细胞体积缩小,最后引起死亡[23]。以AP1作为靶点,为在EOS相关变应性疾病的治疗方面提供新的思路。
Mobasheri等[24] 在应用免疫组化、免疫印迹、定量流式细胞术等技术,发现马软骨细胞膜上表达AP1,后继的研究发现人软骨细胞膜上存在AP1。有研究发现AP1在风湿性关节炎患者关节软骨细胞表达上调[25],而在骨性关节炎,AP1表达没有明显改变[26]。
椎间盘的特殊血供特点使得椎间盘成为人体内最大的无血供器官。曹国永等[27]通过RT-PCR、免疫组化等实验发现AP1在椎间盘的各个组成部分中皆有表达,推测AP1在椎间盘的渗透性的营养供应和水分快速进出正常椎间盘以维持运动中不断产生的形变中扮演了重要角色[28]。研究表明在椎间盘退变的过程中,AP1的表达进行下降,此现象提示AP1的表达异常可能的椎间盘退变重要原因之一,但也可能是椎间盘退变的结果[29]。
3.4 神经组织 AP1在正常脑组织中主要表达于脑脉络膜上皮,但在星形胶质瘤中有异常的高表达, 表达于肿瘤组织血管内皮细胞膜和肿瘤性星形细胞膜。Dolman等[30]利用大鼠脑微血管内皮细胞体外培养实验提示:在正常脑组织中,星形胶质细胞可能抑制脑毛细血管内皮细胞表达AP1,推测在脑星形胶质瘤组织中,由于缺乏功能正常的星形胶质细胞,从而导致内皮细胞AP1表达增加。研究发现在星形细胞瘤中随着肿瘤恶性程度的增加,AP1表达也明显增加[31]。目前,有关AP1在肿瘤性星形细胞膜上高度表达机智还待深入研究。
Oshio K等[32]发现AP1还集中表达于痛觉信息的处理区三叉神经核尾部的小神经细胞细胞体上。AP1基因敲除小鼠对多种损伤导致的疼痛反应性明显下降,进一步提示认为AP1参与了疼痛信号的传导。另外,在脊髓背角浅层的感觉神经纤维也发现有AP1D 表达;AP1敲除小鼠的脊髓组织切片在此区域发生渗透性水肿的程度明显低于野生型小鼠[33],提示AP1在脊髓损伤后组织水肿的形成起了重要作用。
对AP1在周围神经系统分布的研究比较少,Matsumoto[34]等人在2004年描述了AP1在三叉神经节的分布;AP1分布于背根神经节[35]、肠道神经元[36]、感光细胞[37]等周围神经被陆续发现。在对三叉神经进行免疫组化定位研究中发现有16.1%的神经元为AP1阳性,定量分析发现这些神经元大部分为中等大小神经元[38]。
3.5 肿瘤组织 水通道蛋白在肿瘤的发生发展中所起的作用越来越受到重视。癌细胞在自身快速增殖、分裂和侵袭转移的过程,比正常细胞需要更多更快的水分子跨膜转运,因此,多数肿瘤有很高的组织间隙液体压力和微血管渗透性。APs是水分子快速转运的结构基础,能为水的跨毛细血管内皮运动提供一定程度的渗透压和路径,对肿瘤细胞和组织的生存非常重要。目前大量研究表明许多肿瘤组织、癌细胞系的微血管内皮细胞中AP1高度表达[39]。并且其表达量与肿瘤恶性程度有直接关系,恶性程度越高,AP1表达量越高[40]。因此,可以推测:AP1与肿瘤血管新生、通透性增加有关,可增强肿瘤的侵袭和转移能力。
4 展望
AP1在机体的各个组织广泛表达,提示其在维持体内水平衡过程中起重要作用。有关AP1在组织水肿、腺体分泌、变态反应、细胞迁移、肿瘤增生转移等方面的作用受到越来越多的重视,并有望成为相关疾病临床治疗的新靶点。
参 考 文 献
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