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，生理學家就認識到水的跨膜轉(zhuǎn)運除了簡單擴散外，還存在某種特殊的水轉(zhuǎn)運機制，并提出了水通道概念。1991年Agre等1首先克隆了相對分子質(zhì)量為28 000的水通道蛋白(AQP),稱為AQP1(aquaporin1)，并證明具有將細胞外的水轉(zhuǎn)運至細胞內(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

2、、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首先被定性為水通道蛋白，稱之為CHIP（channel integrated protein），用免疫組化、免疫電鏡及分子生物學技術發(fā)現(xiàn)AQP1在機體許多組織中有表達，如平滑肌和子宮組織2，腎臟的近曲小管和髓襻降支細胞上皮的頂膜及基側(cè)膜。此外，在涉及水轉(zhuǎn)運的其它組織中亦發(fā)現(xiàn)有AQP1顯著表達，如角膜的內(nèi)皮細胞、脈絡膜網(wǎng)、肝膽管上皮細胞、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、脾臟和毛細血管內(nèi)皮3。在淋巴管和粘膜下毛細血管的AQP1，能促進吸收的水迅速進入淋巴管和毛細血管床，維持機體

3、的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。2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，對尿濃縮起重要作用，在腎外尚未發(fā)現(xiàn)有表達，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表達明顯增高。鋰劑可以抑制它的表達，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是腎臟集合管和胃腸道表達的另一型水通道蛋白，主要分布在集合管的上皮細胞的基側(cè)膜，該部位水的通透性被認為是不可調(diào)節(jié)的。AQP3還具有轉(zhuǎn)運非離子

4、小分子物質(zhì)如尿素和甘油的特性,因此AQP3是相對非選擇性的6。尿素跨內(nèi)髓集合管的轉(zhuǎn)運對尿濃縮起十分重要作用。4主要表達在下丘腦的視上核和視旁核的口渴中樞，在眼、腎、腸和肺組織中表達較少。它可能作為滲透壓感受器來調(diào)節(jié)機體水的平衡，并在中樞神經(jīng)系統(tǒng)介導水轉(zhuǎn)運6。5在唾液腺和淚腺表達顯著，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，可能參與呼吸不顯蒸發(fā)和溺水的病理生理變化7，有迅速清除出新生嬰兒肺內(nèi)液體的作用。0最初稱之為主體內(nèi)在蛋白，最近才證實是一種水通道蛋白，在眼中高度表達，與晶狀體的透明度有關。小鼠缺乏它時患先天性白內(nèi)障8。此外，汞不敏感水通道(M

5、IWC)存在于腎髓質(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，AQP1在細胞膜中以四聚體的形式存在，四聚體復合物每一個亞單位在功能上都作為一個獨立的水通道。AQP1的cDNA經(jīng)測序分析證實其全長接近3Kb，807bp的開放讀碼框架編碼相對分子質(zhì)量28 500的AQP1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)為一個單肽鏈，跨越細胞膜6次。其氨基和羧基末端定位在細胞內(nèi)，在細胞外形成3個襻(A、B和C)，細胞內(nèi)有2個襻（B和E），四

6、個AQP1亞單位中空部分含有四個獨立通道，其大小大致為一個單水分子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AQP1襻NPA序列前有一半胱胺酸（C-189），被認為是汞的抑制部位。汞離子和有機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制。AQP2的相關部位也有半胱胺酸存在，因此也對汞敏感，而MIWC無半胱胺酸存在。三、水通道活性調(diào)節(jié)水通道介導水依滲透梯度方向運動。已證實AQP2受生理調(diào)節(jié)，在限水的正常大鼠，細胞AQP2蛋白含量增加，mRNA含量

7、亦增加，限水所致AQP2表達是機體長期克服缺水生理調(diào)節(jié)機制之一，稱之為長時調(diào)節(jié)。相反，長期限水后，腎髓質(zhì)AQP1的mRNA含量無明顯改變。長期限水機制為抗利尿激素(ADH)與血管加壓素受體結(jié)合，G蛋白介導腺苷酸環(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，亦存在短時調(diào)節(jié)，當給予血管加壓素后，集合管水通透性顯著增加，在510分鐘內(nèi),從50m/s增加到1 000m/s,該反應與集合管上皮細胞頂質(zhì)膜功能水通道增加有關，是由血管加壓素引起的胞吐作用，將細胞內(nèi)囊泡中的水通道蛋白轉(zhuǎn)移到頂質(zhì)膜；撤除血管加壓素后，水通透性降低是由于

8、細胞膜水通道結(jié)構(gòu)區(qū)胞飲作用的恢復，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，介導水的跨膜轉(zhuǎn)運。AQP1在近曲小管和Henle襻的薄降支表達極高，AQP2、AQP3和AQP4主要在集合管系統(tǒng)表達，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)達到滲透平衡，兩者共同參與尿濃縮。水通道在整個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

9、的解釋。其中研究較深入的兩種水通道蛋白為AQP1和AQP211。許多泌尿外科疾病如前列腺增生癥所致尿儲留和神經(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，從而進一步了解了梗阻后利尿機制。雙側(cè)輸尿管梗阻和梗阻解除后均伴有明顯的AQP2表達持續(xù)下調(diào)，同時形成持續(xù)多尿，因此，尿路梗阻后，尿濃縮功能下降并且恢復緩慢與AQP2表達低下有關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)為局灶性擴張，而后進行性增大，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。囊腫遍布整個腎實質(zhì)，其

10、腔內(nèi)液體增加引起雙側(cè)腎臟進行性增大。研究發(fā)現(xiàn)AQP1在多囊腎和正常腎近曲小管和Henle襻的薄降支均有表達。囊腫的內(nèi)襯細胞有71%表達AQP1，其中44%囊腫的近曲小管標志gp330陽性（gp330是一種糖蛋白，為近曲小管特異性標志），一些表達AQP1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)襯細胞表達AQP2蛋白，而這些囊腫無AQP1表達和gp330染色。AQP1在腎小管和腎囊腫表達豐富 ，且和gp330共同染色，并持續(xù)至多囊腎晚期，表明在多囊腎疾病各個時期，AQP1參與并促進了來源于近曲小管的腎和薄降支囊腫跨細胞和跨上皮水轉(zhuǎn)運，即促進溶質(zhì)驅(qū)動的跨上皮液體

11、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，進而為治療提供可能的方法13。腎細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AQP1和AQP2，在12例原發(fā)腎癌標本中均有表達，通過免疫組化方法檢測到這兩種水通道分子在腎直小管腫瘤中亦有表達。在腎細胞癌中，AQP1表達均為陽性，而未見AQP2表達。AQP1在腎小管中分布的部位支持腎細胞癌來源于近曲小管或薄降支?？梢钥隙ˋQP1在腎細胞癌樣本中表達的特異性。已證明近曲小管細胞和腎細胞癌細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)可導致腎細胞癌表

12、型的改變。這一發(fā)現(xiàn)更進一步明確了腎細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)學與腎集合管相似，用免疫組化方法檢測4例經(jīng)病理證實腎直小管腫瘤，無一例AQP1表達，而其中2例AQP2表達陽性，證實了腎直小管腫瘤來源于集合管。研究兩種水通道分子表達情況，對高級和未分化腎腫瘤有實際意義。腎細胞癌對傳統(tǒng)抗癌藥物不敏感，未手術病人預后差。腎細胞癌的AQP1恒定表達提示人們可研制出一種有效藥物，通過改變AQP1功能改變細胞膜對水的通透性，來治療腎細胞癌14?？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

13、狀旁腺細胞和腎Henle氏襻細胞上的鈣離子受體可以感受到鈣離子濃度的變化，當腎小管腔內(nèi)尿鈣升高時,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，表明集合管是唯一將鈣和水代謝聯(lián)系起來的信號傳導部位。如果此信號傳導通路出現(xiàn)異?？赡軐е履I結(jié)石形成15。對AQP研究的深入為機體水轉(zhuǎn)運的生理現(xiàn)象提供分子解釋，并促進對人類某些疾病發(fā)病機

14、制的進一步認識，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)科大學生理學系）參考文獻1Agre P,Preston GM,Smith BL,et al.Aquaprorin CHIP:the archetypal molecular water channel.Am J Physiol,1993,34463-476.2Nielson S. Smith Bl, Christen EI, et al.Distribution of the aquaporin CHIP in secretory and respirat

15、ive epithelia and capillary endothelium. Proc Natl Acad Sci USA,1993，907275-7279.3Li Xue-Jun,YU He-Ming,Koide SS.The water channel gene in human uterus.Biochem Mol Biol Int,1994，32271-277.4Deen PM,Verdijk MA,knoers WV,et al.Requirement of human renal water channel aquaporin-2 for vasopressin-depende

16、nt concentration of urine.Science ,1994,26492-95.5Ishibashi K,Sasaki S,Fushimi K,et al.Molecular cloning and expression of a member of the Aquaporin in family with permeability to glycerol and urea in addition to water expressed at the basolaterial membrance of kidney collecting duct cell.Proc Natl

17、Sci USA,1994，916269-6273.6Jung JS,Bhat RV,Preston GM.Molecular characterization of aquaporin cDNA from brain:candidate osmorecepter and regulator of water balance.Proc Natl Acad Sci USA,1994，9113052-13056.7Raina S,Preston GM,Guggino WB,et al.Molecular cloning and characterization of an aquaporin cDN

18、A from salivary,lacrimal,and respiatory tissue.J Biochem,1995，2701908-1912.8Mulders SM,Preston GM,Deen PMT,et al.Water channel properties of major intrinsic protein of lens. J. Biochem, 1995，2709010-9016.9Jung JS,Prestone GM,Smith BL,et al.Molecular structure of the water channel through aquaporin C

19、HIP:The hourglass model.J Biochem,1994，26914648-14654.10Nielsen S, Agre P. The aquaporin family of water channels in kidney. Kidney International, 1995，491057-1068.11Knepper MA, Wade JB, Carolyn JT, et al. Renal aquaporin. Kidney International, 1996，491772-1776.12Jorgen F,Marples D,Knepper MA,et al.Bilateral ureter o