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1、1水通道蛋白与肺水肿【摘要 】 认识肺水通道蛋白（AQPs）的作用对临床治疗肺水肿有重要意义，AQPs 功能均不受温度和脂质膜成分影响，而且不存在开放和关闭的功能状态，只要有渗透压梯度就有水分子顺渗透压梯度通过水孔通道。目前发现有 6 种 AQPs 在肺脏表达。实验证实，急性肺损伤时，都存在肺泡上皮细胞和毛细血管内皮细胞 AQPs 表达量减少和活性降低；通过提高 AQPs 含量或者活性，增强肺水肿患者肺水清除率，可能是治疗肺水肿的有效途径。 【关键词】 水通道蛋白；肺水肿多种致伤因素可以导致肺部损伤，肺脏的液体平衡遭到破坏，肺水屏障受损，通透性增高，严重时可产生肺水肿。1988 年 Agre
2、发现了整合膜蛋白 28(CHIP28)，后来被命名为水通道蛋白1(Aquaporinl，AQP1) ，此后有关水通道蛋白的研究大规模展开，近年逐渐发现了 11 种水通道蛋白。水通道蛋白是一组与水通透性有关的细胞膜转运蛋白，它的发现在分子水平揭示了水跨膜转运调节的基本机制。肺水肿以肺泡和肺间质内液体积聚为特点，发生时必然伴有水转运紊乱，水通道蛋白(Aquaporins，AQPs)功能改变，2因此充分认识肺脏水通道蛋白的作用对临床治疗肺水肿具有重要意义。1 AQPs 的分子结构和特性AQPs 是膜主体内在蛋白(major infrinsic protein，MIP) 家族成员，目前在哺乳动物中已发
3、现 11 种 AQPs 亚型12，即AQP0AQP1035。AQPs 属于糖蛋白，相对分子质量约为 30 000，由 250300 个氨基酸组成。不同种属的 AQPs 之间的基因序列具有一定的同源性，其主要差异位于 N 端和 C 端，N 端由一个大的外显子(外显子 1)编码，C 端由 3 个小的外显子(外显子 24)编码。AQPs 一级结构为由 5 个环连接的 6 个跨膜区段构成，其氨基和羧基末端均位于细胞内，含 2 个胞内环(B ，D)和 3 个胞外环(A，C，E) ，B，E 环为疏水性环，B 环位于细胞内侧，E 环位于细胞外侧，A，C，D 环为亲水性并均位于细胞膜脂质双分子层中。AQPs
4、家族成员的 B 环和 E 环上均具有天冬氨酸 哺氨酸 丙氨酸(NPA)结构，是 AQPs 家族共有的特征性结构，对水的通透性具有决定性作用。AQPs 分子在膜上呈 180对称镜像结构，由约 40%螺旋和42%片层及转角构成。同源四聚体构成了 AQPs 的三级结构，其四聚体都有向外伸长围绕中心凹穴排列的结构区，为水通道位置，每个单体独立行使水通道活性，四聚体结构的跨膜凸起使 AQPs 稳定地整合于双分子层中。 AQPs 的 NPA 前序列中存在 E 环 1893半胱氨酸残基，对外界环境敏感，是汞的特异性结合位点，当汞与该位点结合后可特异地抑制水通道。B 环的 79 位点与 C189 相似，都位于
5、水通道核心部位，且两者位置相对，可能也为汞抑制部位。AQP4，AQP7 不含 189半胱氨酸残基，为汞不敏感性水通道蛋白。因此，可据此将 AQPs 分为汞敏感性和汞不敏感性水通道蛋白。此外，还可根据通道渗透性分为：（1）高度选择性水通道蛋白，不允许各种离子通过，包括AQP0AQP2，AQP4AQP6，AQP8 ；（2 ）相对选择性水通道蛋白，能通透水、甘油和尿素，包括 AQP3 和 AQP7；（3）能通透中性溶质的水通道蛋白，包括 AQP9，AQP10，其中 AQP9 可通透水、甘油、尿素、嘌呤、嘧啶等，AQP10 可允许水和大的中性分子通过，但对甘油和尿素不能通透。AQPs 功能均不受温度和
6、脂质膜成分影响，而且不存在开放和关闭的功能状态，只要有渗透压梯度就有水分子顺渗透压梯度通过水孔通道。2 AQPs 在肺的表达及调控目前发现有 6 种 AQPs 在肺脏表达6，即AQP1，AQP35，AQP8、9 ，其中 AQP1，AQP35 肺内定位研究比较明确。AQP1 主要在气道周围毛细血管、淋巴管及肺泡毛细血管内皮细胞和脏层胸膜间皮细胞上表达；AQP3，4 主要位于气道上皮的基底膜上，AQP3 在小气道的表达从基底膜侧转为顶膜区；4AQP5 定位于肺泡 I 型上皮细胞的肺泡腔面。在上呼吸道AQP1，AQP35 均有分布，而在下呼吸道中主要是AQP1，AQP5 分布。在细胞顶膜区主要是 A
7、QP1 和 AQP5 分布，在基底膜则主要为 AQP1，AQP3 和 AQP4 表达。AQP8 分布在气管、支气管的腺细胞，AQP9 肺脏分布的具体定位不是很明确。AQPs 的调节有短期调节和长期调节之分，短期调节可以表现为胞膜上 AQPs 短时增多或其活性发生改变。体内外研究表明，给予加压素仅数分钟即可诱导肾集合管细胞顶膜区 AQPs 数量增多，而在胞内囊泡中的 AQPs 则减少，同时集合管水通透性增加。这种短期调节主要表现为细胞质内的囊泡与细胞膜融合，囊泡膜上的 AQPs转移到细胞膜上面，导致细胞膜上的 AQPs 的量短时增加。在刺激消失后，又可以通过形成胞浆内囊泡结构而使 AQPs 返回
8、胞浆内， 从而减少细胞膜上 AQPs 的量， 这种短期调节又称为“穿梭机制” 。AQPs 还可以直接被 pH 调节， 当 pH 降到 6.5 时，AQP0 对水的通透性明显提高；AQP3 在 pH55 环境中限制水和甘油的通过，而在中性 pH 中则允许通过。这种调节方式可能与 AQPs 上的组氨酸有关，组氨酸位置不同可以调节 AQPs 对酸碱的敏感性。此外，在研究 AQPs 调节机制时发现，AQP l 的活性可被 PKA 激动剂cAMP 和 Forskolin 显著提高7，磷酸化 AQP1 比非磷酸化 AQP1对水的转运能力更强：AQP4 的水通透性也可以被 PKC 及其活化剂减低8。此过程与
9、 AQPs 磷酸化有关，AQPs 的磷酸化为 cAMP 依赖性。在某些因素作用下，腺苷酸环化酶被激活，胞内 cAMP 增加，5活化 PKA 或 PKC 进而使 AQPs 上的丝氨酸磷酸化，从而增加或降低胞膜水通透性。AQPs 磷酸化可能是又一短时快速调节水通道活性的机制。 长期调节是在核酸转录水平上，为 AQPs 的 mRNA 合成增加，蛋白表达量增加。研究发现，皮质类固醇可在转录水平诱导肺内表达 AQPs，AQP1，AQP3 和 AQP4 mRNA 表达均增加，其中 AQP1 mRNA 表达增加达 6 倍，并在 AQP1 启动子中发现皮质激素反应元件。血管活性肠多肽也可以通过 cAMP 途径
10、诱导AQPs mRNA 表达9。此外，高渗液体也能使体外培养的 MDCK细胞 AQP3 mRNA 转录增加10。定位不是很明确。3 肺水肿时 AQPs 的改变既往实验证实，在多种原因导致的急性肺损伤中，都存在肺泡上皮细胞和毛细血管内皮细胞 AQPs 表达量减少和活性降低。King 等11发现，在高氧肺损伤导致小鼠肺水肿模型中，肺组织内AQP1 表达明显减少。同样，在小鼠肺部病毒感染诱导肺损伤引起肺水肿的模型中也观察到，大鼠肺内 AQPl 和 AQP5 表达量下降，并在炎症开始减轻时有所恢复12。内毒素致急性肺损伤 412 h 后可出现明显的肺水肿，在肺泡内灌注 LPS 412 h AQP1 和
11、AQP5 表达明显减少；伤后 12 h 肺水肿开始减轻，同时发现毛细血管内皮细胞 AQP1 的表达也有部分恢复13。64 AQPs 在肺水肿中的作用实验发现，体外转录合成的 AQP1 cDNA 转染到爪蟾卵母细胞，可使卵母细胞在低渗溶液中迅速膨胀，并于 5 min 内破裂。在嵌入 AQP1 后，脂质体的水转运速度也明显加快。Bai 等14还发现，小鼠敲除 AQP1 基因后，肺泡 毛细血管膜屏障水通透性下降了 10 倍左右。AQP5 基因敲除小鼠水通透性亦降低了 10 倍，同时敲除 AQP1 和 AQP5 基因降低约 2530 倍15，AQP1，AQP4 同时敲除小鼠水通透性降低 1416 倍1
12、4。以上实验均说明 AQPs 选择性通透水分子，介导自由水分子跨膜转运，与肺脏水平衡关系密切。AQPs 表达或功能下降减少了肺水肿时机体清除过多水肿液的能力，从而加重肺泡和间质水肿1213。 AQPs 参与构成肺泡毛细血管膜屏障的水分子通道。AQP1 主要在肺间质内液体的转运上发挥作用，可能与肺循环压力增高所导致的肺间质水肿有关16。在肺泡 毛细血管膜屏障结构完整时，AQP1 可减轻压力性肺水肿的程度。AQP5 与肺泡 I 型上皮细胞跨膜水分子转运关系密切，参与肺泡腔内液体的重吸收。然而 Ma 等15采用 AQPl 和 AQP5 基因敲除小鼠研究的结论却与之相反，他们发现 AQPs 对肺泡 毛
13、细血管膜屏障通透性影响显著，但在肺泡内液体主动重吸收上，肺泡液体清除率没有显著的改变，推测其原因可能为肺泡内液体清除可能为缓慢过程，不能体现水通道的快速转运能力。 绝大多数急性肺损伤患者的肺泡水清除率受到损害，水清除率高的患者预后也好17。7人体实验也证实，肺功能正常的呼吸机通气患者，其肺泡水清除率完整者呼吸肌支持时间缩短，死亡率降低；肺泡水清除率大者死亡率低且呼吸机辅助呼吸时间也短18。因此，通过提高 AQPs 含量或者活性，增强肺水肿患者肺泡水清除率，可能是治疗肺水肿的有效途径。5 前景水通道蛋白的发现使肺水肿的研究跃入了一个全新的阶段，它的发现使我们能够在分子水平认识肺水肿发生、发展的全
14、过程。对肺水肿发生后 AQPs 的变化机制和 AQPs 家族成员在肺脏的分布、表达、调控和代谢机制以及 AQPs 在肺水肿发生、发展中的作用的深入研究，将会对研究肺水肿的发病机制有重要意义，从而为临床对肺水肿的治疗提供新思路、新途径。【参考文献】1 Verkman A S.Physiological impmtancc of aquap water channelsJ.Ann Med,2002,34(3):192-200.2 Hatakeyama S,Yoshida Y,Tani T,et al.Cloning of a new aquaporin(AQP10)abundantly expre
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