水通道蛋白综述与展望

精品文档 1欢迎下载 水通道蛋白水通道 从原子结构到临床医学 生物膜的透水性在生理学上是一个长期存在的问题 但负责此类蛋 白质的蛋白质仍然未知 直到发现水通道蛋白 1 AQP1 水通道蛋 白 AQP1 由渗透梯度驱动的水选择性渗透 人类 AQP1 的原子结构 最近被定义 四聚体的每个亚基含有允许水分子单文件通过但中断 氢键通过质子所需的单独水孔 已经鉴定了至少 10 种哺乳动物水通 道蛋白 并且它们被水 水通道蛋白 或水加甘油 水甘油聚糖 选择性渗透 表达位点与临床表型密切相关 从先天性白内障到肾 源性尿崩症 在植物 微生物 无脊椎动物和脊椎动物中发现超过 200 个水通道蛋白家族成员 并且它们对这些生物体的生理学的重 要性正在被揭开 在 20 世纪 20 年代发现脂质双层提供了当沐浴在较低或较高 pH 或含 有毒性浓度的 Ca2 或其他溶质的细胞外液中时细胞如何维持其最 佳细胞内环境的解释 从 1950 年代开始发现离子通道 交换剂和 共转运体为溶质的跨膜运动提供了分子解释 然而 长期以来 假 定水的输送是由于通过脂质双层的简单扩散 来自具有高膜渗透性 的多个实验系统的观察 例如两栖膀胱和哺乳动物红细胞 表明通 过脂质双层的扩散不是水跨越膜的唯一途径 虽然提出了各种解释 但直到 10 年前发现 AQP1 才能知道分子水 特异性转运蛋白 精品文档 2欢迎下载 Preston 等 1999 现在人们普遍同意扩散和通道介导的水分运动都存在 通过所有生 物膜以相对较低的速度发生扩散 水通道蛋白水通道发现于上皮细 胞的一部分 10 至 100 倍的水渗透能力 值得注意的是 水通道蛋 白水通道的选择性非常高 甚至质子 H3O 被排斥 在大多数 组织中 扩散是双向的 因为水进入细胞并从细胞释放 而水通道 蛋白介导的体内水流则由渗透或液压梯度引导 扩散的化学抑制剂 是未知的 扩散发生在高 Ea Arrhenius 活化能 相比之下 大 多数哺乳动物水通道蛋白受汞的抑制 Ea 等同于大量溶液中水的扩 散 5 kcal mol 1 水通道蛋白的发现说明了偶发性在生物学研究中的重要性 并且引 起了上游流体运输过程中水如何穿过生物膜的范式的完全转变 这 个话题对正常生理学以及影响人类的多种临床疾病的病理生理学非 常重要 水通道蛋白在几乎每一种生物体中被鉴定出来 包括高等 哺乳动物 其他脊椎动物 无脊椎动物 植物 真细菌 原细菌和 其他微生物 表明这种新认可的蛋白质家族参与了整个自然界的不 同生物过程 一 发现一 发现 AQP1AQP1 红细胞 Rh 血型抗原不知道参与水运 Heitman Agre 2000 但 精品文档 3欢迎下载 是 Rh 的研究导致了水通道蛋白的偶然发现 用于纯化 Rh 多肽的生 物化学技术产生污染的 28kDa 多肽 Agre 等 1987 基于洗涤剂 中的 28kDa 蛋白质的相对不溶性 N 月桂酰肌氨酸 开发了产生大 量蛋白质的简单纯化系统 红细胞和肾近端小管 具有最高已知水 渗透性的组织中 28kDa 蛋白质显示出非常丰富 Denker 等 1988 此外 28kDa 蛋白质表现为四聚体整合膜蛋白 通常是膜 通道蛋白的特征 Smith Agre 1991 使用 28kDa 多肽的 N 末 端序列克隆编码来自红细菌文库的 269 个氨基酸多肽的 cDNA Preston Agre 1991 遗传数据库的分析显示了多种物种 的同源物 包括微生物和植物 但其分子功能是未知的 CHIP28 暂时用于描述这种蛋白质为 28kDa 的通道样整合蛋白 二 二 AQP1AQP1 的结构的结构 AQP1 的结构非常有力 因为它具有独特的渗透特性 推导的序列揭 示了以前未描述的拓扑 两个串联重复每个由具有两个高度保守的 环 B 和 E 的跨膜结构域形成 包含签名基序 天冬酰胺 脯氨 酸 丙氨酸 NPA 奇怪的是 重复序列被预测为相对于彼此以 180 度取向 图 2 顶部 通过在非洲爪蟾卵母细胞中表达 AQP1 的位点定向插入突变体来证实这种独特的对称性 Preston 等人 19994a 在环路 E 中 在接近 NPA 基序的 Cys 189 处证明了汞抑 制的位点 用较大分子量的残基替换 NPA 侧翼残基的突变体没有表 精品文档 4欢迎下载 现出水渗透性 表明环 E 形成水孔的一部分 Preston 等 1993 当环 B Ala 73 中的 NPA 基序之前的相应位置被半胱氨酸取代时 水分渗透性也受到汞的抑制 当 NPA 基序侧翼的残基被更大的残基 取代时 观察到该环 B 也表现为似乎形成水孔的一部分 这些研究 一起导致了 AQP1 亚基各自含有部分由 沙漏 形成的内部水孔 图 2 底部 的建议 其由从相反的双层折叠成双层的环 B 和 E 产生的 结构膜的两侧在双层传单之间的中间接触 Jung et al 1994b 1992 年 瑞士巴塞尔大学 Biozentrum 的 Andreas Engel 和同事们 开始了长期合作 随后与日本京都大学的 Yoshinori Fujiyoshi 及 其同事一起解决了 AQP1 蛋白的结构 使用通过用 N 月桂酰肌氨酸 预萃取膜囊泡的纯化方法 可以将高达 5mg 的 AQP1 纯化成来自一品 脱人血液的同质性 Smith Agre 1991 当通过透析将高浓度的 蛋白质小心地重构成脂质双层体时 形成均匀的晶格 膜晶体 其中蛋白质保留其 100 的水输送活性 Walz 等人 1994b 蛋 白质的四聚体组织在低分辨率下明确确定 并且其通过 3D 电子显微 镜测定其在膜中的组织 Walz 等人 1994a 用高达 60 度的倾斜 研磨的精细膜晶体 由我们在京都的同事开发的技术先进的电子显 微镜 以 3 8 分辨率产生电子密度图 使用由重组体研究建立的约 束 使用 AQP1 的主序列进行建模产生了 AQP1 结构的第一个原子模 型 Murata 等人 2000 另外一种基于电子显微镜的模型以不同 的主链方向以相同的螺旋排列出版 Ren et al 2001 精品文档 5欢迎下载 与其中四个亚基围绕中心孔的离子通道不同 AQP1 作为每个亚单位 的四聚体存在含有自己的孔 在双层传单之间的中间孔的孔径变窄 至约 3 埃 在这一点上 由跨膜结构域 TM1 2 4 和 5 形成的壁是疏 水的 而 NPA 图案中的两个高度保守的 Asn 76 和 Asn 192 被并置 如在沙漏模型中预测的那样 提供极性 用于氢键的残基 图 3 此外 成孔环 B 和 E 的末端部分均含有短的 螺旋 其在膜的中 心产生部分正电荷 这种结构刚好在由残基 Phe 56 His 180 Cys 189 汞抑制位点 和 Arg 195 所包围的 2 8A 的缩合物之下 Arg 195 在精制的 AQP1 结构中是公认的 de Groot 等人 2001 Arg 195 在大水通道蛋 白基因家族的所有成员中几乎完全保守 并且在通道的最窄部分提 供功能上重要的正电荷 His 180 在中性 pH 下不带电 但在较低 的 pH 下变质子化 提供第二个正电荷 Arg 195 His 180 和来自 孔螺旋的正偶极子在水渗透期间提供抵抗质子 水合氢离子 通过 的强排斥电荷 AQP1 的这些结构特征很好地解释了排除较大或带电溶质的最小抗渗 透能力 特别地 阻断质子传递的能力澄清了肾脏如何每天从肾小 球滤液中重吸收数百升的水 同时排泄酸 重要的是 分辨率为 2 2 的大肠杆菌同源物 GlpF 的三维晶体的 X 射线衍射分析 Fu 等人 2000 允许对 AQP1 结构进行改进 de Groot 等人 2001 其实 质上与模型由 2 2 A 分辨率的牛 AQP1 的三维晶体确定 Sui et 精品文档 6欢迎下载 al 2001 实时分子动力学模拟表明 在通过 NPA 图案的并置 Asn 76 和 Asn 192 de Groot Grubmuller 2001 期间 水的旋 转发生 分子动力学研究也由其他研究者进行 Kong Ma 2001 Tajkhorshid et al 2002 结构研究和分子动力学模拟对膜水输 送过程带来了非常高的原子认知水平 生物医学研究领域的调查人 员现在认识到 水通道蛋白提供了水通过生物膜快速和选择性运动 的机制 三 三 AQP1AQP1 的分布的分布 1991 年 11 月 丹麦奥胡斯大学的 Soren Nielsen 及其团队长期合 作 我们的目标是使用光学显微镜和免疫电子显微镜在细胞和亚细 胞水平的肾脏和其他组织中定位 AQP1 和随后的其他水通道蛋白 这些研究为 AQP1 的生理和病理作用提供了明确的证据 并且在其 他部位牢固地预测了同源蛋白的存在 自 20 世纪 30 年代荷马史密斯早期的职业生涯以来 肾脏比其他器 官吸引了运输生理学家的兴趣 使用对 AQP1 蛋白的 C 末端特异性的 亲和纯化抗体和 N 末端的第二抗体 将 AQP1 的位置精确地定位在近 端小管的顶端刷边界和基底外侧膜 图 4 和下降薄来自大鼠肾脏 的 Henle 四肢 Nielsen 等 1993c 和人 Maunsbach 等 1997 此外 蛋白质在下垂血管直肠中被鉴定 Pallone 等人 1997 其定义了将大量水从管腔转移到间质 然后进入血管空间的途径 AQP1 蛋白质清楚显示仅存在于这些部位的质膜中 而不存在于细胞 精品文档 7欢迎下载 内部位 因此 建立了这样的范例 即通过 AQP1 在顶端和基底外侧 血浆膜中将水输送穿过近端小管上皮和下肢细胞 其驱动力由通过 特异性转运蛋白的溶质的矢量运动产生的小立场渗透梯度提供在这 些膜 Nielsen Agre 1995 在其他组织中也证实了 AQP1 蛋白 其中包括脉络丛 脑脊髓液 前房室内的非色素上皮 房水 胆管细胞 胆汁 和毛细血管内 皮等重要分泌作用 包括肺支气管循环 Nielsen 等 1993b 重要的是发现肾脏收集管道完全缺乏 AQP1 可以很好的预测多种水 通道蛋白质的需要 同样 唾液腺上皮缺乏 AQP1 蛋白 预测其他 同源物的存在 四 四 AQP1AQP1 空人空人 鉴定完全缺乏 AQP1 蛋白质的人们证明了这种蛋白质对人体生理学 的重要性 通过荧光原位杂交将 AQP1 基因座定位于人染色体 7p14 Moon 等 1993 Colton Co 血型抗原以前已经连接到 人类 7 号染色体的短臂 Zelinski 等 1990 来自具有确定的 Co 血型的个体的 DNA 的抗 Co 免疫沉淀研究和测序表明 Co 抗原是 连接第一和第二双层跨越结构域的环 A 的胞外位点的 AQP1 的多态性 的结果 Coa 具有 Ala 45 而较不常见的科巴 Val 45 史密斯等 人 1999 据了解 缺乏 Coa 和 Cob 的人非常罕见 因为英国布里斯托尔的国 际血型登记处只列出了 6 名亲属 Co 阴性的先证者是在怀孕期间 精品文档 8欢迎下载 变得敏感的妇女 导致它们具有循环的抗 Co 抗体 这些抗体使得这 些患者不可能接受异源输血 因此每个 Co 无效个体都有在本地血库 冷藏保存的血液单位 我们从三个不同亲属的 Co 无效个体获得血液 尿液和 DNA 发现红细胞和尿沉渣中缺乏 AQP1 蛋白 发现每个亲属 中的先证者对于 AQP1 基因 因此 AQP1 null 的不同破坏 外 显子 1 的缺失 外显子 1 中的位移或第一跨膜结构域末端的不稳定 突变都是纯合的 Preston 等人 1994b 令人惊讶的是 AQP1 无效 个体导致正常生活 完全不知道任何身体上的限制 进行 AQP1 无效个体的仔细临床分析 以鉴定肾脏浓度和毛细血管通 透性的可能的生理异常 在第一项研究中 两名不相关的 AQP1 无 效个体在约翰霍普金斯医院进行了详细分析 在经过认可的方案之 前和之后 在具有确定的终点和安全机制的情况下进行了水剥夺 基线研究是完全正常的 当口渴达 24 小时时 两名受试者均表现 出正常的血清渗透压和正常的血清升压素水平 如预期大约 6 小时 的渴望后升高 主要的惊喜是 即使在 24 小时口渴之后 AQP1 无 效个体也不能将尿浓缩至 450mosmol 以上 此外 即使在输注加压 素或 3 NaCl 后 患者也不能将尿浓缩至 450 mosmol kg 1 以上 以最大限度地刺激尿浓度 King 等 2001 与 AQP1 无效个体相 比 正常人全部通过将尿浓缩至约 1000 mosmol kg 1 来响应过夜口 渴 AQP1 无效对象不是多尿的 它们没有表现出肾小球滤过率 自由水 精品文档 9欢迎下载 清除率或锂清除率 近端小管功能指标 的异常 浓缩缺陷被认为 是由降低的薄肢体上的水输送减少和减少水输送进入和排除直肠的 结合而产生的 因此 AQP1 无效个体部分丧失了通过逆流机制产生 有效浓缩所需的髓质高渗透压的能力 虽然这并不影响正常的日常 生活 但是由于另一种疾病或环境原因 如果它们变得脱水 Co 无 效个体将面临危及生命的临床问题 毛细血管内皮的腔内和外膜中 AQP1 的表达表明 蛋白质可能在空间 和间质之间的水运动中起重要作用 Nielsen 等 1993b c 此 外 AQP1 在毛细血管内皮中的表达似乎在体内受到各种刺激的积极 调节 例如 大鼠肺毛细血管内皮中 AQP1 的表达由皮质类固醇增加 至 10 倍 大鼠肺中的表达也在出生时精确出现 King 等 1996 1997 培养的成纤维细胞中的 AQP1 被泛素 蛋白酶体途径 迅速降解 Leitch 等 2001 认为这些过程很可能发现在人类生 理学中发生 通过第二批准的临床研究方案评估人类 AQP1 无效个体因血管内皮缺 乏 AQP1 蛋白而出现生理异常的可能性 AQP1 无效个体通过高分辨 率计算机断层扫描检查快速输注 3 h 的温热生理盐水之前和之后的 肺 King et al 2002 五个正常人和两个 AQP1 无效个体中的每 一个在流体输注后持续肺血管充血 横截面积增加 20 五个正 常个体中的每一个表现出与早期的静脉周围水肿形成一致的细支气 管壁厚度 壁面积增加高达 40 的显着增加 每个正常人都知道 精品文档 10欢迎下载 在以下时间内消失的中度肺充血 初期肺水肿 令人惊讶的是 两个 AQP1 无效个体都没有发现增加细支气管壁厚度 也没有抱怨任 何肺充血症状 这些发现矛盾地表明缺乏 AQP1 可以防止急性肺水肿 然而 在诸 如充血性心力衰竭的设置中 肺水肿在几小时或几天内出现 由于 AQP1 也是流体再摄入血管床的途径 所以这些研究预测 如果 AQP1 无效个体经历亚急性或慢性流体超载 则会出现严重缺陷 因此 预计 AQP1 无效个体不能通过将流体返回到血管空间而迅速消散水肿 虽然未经证实 在 AQP1 无效对象中 从肺部快速清除水可能无法 完全运行 因此可能会解释为什么 AQP1 无效受试者非常罕见 此 外 AQP1 在早产儿肺中的表达降低可能对新生儿重症监护病房常见 的严重呼吸系统疾病有很大的帮助 1 1 多水通道蛋白 多水通道蛋白 在 AQP1 发现之后 欧洲 日本和美国的研究小组加入了分离编码 水通道蛋白的 cDNA 从而将水分运输已知高度评估 由 Agre 等 1998 高度保守的序列的存在已经使得使用聚合酶链扩增降低严 格性成为可能 从这些研究中 已经鉴定了 10 种哺乳动物水通道蛋 白 图 5 已经出版了第十一同系物 AQP10 的序列 但仍缺乏 蛋白质表达的确认 Hatakeyama 等 2001 已经对人类和实验动 物进行了研究 有目标基因的小鼠 还产生了破坏 由 Agre 1998 年 Verkman 2000 年审查 许多 精品文档 11欢迎下载 研究的结果强调了这些蛋白质对基本生理学以及几种疾病状态的病 理生理学的重要性 此外 遗传学数据库中已经出现了来自不同物 种的 200 多种不同水通道蛋白序列 其中表明水通道蛋白在自然界 中的重要性 2 2 AQP2AQP2 加压素调节肾通道的水通道加压素调节肾通道的水通道 AQP1 的鉴定吸引了肾脏生理学家的直接兴趣 此外 AQP1 在收集 管道主体细胞中的缺乏预示着长期以来已知加压素调节水输送的位 点存在同源蛋白质 使用由 AQP1 的高度保守的 NPA 基序设计的寡 核苷酸引物 从收集管中分离出 cDNA Fushimi 等 1993 现在 称为 AQP2 的这种收集管同源物被证明在非洲爪蟾卵母细胞中表达时 赋予增加的透水性 并被汞的抑制 AQP2 定位在收集管主体细胞 中 长期口渴大鼠的研究表明 AQP2 表达增强 Nielsen 等 1993 AQP2 的功能和分布通过收集管的分析明确定义 Nielsen 等人 1999 在不加血管加压素的情况下 在分离的灌注大鼠收集管中 加入 100pM 血管加压素后 以及在除去药剂后测量水输送 收集导 管固定 AQP2 蛋白通过免疫金电子显微镜定位 图 6 通过这种 方法 显示 AQP2 在很大程度上局限于基础状态的细胞内囊泡 但是 加压素诱导重新分配到顶膜 伴随着透水性增加五倍 当加压素被 去除时 AQP2 被重新外化 水渗透率恢复到基线 随后显示 AQP2 通过受体激活的腺苷酸环化酶 蛋白激酶 A 的蛋白质的 C 末端胞质 精品文档 12欢迎下载 结构域中的 Ser 256 磷酸化被胞吐所影响 Katsura 等 1995 Christensen 等 2000 随后 AQP3 显示存在于主细胞的基底外 侧膜 Ecelbarger 等 1995 顶端膜中的 AQP2 和基底外侧膜中 的 AQP3 一起提供了透过细胞的途径 使水从内腔通过收集管移动到 间质中 这些研究表明 AQP2 可能参与某些类型的肾源性尿崩症 NDI 以 前已显示这种重要的临床疾病是由 X 连锁 NDI 中加压素的 V2 受体编 码基因的突变引起的 Bichet 1998 荷兰奈梅亨大学的调查人 员以前已经确定了在编码 V2 的基因中没有突变的隐性遗传性 NDI 患 者 通过对结构 AQP2 基因进行测序 他们鉴定了 AQP2 的跨膜和孔 形成结构域的突变 Deen 等 1994 这些突变导致保留在内质 网中的 AQP2 蛋白错误折叠 随后 确定了具有显着遗传的 NDI 的 家族 并且发现突变位点位于远离 PKA 磷酸化位点的两个残基 Mulders 等人 1998 有趣的是 突变蛋白与野生型 AQP2 低 聚 复合物保留在高尔基体中 重要和经常遇到的水分平衡障碍的动物模型已经被多个研究组显示 出来 包括 AQP2 蛋白的异常表达 参见 Schrier 等 1998 Yamamoto Sasaki 1998 Kwon 等 2001 发现 AQP2 在具有多 尿症 包括经典尿崩症 血管加压素简单缺乏 锂疗法 通常用 于治疗双相情感障碍 阻塞后 经常经尿道前列腺切除术 低钾血症 后果 的抗高血压药物 甚至夜间遗尿 相比之下 精品文档 13欢迎下载 AQP2 被发现在流体保留状态如充血性心力衰竭 ADH 不适综合征 肝硬化甚至怀孕中过度表达 因此 AQP2 的继发性疾病对临床医学 的实践至关重要 此外 这些研究预测 水通道蛋白家族的其他成 员将被鉴定 并且这些水通道蛋白参与由表达蛋白质的位点预测的 其他重要的临床疾病 3 3 肾脏收集管的 肾脏收集管的 AQP6AQP6 门控离子通道门控离子通道 水通道蛋白的功能谱通过发现 AQP6 而扩大 尽管 AQP6 可能存在于 收集管外部的组织中 但是 AQP6 抗体的交叉反应性已经排除了对非 肾组织的严格研究 尽管如此 AQP6 在酸性转运蛋白被限制在细 胞内部位的肾收集管中已被明确鉴定 Yasui et al 1999b 进一步的分析表明 AQP6 与细胞内囊泡中 H ATPase 一起共定位 但在质膜中不共定位 Yasui et al 1999a AQP6 不是一个简单的水道 当在非洲爪蟾卵母细胞中表达时 AQP6 位于卵母细胞质膜中 其表现出最小的透水性 尽管抑制水 渗透性 预期的结果先前已被其他人报道 但用氯化汞处理 AQP6 卵 母细胞未能降低透水性 Ma et al 1996 非常令人惊讶的是 我们发现低浓度的氯化汞增加了透水性并引起伴随的膜电流 Yasui et al 1999a 因此 虽然 AQP6 的主要序列最接近 AQP2 和 AQP5 都被氯化汞抑制 但 AQP6 的结构必须具有功能上的重要差 异 AQP6 在含有 H ATPase 的细胞内囊泡中的位置 Yasui et 精品文档 14欢迎下载 al 1999b 表明在酸的分泌中起作用 重要的是 AQP6 离子电 流在低 pH 下迅速且可逆地活化 证实 AQP6 可能参与被插入细胞的 酸分泌 暴露于慢性酸中毒的大鼠的研究未见 AQP6 表达的变化 但慢性碱中毒和水分负荷导致 AQP6 表达显着增加 Promeneur 等 2000 AQP6 携带的膜电流对于阴离子是相对选择性的 单通道 研究表明发生快速闪烁 通过对编码 AQP6 的基因进行靶向破坏的 小鼠的分析进一步描述这些研究 M Yasui 未发表的观察 目 前认为 AQP6 可能与某些形式的酸碱紊乱有关 4 4 AQP0 AQP0 镜片主要内在蛋白 镜片主要内在蛋白 MIPMIP 在 AQP1 的功能鉴定之前 在晶状体纤维细胞中已经鉴定了丰富的 蛋白质 Gorin 等人 1984 Zampighi 等人 1989 尽管其功能 尚不清楚 MIP 最初被认为是间隙连接蛋白 但发现与连接蛋白无 关 Ebihara 等 1989 发现 AQP1 的功能后 MIP 在卵母细胞中 的表达显示出诱导水分渗透性的增加不会受到汞的抑制 因此符号 AQP0 Mulders 等 1995 与其他水通道蛋白不同 AQP0 的电子 和原子力显微镜研究已经证明该蛋白质可能具有作为细胞间粘附蛋 白的结构作用 Fotiadis 等人 2000 尽管 AQP0 的这一作用尚 未建立 但是通过对泳道 3 Van Dort 等人 2001 的研究已经建立 了运输蛋白质可能是细胞骨架结构重要组成部分的范例 AQP0 与人类疾病的关系来自具有先天性白内障的大型亲缘遗传连锁 研究 来自英国的两个这样的家族与人染色体 12q13 相关 并且在 精品文档 15欢迎下载 一个家族中的每个 Glu 134 Gly 中鉴定了点突变 另一个家族中有 Thr 138 Arg Berry 等人 2000 将人 AQP0 克隆并突变为 Gly 134 或 Arg 138 并将 cRNA 注入非洲爪蟾卵母细胞 尽管突变体蛋 白质被表达 但对质膜的运输受损 Francis 等 2000 白内障的遗传格局在每个家庭中显然占主导地位 两个家庭的失明 在家庭成员中首次出现在小孩子身上 但白内障的形态却明显不同 Glu134 Gly 患者遭受了与出生时镜片大小相对应的层状不透明度 奇怪的是 这个观察结果表明镜片在新生儿期间以特殊的方式受到 某种程度的压力 但不是在出生之前或之后 患有 Thr 138 Arg 突 变的患者在整个晶状体中持续存在新出现的不透明度的终身问题 发现这些突变的位点位于重要的结构区域 Glu 134 在所有已知的 水通道蛋白同源物中是保守的 并且 AQP1 的原子结构表明该残基位 于高度保守的残基 Arg 187 附近 并且可以限制六个跨膜结构域内 环 E 的取向 de Groot 等人 2001 Sui et al 2001 当 Thr 138 被大体积的 Arg 取代时 空间限制和竞争性正电荷可能改变 Glu 134 的取向 与 AQP0 结构中的主要缺陷相关的早发性白内障的 发生强烈地表明 在老年人常见的典型的晚发性白内障或一些与糖 尿病相关的白内障患者中 一些患者将发现较不严重的缺陷或慢性 紫外线照射 因此 正在追求在编码 AQP0 的基因中搜索人突变 5 5 AQP4AQP4 脑中水通道蛋白脑中水通道蛋白 编码 AQP4 的 cDNA 从蛋白质丰富的脑中获得 Jung et 精品文档 16欢迎下载 al 1994a 水通道蛋白家族的这一成员对汞抑制作用不敏感 Hasegawa 等 1994 并且在循环 E 中缺乏 NPA 基序之前的半胱 氨酸 已知其对 AQP1 具有汞敏感性 Preston 等 1993 AQP4 的组成型活性与 AQP1 类似 也许在其他器官中 蛋白质的位置比中枢神经系统更重要 AQP4 在脑和视网膜中的表达通过免疫组织化学和免疫胶体电子显微镜 Nielsen 等 1997b Nagelhus 等 1998 建立 AQP4 蛋白在星 形胶质细胞中最丰富 其中存在脑和液体界面 邻近于蛛网膜下腔 邻近毛细血管 以及在室壁内部的室管膜细胞 与毛细血管基底膜 相邻的星形胶质末端形成胶质极限 当通过电子显微镜分析冷冻断 裂复制品时 长期以来已知其含有正方形阵列 也称为正交阵列 的结构域 直接的抗 AQP4 免疫金标记鉴定为 AQP4 的微晶组装的方 阵 Rash 等 1998 AQP4 蛋白在脑的渗透感区域也很丰富 包 括视神经核 其中存在于加压素分泌神经元周围的胶质细胞层中 AQP4 在神经元中尚未确定 因此 在胶质细胞中 AQP4 位于与已知 谷氨酸转运蛋白所在的膜相对的膜 图 7 并且 AQP4 在视网膜中 与特定钾通道 Kir4 1 Nagelhus 等人 1999 共定位 AQP4 也被 证明存在于骨骼肌中快速抽搐纤维的肌膜内 Frigeri 等人 1999 几个线索提供了 AQP4 在胶质细胞和快速抽搐骨骼肌纤维中的精确定 位的分子机制的见解 AQP4 Ser Ser Val COOH 的 C 末端符合 精品文档 17欢迎下载 结合 PDZ 结构域的基序 蛋白质 蛋白质关联结构域 命名为首 次鉴定的蛋白质 PSD 95 Discs Large 和 Z Occludins 松阳等 1997 这表明 AQP4 的定位可能是由于与细胞骨架蛋白的结合引起 的 在 Duchenne 肌营养不良患者中发现编码肌营养不良蛋白的人基 因中的突变 并且 mdx 小鼠是该重要疾病的动物模型 当在 mdx 小 鼠中分析分布时 成熟动物中 AQP4 表达严重异常 表明 AQP4 可能 是与肌营养不良蛋白相关蛋白复合物的一部分 Frigeri 等人 2001 选择性免疫沉淀证明 肌营养不良蛋白复合物中的 合 成蛋白 PDZ 结构域蛋白与 AQP4 相关 Neely 等人 2001 Adams 等 人 2001 AQP4 也在 a 合成蛋白无效小鼠的星形胶质细胞中靶 向靶向 此外 当通过转染到培养的哺乳动物细胞中表达时 全长 AQP4 的存活半衰期比缺少末端 Ser Ser Val 的 AQP4 长三倍 已经 显示 AQP4 在 Duchenne 肌营养不良症和某些 Becker 肌营养不良病例 A Frigeri 未发表的观察 的骨骼肌中减少 AQP4 蛋白的生理功能尚不清楚 与钾通道的关联表明 脑中 AQP4 的功能可能是为了促进流体跨越细胞膜的转移 以响应在神经刺激 后发生的钾虹吸 Nagelhus 等人 1999 据信 AQP4 可能允许水 穿过分离实质和血管空间的血脑屏障 虽然大多数证据表明 AQP4 是 组成型活性的 但一组研究人员已经提出 卵磷脂中的 AQP4 可能通 过磷酸化作用而被关闭 从而响应于佛波酯处理 Han et 精品文档 18欢迎下载 al 1998 与此相一致 当存在佛波酯二酯时 培养细胞中的 AQP4 表现出水渗透性的小变化 M Zelenina 和 A Aperia 未发表 的观察 如果 AQP4 被门控 横跨血脑屏障的流体通道可能不是组 成性开放的 对具有针对性破坏编码 AQP4 基因的小鼠的分析显示 当用急性低钠血症应激时 无效动物的相对保留 Manley 等 2000 尽管研究人员建议抑制 AQP4 可能是有益的 但相反的情况 可能很容易实现 因为脑水肿的消散对于维持闭合性头部损伤或脑 血管意外的患者至关重要 因此 AQP4 在人脑水肿中的重要性尚未 确定 6 6 AQP5 AQP5 分泌腺 肺和眼中的水通道分泌腺 肺和眼中的水通道 首先从颌下腺 cDNA 文库 Raina 等人 1995 克隆出来 AQP5 已经 定位于多个分泌腺的顶膜 包括泪腺 唾液腺和气道粘膜下腺 Nielsen 等 1997 这些网站预测 AQP5 可能是限制腺体液释 放的速率 正如已经在编码 AQP5 基因靶向破坏的小鼠的唾液腺和气 道中所证实的 Ma 等 1999 Song Verkman 2001 AQP5 存在 于大鼠 小鼠和人类的汗腺顶端膜中 并且在 AQP5 无效小鼠的爪子 中汗液分泌显着减少 Nejsum 等人 2002 这一观察的一般意 义尚待确定 因为其他研究者已经得出结论 AQP5 不参与小鼠的汗 液分泌 Song et al 2002 AQP5 对人类疾病的重要性也可能包括肺和气道的重要疾病 AQP5 已经局限于在大鼠肺内肺泡上的 1 型上皮细胞的顶端膜 Nielsen 精品文档 19欢迎下载 等 1997a 分布在小鼠肺中更广泛 令人惊讶的是 AQP5 无效 小鼠被发现在胆碱能刺激响应中表现出增加的支气管痉挛 Krane 等 2001 更广泛的 AQP5 分布也在人肺中显示 Kreda 等人 2001 一些形式的人类哮喘已经与染色体 12q 相连 该染色体靠 近 AQP5 已被鉴定的位点 Lee 等 1996 但 AQP5 在人类哮喘中 的作用尚未得到证实 AQP5 对人眼的生理学很重要 AQP5 在眼睛表面的角膜上皮中表达 Hamann et al 1998 怀疑它有助于上皮水化和透明度 并可能 参与角膜伤口愈合 已经在人眼泪腺中研究了 AQP5 Gresz et al 2001 通过来自 6 例 Sj gren 综合征患者的泪腺活组织检查 的免疫组织化学分析注意到细胞运输不良 但在 4 例非 Sj gren 干 眼症患者 Tsubota 等 2001 中未见 等待这一点的一般意义是 因为 AQP5 的缺陷贩运已被发现在一些 Sj gren 患者的唾液腺活检 Steinfeld 等人 2001 而不是其他人 Beroukas 等人 2001 7 7 AQP3 7AQP3 7 和和 9 9 水分甘油三聚体水分甘油三聚体 AQP3 水和甘油渗透的同源物 的鉴定与水通道蛋白家族的所有成 员仅被水渗透的原则相矛盾 Echevarria et al 1994 Ishibashi et al 1994 Ma et al 1994 AQP3 分布于多个器官 包括肾 脏 Ecelbarger et al 1995 气道 Nielsen 等 1997 皮肤 Nejsum 等 2002 和眼 Hamann et al 1998 甘油渗透已经 被仔细记录 Zeuthen Klaerke 1999 但甘油渗透的生理意义 精品文档 20欢迎下载 仍然不明确 Yang et al 2001 在脂肪组织中鉴定出 AQP7 并 显示出被水加甘油渗透 Ishibashi 等 1997 Kishida 等 2000 AQP9 在肝细胞中被鉴定 并被显示为被水 甘油和各种其他小的 不带电荷的溶质渗透 Tsukaguchi 等 1998 AQP7 在脂肪细胞中 的存在和肝细胞中的 AQP9 表明甘油渗透在空腹状态下可能是重要的 甘油三酸酯在脂肪细胞中降解 其中 AQP7 可以提供甘油的出口途径 并且 AQP9 可以提供进入糖异生发生的肝细胞 因此 水甘油聚糖作 为甘油转运蛋白的生理作用在空腹或饥饿期间可能是重要的 AQP7 和 AQP9 的功能谱最近被亚砷酸盐 As OH 3 渗透的发现得到加强 Liu 等 2002 这一令人惊奇的发现与白细胞中 AQP9 的已知表 达强烈地表明 在用亚砷酸盐治疗早幼粒细胞白血病期间 该蛋白 质可能在药理学上是重要的 8 8 非