水通道蛋白与泌尿外科疾病.

1、水通道蛋白与泌尿外科疾病很早以前，生理学家就认识到水的跨膜转运除了简单扩散外，还存 在某种特殊的水转运机制，并提出了水通道概念。1991年Agre等首先克隆了相对分子质量为28 000的水通道蛋白(AQP),称为AQPi(aquaporin)，并证明 具有将细胞外的水转运至细胞内的功能。随后发现了一大家族具有高选择性水 通道功能的膜蛋白分子，共有6种，统称为AQP，存在于多种组织细胞的质膜 中。在涉及到水平衡紊乱的疾病中，尤其是在泌尿外科某些疾病，如多囊肾、 肾癌、双侧输尿管梗阻后利尿以及结石形成的研究中有重要意义。一、水通道的分类及在组织中的分布1. AQPi首先被定性为水通道蛋白，称之为

2、CHIP (channel integratedprotein),用免疫组化、免疫电镜及分子生物学技术发现AQP1在机体许多组织中有表达，如平滑肌和子宫组织 2，肾脏的近曲小管和髓襻降支细胞上皮的顶 膜及基侧膜。此外，在涉及水转运的其它组织中亦发现有AQP1显著表达，如角膜的内皮细胞、脉络膜网、肝胆管上皮细胞、胆囊颈内壁、汗腺上皮、支气 管和肺泡上皮、唾液腺上皮、结肠、脾脏和毛细血管内皮：印。在淋巴管和粘膜下毛细血管的AQP1，能促进吸收的水迅速进入淋巴管和毛细血管床，维持机体 的内环境稳定。2. AQP2是血管加压素调控的水通道蛋白，位于肾集合管的顶质膜上，对尿浓缩起重要作用，在肾外尚未发现

3、有表达，它与 AQP1 cDNA有42%的同源 性。该基因突变可产生常染色体隐性遗传病即肾源性尿崩症：4：，表现为血清抗利尿激素水平明显增高，而尿不被浓缩。它与 X连锁的肾源性尿崩症不同，该 疾病为抗利尿激素V2受体基因突变所致。刺激 V2受体，肾集合管顶质膜 AQP2表达明显增高。锂剂可以抑制它的表达，因而可以解释锂剂的副作用，这 种作用限制了它在治疗精神病中的作用。3. AQP3是肾脏集合管和胃肠道表达的另一型水通道蛋白，主要分布在集合管的上皮细胞的基侧膜，该部位水的通透性被认为是不可调节的。AQP3还具有转运非离子小分子物质如尿素和甘油的特性，因此AQP3是相对非选择性的：。 尿素跨内髓

4、集合管的转运对尿浓缩起十分重要作用。4. AQP4主要表达在下丘脑的视上核和视旁核的口渴中枢，在眼、肾、肠和 肺组织中表达较少。它可能作为渗透压感受器来调节机体水的平衡，并在中枢 神经系统介导水转运：6：。5. AQP5在唾液腺和泪腺表达显著，参与唾液和泪液分泌，可能是口眼干燥 综合征的靶抗原。AQP5和AQP1在成人肺中有显著表达，可能参与呼吸不显蒸 发和溺水的病理生理变化 厘，有迅速清除出新生婴儿肺内液体的作用。6. AQP0最初称之为主体内在蛋白，最近才证实是一种水通道蛋白，在眼中高度表达，与晶状体的透明度有关。小鼠缺乏它时患先天性白内障：8： 0此外，汞不敏感水通道 （MIWC） 存在

5、于肾髓质内（可能在髓质的血管系统），其生理意义尚不清楚。UT-2（urea transporter）,其基因序列与其他 AQP明 显不同，因此被称为 UT-2。二、AQP结构与功能Agre等证实，AQPi在细胞膜中以四聚体的形式存在，四聚体复合物每一 个亚单位在功能上都作为一个独立的水通道。AQP1 的 cDNA 经测序分析证实其全长接近3Kb，807bp的开放读码框架编码相对分子质量 28 500的AQPi蛋白， 紧随其后的是 2Kb 的 3'非翻译区序列。 AQP1 的基本结构为一个单肽链，跨越细 胞膜6次。其氨基和羧基末端定位在细胞内，在细胞外形成3个襻（A、B和C），细胞内有2

6、个襻（B和E），四个AQPi亚单位中空部分含有四个独立通 道，其大小大致为一个单水分子 9。 B 和 E 襻明显疏水，且含有天冬氨酸 -脯氨 酸-丙氨酸（Asn-Pro-Ala, NPA）的重复串联序列，是主体内在蛋白（MIP）的特征 序列，AQP均为MIP家族成员。定位在AQPi襻NPA序列前有一半胱胺酸（C- 189），被认为是汞的抑制部位。汞离子和有机汞通过与半胱胺酸残基结合，堵 塞或破坏该通道，因而可解释汞的利尿机制。AQP2的相关部位也有半胱胺酸存在，因此也对汞敏感，而 MIWC 无半胱胺酸存在。三、水通道活性调节水通道介导水依渗透梯度方向运动。已证实 AQP2受生理调节，在限水的

7、正常大鼠，细胞AQP2蛋白含量增加，mRNA含量亦增加，限水所致 AQP2表达 是机体长期克服缺水生理调节机制之一，称之为长时调节。相反，长期限水 后，肾髓质AQPi的mRNA含量无明显改变。长期限水机制为抗利尿激素 （ADH） 与血管加压素受体结合，G蛋白介导腺苷酸环化酶激活产生环腺苷酸（cAMP）,促 使蛋白酶A活化，引起AQP2水通道外表化至顶质膜，因此增加了水的通透性10 。AQP2，亦存在短时调节，当给予血管加压素后，集合管水通透性显著增 加，在510分钟内，从50卩m/s增加到1 000卩m/s,该反应与集合管上皮细胞顶 质膜功能水通道增加有关，是由血管加压素引起的胞吐作用，将细胞

8、内囊泡中 的水通道蛋白转移到顶质膜；撤除血管加压素后，水通透性降低是由于细胞膜 水通道结构区胞饮作用的恢复，将水通道从顶质膜移走。因此，水通透性的迅 速调节涉及到细胞内富含水通道的囊泡和顶质膜间的再分布，即“穿梭学 说”。四、水通道与泌尿外科疾病在已发现的 6种水通道蛋白中，有 4种蛋白在肾脏表达，介导水的跨膜转 运。AQPi在近曲小管和Henle襻的薄降支表达极高，AQP2、AQP3和AQP4主 要在集合管系统表达，AQP2是集合管顶质膜上主要水通道，而 AQP3和AQP4 位于基侧膜。Henle襻在肾髓质通过逆流倍增作用产生高渗透压，而集合管腔内 的尿因抗利尿激素作用和高张髓质达到渗透平衡

9、，两者共同参与尿浓缩。水通 道在整个尿浓缩过程中起作用，并为水平衡和水平衡紊乱生理提供分子水平的 解释。其中研究较深入的两种水通道蛋白为 AQPi和AQP2：ii：。许多泌尿外科疾病如前列腺增生症所致尿储留和神经原性膀胱引起的双侧输尿管梗阻，在梗阻解除后，其肾脏浓缩尿的功能明显降低，引发多尿。这一 新的水通道理论从分子水平解释了水的跨膜转运，从而进一步了解了梗阻后利 尿机制。双侧输尿管梗阻和梗阻解除后均伴有明显的AQP2 表达持续下调，同时形成持续多尿，因此，尿路梗阻后，尿浓缩功能下降并且恢复缓慢与AQP2表达低下有关 12 。多囊肾是一常染色体显性遗传疾病，囊肿起源于肾小管，开始表现为局灶

10、性扩张，而后进行性增大，最终与其起源的肾单位分离。囊肿增大与溶质和液 体不断向囊腔内分泌有关。囊肿遍布整个肾实质，其腔内液体增加引起双侧肾 脏进行性增大。研究发现 AQPi在多囊肾和正常肾近曲小管和 Henle襻的薄降支 均有表达。囊肿的内衬细胞有 71%表达AQPi，其中44%囊肿的近曲小管标志 gp330阳性（gp330是一种糖蛋白，为近曲小管特异性标志），一些表达AQPi的囊肿gp330染色阴性，表明其来源于 Henle襻的薄降支；仅有8%的囊肿内衬 细胞表达AQP2蛋白，而这些囊肿无 AQPi表达和gp330染色。AQPi在肾小管 和肾囊肿表达丰富，且和gp330共同染色，并持续至多囊

11、肾晚期，表明在多囊 肾疾病各个时期，AQPi参与并促进了来源于近曲小管的肾和薄降支囊肿跨细胞 和跨上皮水转运，即促进溶质驱动的跨上皮液体向囊腔内分泌。一旦囊肿从母 肾单位分离，调节或阻断这一通道可能减慢囊肿增大的速度，进而为治疗提供 可能的方法 i3。肾细胞癌可能起源于肾近曲小管。用 Northern印记、RT-PCR和免疫组化 方法检测AQPi和AQP2，在12例原发肾癌标本中均有表达，通过免疫组化方 法检测到这两种水通道分子在肾直小管肿瘤中亦有表达。在肾细胞癌中， AQPi 表达均为阳性，而未见 AQP2表达。AQPi在肾小管中分布的部位支持肾细胞癌 来源于近曲小管或薄降支。可以肯定 AQ

12、Pi在肾细胞癌样本中表达的特异性。 已证明近曲小管细胞和肾细胞癌细胞有共同特异抗原和超微结构特征；此外， 将V-Src癌基因与正常人近曲小管培养可导致肾细胞癌表型的改变。这一发现 更进一步明确了肾细胞癌来源于近曲小管。肾直小管肿瘤是一种少见的恶性肿 瘤，其形态学与肾集合管相似，用免疫组化方法检测 4例经病理证实肾直小管 肿瘤，无一例AQPi表达，而其中2例AQP2表达阳性，证实了肾直小管肿瘤来 源于集合管。研究两种水通道分子表达情况，对高级和未分化肾肿瘤有实际意 义。肾细胞癌对传统抗癌药物不敏感，未手术病人预后差。肾细胞癌的AQPi恒定表达提示人们可研制出一种有效药物，通过改变 AQPi 功能

13、改变细胞膜对 水的通透性，来治疗肾细胞癌 i4。抗利尿激素（血管加压素）作用于集合管，使水的通透性增加，引起肾小 管管腔内钙升高（5mmol/L），超过了尿中钙沉淀的水平。甲状旁腺细胞和肾 Henle氏襻细胞上的钙离子受体可以感受到钙离子浓度的变化，当肾小管腔内尿 钙升高时 ,顶质膜上钙受体可特异性降低血管加压素影响渗透水的通透性。存在 于集合管顶质膜的内涵体含有血管加压素调控的水通道，即AQP2和钙离子受体。此外，具有AQP2的内涵体亦拥有刺激和抑制鸟苷酸结合蛋白（GTP）的作 用，GTP不但与蛋白激酶C的两种特异性受体相互作用，也可与钙离子受体相 互作用。大鼠和人肾的集合管均有钙离子受体存

14、在，表明集合管是唯一将钙和 水代谢联系起来的信号传导部位。如果此信号传导通路出现异常可能导致肾结对 AQP 研究的深入为机体水转运的生理现象提供分子解释，并促进对人类某些疾病发病机制的进一步认识，为治疗提供理论依据。作者单位：郭宏骞 辛殿旗 薛兆英（ 100034 北京医科大学第一医院泌尿外 科，泌尿外科研究所）张志文（北京医科大学生理学系）参考文献1 Agre P,Preston GM,Smith BL,et al.Aquaprorin CHIP:the archetypal molecular water channel.Am J Physiol,1993,34： 463-476.2 Ni

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