水通道蛋白与肺水肿

时间 : 2009-12-06 12:04:16 来源：lw.china-b.com

[摘要]

摘要熟悉肺水通道蛋白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，

摘要熟悉肺水通道蛋白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发现了整合膜蛋白28，后来被命名为水通道蛋白1，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，水通道蛋白功能改变，因此充分熟悉肺脏水通道蛋白的作用对临床治疗肺水肿具有重要意义。

1AQPs的分子结构和特性

AQPs是膜主体内在蛋白家族成员，目前在哺乳动物中已发现11种AQPs亚型，即AQP0~AQP10。AQPs属于糖蛋白，相对分子质量约为30000，由250~300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编码，C端由3个小的外显子编码。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个胞内环和3个胞外环，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家族成员的B环和E环上均具有天冬氨酸哺氨酸丙氨酸结构，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%α螺旋和42%β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189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：高度选择性水通道蛋白，不答应各种离子通过，包括AQP0~AQP2，AQP4~AQP6，AQP8；相对选择性水通道蛋白，能通透水、甘油和尿素，包括AQP3和AQP7；能通透中性溶质的水通道蛋白，包括AQP9，AQP其中AQP9可通透水、甘油、尿素、嘌呤、嘧啶等，AQP10可答应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。

2AQPs在肺的表达及调控

目前发现有6种AQPs在肺脏表达，即AQP1，AQP3~5，AQP9，其中AQP1，AQP3~5肺内定位研究比较明确。AQP1主要在气道四周毛细血管、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；AQP5定位于肺泡I型上皮细胞的肺泡腔面。在上呼吸道AQP1，AQP3~5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AQP1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pH5．5环境中限制水和甘油的通过，而在中性pH中则答应通过。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，AQPl的活性可被PKA激动剂cAMP和Forskolin显著提高，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。此过程与AQPs磷酸化有关，AQPs的磷酸化为cAMP依靠性。在某些因素作用下，腺苷酸环化酶被激活，胞内cAMP增加，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AQP4mRNA表达均增加，其中AQP1mRNA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途径诱导AQPsmRNA表达。此外，高渗液体也能使体外培养的MDCK细胞AQP3mRNA转录增加。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。内毒素致急性肺损伤4~12h后可出现明显的肺水肿，在肺泡内灌注LPS4~12hAQP1和AQP5表达明显减少；伤后12h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。4AQPs在肺水肿中的作用

实验发现，体外转录合成的AQP1cDNA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5min内破裂。在嵌入AQP1后，脂质体的水转运速度也明显加快。Bai等还发现，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25~30倍，AQP1，AQP4同时敲除小鼠水通透性降低14~16倍。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。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。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。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。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。

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熟悉肺水肿发生、发展的全过程。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。

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