王永軍李坤正肖宗宇

水通道蛋白4的研究進展*

王永軍①李坤正②肖宗宇②

水通道蛋白4（AQP4）是一種與水的通透性有關(guān)的蛋白，主要存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，并廣泛表達于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞、脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞、室管膜上皮細(xì)胞等支持細(xì)胞中，目前大量研究表明，AQP4不僅與腦水腫的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，同時還參與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理過程，對臨床神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷及治療具有重要的意義，本文就AQP4與幾種常見神經(jīng)系統(tǒng)疾病的聯(lián)系作一綜述。

水通道蛋白質(zhì)4； 腦水腫； 腦腫瘤； 抑郁癥； 癲癇

First-author’s address：Qinghai University，Xining 810000，China

水通道蛋白（aquaporins，AQPS）就是一組與水的通透性有關(guān)的蛋白，其中AQP1最早被發(fā)現(xiàn)，隨后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了包括AQP0-AQP12在內(nèi)的13種水通道蛋白，其中AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8和AQP9主要存在于哺乳動物的腦組織中，尤以AQP4的存在及表達最為重要，參與了腦水腫及多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)展。

1　AQP4基本結(jié)構(gòu)及分布

AQP4基因位于人類染色體18q11.2與q12.1的連接處，包含4個外顯子，負(fù)責(zé)127、55、27、92位氨基酸序列的編碼，3個內(nèi)含子位于其間。從結(jié)構(gòu)上看，其包括6個跨膜結(jié)構(gòu)和A、C、E 3個細(xì)胞外環(huán)和B、D 2個細(xì)胞內(nèi)環(huán)。AQP4的四級結(jié)構(gòu)是由相對分子質(zhì)量約34 KD的4個具有獨立活性的且均含有6條疏水性跨膜結(jié)構(gòu)的單體組成的四聚體，每個單體的6條疏水性跨膜結(jié)構(gòu)形成類似沙漏的水通道，僅允許單線通過1個水分子。AQP4主要分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞、脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞、室管膜上皮細(xì)胞等支持細(xì)胞中，并大量表達在星形膠質(zhì)細(xì)胞足突、膠質(zhì)界膜、軟腦膜及室管膜與其下星形膠質(zhì)細(xì)胞的空隙中，目前尚未發(fā)現(xiàn)其在興奮性細(xì)胞中表達［1］。此外，AQP4呈極性分布于星形膠質(zhì)細(xì)胞足突上，錨定蛋白和細(xì)胞周圍環(huán)境對其這種分布起到了一定的作用［2］。由此可以簡單的通過AQP4的分布及表達特點推斷其與中樞系統(tǒng)的水平衡有關(guān)。

2　AQP4與Kir4.1

內(nèi)向整流鉀離子通道4.1（Inwardly rectifying K+channel，Kir4.1）是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的一種膜蛋白，其具有內(nèi)向整流的特點并能通過調(diào)節(jié)胞外過高的鉀離子濃度而維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。其主要分布在膠質(zhì)細(xì)胞、軟腦膜、室管膜、視網(wǎng)膜M ü ller細(xì)胞等等。

研究表明，AQP4與Kir4.1在結(jié)構(gòu)和功能上均存在共耦聯(lián)的關(guān)系，兩者的C末端均通過α-syntrophin的PDZ結(jié)構(gòu)域錨定在膠質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞膜上，AQP4表達的變化可以影響細(xì)胞內(nèi)外水分子的運動，進而導(dǎo)致Kir4.1對鉀離子通透性的改變，出現(xiàn)相應(yīng)的電位變化。病理狀態(tài)下，在顳葉癲癇患者的海馬組織中發(fā)現(xiàn)AQP4的表達明顯升高而Kir4.1卻表達下調(diào)，鉀離子平衡破壞，AQP4和Kir4.1的錨定蛋白復(fù)合體功能受損［3］，提示兩者可能通過功能耦聯(lián)共同參與了癲癇的病理過程。雖然大部分研究肯定了AQP4與Kir4.1在功能上的耦聯(lián)關(guān)系，但仍有些學(xué)者對此提出了懷疑，認(rèn)為膠質(zhì)細(xì)胞中Kir4.1介導(dǎo)的K+的攝取功能與AQP4沒有聯(lián)系［4］。目前來說，兩者之間的作用機制及是否存在相互作用還有待于進一步研究。

3　AQP4與腦水腫

人體中60%的成分是水，尤其在腦組織中其所占比例更是高達70%，腦水腫即由于各種致病因素的影響使水分在腦組織中過多存在的病理現(xiàn)象，直接導(dǎo)致腦組織容量擴增，繼而提升顱內(nèi)壓，使臨近腦組織受壓并進一步加重腦水腫，最終因這種惡性循環(huán)導(dǎo)致腦疝，危及患者生命，因此腦水腫是各類腦部疾患致殘致死的根本所在。自1966年，Klatzo提出血管源性和細(xì)胞毒性兩種腦水腫的分類方法以來，人類對腦水腫的研究從未停下腳步，隨著分子、生化等各相關(guān)領(lǐng)域研究的不斷深入，對腦水腫的分類又提出了新的見解，并將其分為血管源性、 細(xì)胞性、腦積水性及滲透性四類普通腦水腫以及缺血性、粒細(xì)胞性、離子性三類特殊類型腦水腫。各類腦水腫在腦部疾病的演變過程中，既能共存，又能互變。大量研究表明，AQP4表達升高是顱腦創(chuàng)傷引起腦水腫的主要原因，通過檢測顱腦創(chuàng)傷后腦脊液中AQP4的水平，可以有效地評估腦水腫的嚴(yán)重程度［5］。而腦出血后的血腫周圍水腫程度更是與AQP4基因的變異有獨立的關(guān)聯(lián)［6］。Manley等［7］通過敲除AQP4基因的大鼠制作大鼠水中毒模型，與普通大鼠制作的水中毒模型相比，其腦組織含水量更低，其圍繞于血管周的星形膠質(zhì)細(xì)胞足突的腫脹程度也更低。推測AQP4在腦水腫的發(fā)生、發(fā)展的過程中起到了促進的作用。

雖然支持上述結(jié)論的學(xué)者很多，但也有些學(xué)者提出了相反的結(jié)論，Bloch等［8］利用被敲除AQP4基因的小鼠和普通小鼠制備梗阻性腦積水模型，與普通小鼠比較，被敲除AQP4基因的小鼠顱內(nèi)壓升高更明顯，腦水腫更嚴(yán)重，其生存率也明顯降低。推測AQP4的表達對腦積水后的腦組織含水量增加起到了抑制作用。Tang等［9］利用被敲除AQP4基因的小鼠和普通小鼠制備腦出血模型，研究發(fā)現(xiàn)被敲除AQP4基因的小鼠在制模成功后，其腦水腫程度更高，意識障礙更明顯。推測AQP4的表達在一定程度上抑制了腦水腫發(fā)展的病理過程。

諸多研究表明，AQP4的表達在細(xì)胞毒性腦水腫時起正向作用，而在血管源性腦水腫時卻起反向作用。細(xì)胞毒性腦水腫時，血腦屏障未受到破壞，水分子通過AQP4進入腦組織，所以當(dāng)AQP4的表達升高時，進入腦組織的水分就越多，造成的腦水腫就越嚴(yán)重。Papadopoulos等［10］提出，血管源性腦水腫時，AQP4的表達上調(diào)減輕了腦水腫的程度。這可能是因為破壞了血腦屏障，血清蛋白與等滲液為了適應(yīng)流體靜力壓的變化而滲透到細(xì)胞間隙，造成細(xì)胞間隙的腫脹。因此血管源性腦水腫的形成沒有AQP4的參與，但其發(fā)展過程中水分子的排出需要AQP4作為介導(dǎo)。所以AQP4在此過程中對腦水腫起到了抑制作用。

Karmacharya等［11］研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠腦水腫模型中施加低強度超聲波刺激，可以減少AQP4的局部聚集，與對照組比較可以明顯減少腦組織含水量以及AQP4的表達。其他方面如：亞低溫治療、去骨瓣減壓、地塞米松等治療方法均能通過抑制AQP4的表達減輕腦水腫，改善預(yù)后，提高其生存率。由此推測，以AQP4作為治療靶點來減輕各種原因?qū)е碌哪X水腫是切實可行的。

4　AQP4與腦腫瘤

腦腫瘤是指發(fā)生于顱腔內(nèi)的腫瘤，WHO于2000年經(jīng)過整理分類將神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤歸納為七大類，即神經(jīng)上皮組織起源腫瘤、外周神經(jīng)起源腫瘤、腦膜起源腫瘤、淋巴和造血組織腫瘤、生殖細(xì)胞起源腫瘤、鞍區(qū)腫瘤和轉(zhuǎn)移性腫瘤。與其他部位的腫瘤相比，顱內(nèi)腫瘤不論良惡性，均能擠占顱腔內(nèi)腦組織的空間，造成占位效應(yīng)對腦組織造成損害并危及生命。

膠質(zhì)瘤是臨床中神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)病率最高的原發(fā)性腦腫瘤，并多呈惡性侵襲性生長，手術(shù)全切率低且術(shù)后復(fù)發(fā)率高，需要術(shù)后配合放化療及其他綜合治療，但目前在其治療中仍然很艱難。Warth等［12］研究發(fā)現(xiàn)，在腦星形膠質(zhì)細(xì)胞瘤中，AQP4的高表達和瘤周水腫的發(fā)生以及膠質(zhì)瘤的惡性程度密切相關(guān)。另有研究表明，AQP4在腦腫瘤細(xì)胞中明顯增多，以膠質(zhì)瘤更為顯著。其極有可能對腫瘤的生長有正性作用，促進病情的惡化。AQP4在膠質(zhì)瘤細(xì)胞中具有抗凋亡的作用［13］，除此之外，AQP4還可以促進膠質(zhì)瘤細(xì)胞的遷移，這無疑將會促進腫瘤的生長并增加其侵襲性［14］。據(jù)此推測，人為地促使AQP4的表達下調(diào)可能對腦膠質(zhì)瘤的發(fā)展有抑制作用［15］。

腦膜瘤為發(fā)病率僅次于膠質(zhì)瘤的顱內(nèi)腫瘤，多呈良性，隱匿發(fā)病且緩慢生長，早期多無明顯癥狀。后期多以顱內(nèi)壓增高的癥狀表現(xiàn)，影像學(xué)檢查多提示顱內(nèi)腫塊伴瘤周水腫，可見瘤周水腫對腦膜瘤引起的顱內(nèi)壓增高起到了重要的作用。目前腦膜瘤瘤周水腫的形成機制并不明了，可能與軟腦膜供血、瘤腦界面的存在、腦膜瘤血管滲透性增加、腦膜瘤自身引流靜脈的發(fā)育等等因素有關(guān)，而腦膜瘤中AQP4的表達與其周圍的水腫有沒有聯(lián)系呢？有學(xué)者研究表明，AQP4主要表達于腦膜瘤的瘤體細(xì)胞膜上，其表達水平的高低與瘤周水腫的嚴(yán)重程度成正性相關(guān)，推測如果能夠抑制腫瘤細(xì)胞的AQP4表達，就能控制瘤周水腫，即可減輕患者圍手術(shù)期的顱內(nèi)壓增高癥狀，又可減少手術(shù)中腦膨出的風(fēng)險，而且更容易在手術(shù)中分離腫瘤，減輕對腦組織的損害［16］。

顱內(nèi)多發(fā)轉(zhuǎn)移瘤系身體其他部位腫瘤轉(zhuǎn)移至顱內(nèi)所致，男性以肺癌轉(zhuǎn)移多見，女性則多以乳腺癌轉(zhuǎn)移多見，可以轉(zhuǎn)移至顱內(nèi)的任何部位。顱內(nèi)轉(zhuǎn)移瘤常常伴有瘤周水腫，且水腫大多十分嚴(yán)重，對患者的生活質(zhì)量及治療效果有重要的影響［17］。Zhao等［18］研究發(fā)現(xiàn)，在多發(fā)的腦內(nèi)轉(zhuǎn)移瘤的瘤周腦組織中含有大量的AQP4表達，而在瘤組織中卻鮮有AQP4表達。在瘤周較遠(yuǎn)的腦組織中AQP4輕度染色，隨著對腫瘤的不斷靠近，其周圍腦組織中的AQP4染色亦不斷加深，推測AQP4表達與多發(fā)轉(zhuǎn)移瘤周圍腦組織的水腫密切相關(guān)且成正相關(guān)。因此，可以通過研究瘤周水腫的分子生物學(xué)機制為臨床的治療提供理論依據(jù)。

5　AQP4與抑郁癥

抑郁癥是心境障礙的最主要類型，多以持續(xù)情感低落為主要臨床表現(xiàn)，自卑抑郁，甚至有自殺的想法及行為，患者常伴有思維遲緩、意志活動減退、認(rèn)知功能損害以及睡眠障礙、食欲減退等一些軀體癥狀。目前抑郁癥的病因并不完全清楚，其治療多以藥物治療配合心理治療，并積極創(chuàng)造良好環(huán)境預(yù)防復(fù)發(fā)。

正常成年動物海馬區(qū)的海馬齒狀回顆粒細(xì)胞下區(qū)有成人神經(jīng)干細(xì)胞存在，其不但具有自我更新及分化成多種神經(jīng)細(xì)胞的能力，而且參與學(xué)習(xí)、記憶等腦的高級功能，其病理狀態(tài)下再生能力的變化與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。研究表明，抑郁癥可以抑制海馬齒狀回顆粒細(xì)胞下區(qū)的神經(jīng)再生功能，而AQP4在海馬齒狀回顆粒細(xì)胞下區(qū)呈高表達，并促進成人神經(jīng)干細(xì)胞的增值分化以及海馬神經(jīng)再生。Jayatissa等［19］通過尸檢抑郁癥患者發(fā)現(xiàn)，其海馬神經(jīng)元胞體體積及神經(jīng)纖維網(wǎng)均不同程度萎縮，推測抑郁癥的發(fā)病機制可能與海馬的器質(zhì)性病變有關(guān)。而AQP4對抑郁模型大鼠海馬區(qū)的內(nèi)環(huán)境及神經(jīng)元凋亡都具有調(diào)節(jié)作用，并且能通過對星形膠質(zhì)細(xì)胞功能及海馬神經(jīng)再生的調(diào)節(jié)而影響抑郁癥的病理過程［20］。因此，AQP4可能為今后抑郁癥的治療提供了新的方向。

6　AQP4與癲癇

癲癇是由于腦組織神經(jīng)元高度同步的異常放電所導(dǎo)致的一組具有發(fā)作性、短暫性、重復(fù)性和刻板性特點的臨床綜合癥。由于癲癇發(fā)作時放電神經(jīng)元的位置及放電范圍的不同，其導(dǎo)致的發(fā)作形式也是各不相同，治療方法目前還是以藥物治療為主，對于藥物難治性癲癇則考慮手術(shù)治療。

近年來諸多研究發(fā)現(xiàn)，AQP4與癲癇的病理過程存在一定的聯(lián)系，Binder等［21］研究發(fā)現(xiàn)，在敲除AQP4的癲癇大鼠模型癲癇發(fā)作時，無論是其抽搐程度還是抽搐的頻率均比野生對照組大鼠明顯降低。在癲癇的潛伏期中，AQP4位于近血管腔足突膜的密度明顯低于位于遠(yuǎn)血管腔足突膜的密度［22］，提示AQP4的分布改變與癲癇有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，AQP4在星形膠質(zhì)細(xì)胞大量分布，而這種分布的改變可以導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞的水腫，并促使其內(nèi)的谷氨酸鹽釋放，使胞外谷氨酸鹽的濃度升高，激活神經(jīng)元活動導(dǎo)致顳葉癲癇。Heuser等［23］從基因的水平上證實AQP4參與了癲癇的發(fā)作過程，但其詳細(xì)機制有待于進一步研究。

7　小結(jié)與展望

目前來說，對于AQP4的研究已經(jīng)不僅僅局限于其對水的轉(zhuǎn)運作用，而是面向更多的研究方向。Ishiyama等［24］發(fā)現(xiàn)，梅尼埃病可以特異性的改變AQP4在支持細(xì)胞和線粒體蛋白的表達，因此通過檢測AQP4表達量的變化對梅尼埃病的診斷具有極其重要的意義。Yasui［25］發(fā)現(xiàn)，AQP4在類淋巴系統(tǒng)紊亂過程中起到了關(guān)鍵作用，而未來通過研制抗AQP4藥物就可以更好的治療由于類淋巴系統(tǒng)通路功能紊亂導(dǎo)致的各種神經(jīng)功能退化疾病及精神疾病。除此之外，AQP4還參與諸如腦部炎性疾病、視神經(jīng)脊髓炎、阿爾茨海默病等等疾病的病理過程，本文在此不再一一詳述。目前關(guān)于AQP4的基礎(chǔ)研究雖然取得了很多的成就，但其臨床轉(zhuǎn)化率仍然較低，針對于以AQP4作為靶點在臨床疾病的診斷治療中的研究還少有報道，在今后的研究中，可以將AQP4更加的向臨床靠近，研發(fā)出針對AQP4的治療藥物及診斷方法。

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The Research Progress of Aquaporin 4/

WANG Yong-jun，LI Kun-zheng，XIAO Zong-yu.//Medical Innovation of China，2016，13（26）：128-131

Aquaporin 4 is a kind of protein which is related to the permeability of water，mainly in the central nervous system.It express in astrocytes，choroid plexus epithelial cells，cell membrane epithelial cells and other supporting cells.At present a large number of studies show that AQP4 is not only related to the occurrence and development of brain edema，but also is involved in the pathological process of many kinds of nervous system diseases which is of great significance for the diagnosis and treatment of clinical nervous system diseases.Therefore，this article reviews the relationship between AQP4 and several nervous system diseases.

Aquaporins 4； Brain edema； Brain tumor； Depression； Epilepsy

10.3969/j.issn.1674-4985.2016.26.034

2016-01-25） （本文編輯：蔡元元）

青海省自然科學(xué)基金青年項目（2015-ZJ-943Q）；青海大學(xué)附屬醫(yī)院中青年科研基金（ASRF-2014-18）

①青海大學(xué) 青海 西寧 810000

②青海大學(xué)附屬醫(yī)院

李坤正