王笑竹，李 浩，芮錢云綜述，薛 群，2，3審校

水通道蛋白(Aquaporin，AQP)是一跨膜蛋白家族，主要調節(jié)體內水的轉運，在神經系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等多個系統(tǒng)中均有表達。在中樞神經系統(tǒng)(central nervous system，CNS)已經發(fā)現(xiàn)9種水通道蛋白，即AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP6、AQP7、AQP8、AQP9、AQP11，近年來，經研究認為AQP家族與多種神經系統(tǒng)生理病理過程和疾病機制有密切關系，其表達及含量的變化可影響某些神經系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展。其中，AQP1、AQP4、AQP9的研究相對較多。通過深入研究AQP家族在神經系統(tǒng)疾病中的變化，有助于闡明相關疾病的發(fā)病機制，為神經系統(tǒng)疾病的診斷和治療提供新的思路和方法。

1 水通道蛋白家族(AQPs)

水通道蛋白家族又名水孔蛋白，是一類具有水通透性的細胞膜轉運蛋白，所有AQP具有相似的基本結構，由兩個串聯(lián)域組成，每個串聯(lián)域包含三個跨膜a螺旋束和一個具有高度保守的天冬酰胺、脯氨酸、丙氨酸(NPA)基序的疏水環(huán)。自1988年Agre等[1]在紅細胞膜上發(fā)現(xiàn)第一個AQP(AQP1)，迄今為止，已發(fā)現(xiàn)13種AQPs亞型(AQP0-12)[2]，它們廣泛分布于生物體內。分布于腦組織的AQPs共有9種，介導中樞神經系統(tǒng)細胞內液、細胞外液、腦脊液、血液四個不同的水腔之間的水流動，這9種蛋白按照其功能分類，可分為水通道蛋白亞家族，包括：AQP1、AQP4、AQP5、AQP6、AQP8；水-甘油通道蛋白亞家族：AQP3、AQP7和AQP9；超水通道蛋白亞家族：AQP11。此外，AQP1、AQP2和AQP4在周圍神經系統(tǒng)(peripheral nervous system，PNS)中也有表達。

將表達于中樞神經系統(tǒng)的9種水通道蛋白按照其氨基酸序列利用Mega3.0分析排列成進化樹的形式(見圖1)，可以觀察到水通道蛋白家族的進化順序及親緣關系，其中AQP1、AQP4、AQP5、AQP6、AQP8的關系較接近，AQP3、AQP7和AQP9接近，AQP11獨立于其他蛋白之外，這也與其功能即水通道、水-甘油通道和超水通道相吻合，證明了AQPs家族結構序列與功能結構的一致性。AQPs在腦水腫、腫瘤血管生成、自身免疫性疾病、膠質瘢痕形成和神經興奮等眾多方面發(fā)揮著作用(見表1)。本文按照AQPs的功能分類對其進行分別介紹。

圖1 中樞神經系統(tǒng)的9種水通道蛋白進化樹

1.1AQP1和AQP4

AQP1是一種高度保守的膜結合蛋白，基因定位于人染色體7p14，AQP1與大部分AQPs結構類似，以四聚體形式穿過細胞膜，每個單體有獨自的水孔，二級結構為6個跨膜的單肽鏈和2個嵌入膜的短孔肽鏈串聯(lián)序列[3]。AQP4有典型的AQPs折疊構型，不同的是其羧基端有特殊的短310肽鏈，ar/R區(qū)域有額外的球形密度區(qū)域。人類和小鼠AQP4有兩個亞型與水轉運相關，即M1和M23，它們形成的正交排列陣列(orthogonally arranged particles，OAPs)在水轉運過程中具有重要作用[4]。AQP4在毛細血管、蛛網膜和軟腦膜直接接觸的星形膠質細胞及其終足上表達最為豐富，稱之為極性分布，這也是AQP4在中樞分布最為顯著的特點。

1.1.1 AQP1、AQP4與腦水腫 腦水腫是許多神經系統(tǒng)疾病(腦卒中、腦腫瘤、外傷性腦損傷、顱內感染等)常見的病理表現(xiàn)[5]，對腦疾病的發(fā)生、發(fā)展及預后起關鍵作用。腦水腫表現(xiàn)為腦組織含水量過多引起的腦體積增大、重量增加，通常包括血管源性水腫、細胞毒性水腫和腦積水。

Smith等[6]發(fā)現(xiàn)在脈絡膜叢彌漫性絨毛增生引起的非阻塞性腦積水的患者中，脈絡膜叢上皮細胞AQP1的免疫反應性較正常對照組明顯減弱。術后，患者的腦脊液分泌過剩得到緩解，然而，與正常脈絡膜叢相比，AQP1的表達還是明顯減少。Akdemir等[7]利用免疫組化技術檢測腦梗死后水腫大鼠模型的AQP1表達，發(fā)現(xiàn)表達于腦室脈絡膜上皮細胞的 AQP1在24 h內減少，而在 48h后開始增加，說明AQP1在腦水腫的初期及進展中起作用，但具體機制仍需進一步研究。

AQP4在腦水腫中的作用已經通過使用AQP4敲除模型得到了廣泛的建立。在人體許多引起腦水腫的疾病的水腫區(qū)域 AQP4表達上調，并且隨著腦水腫的程度增加，提示AQP4的表達變化可能與水腫形成有關。AQP4缺失導致成年小鼠腦和脊髓基線水含量略有增加[8，9]這進一步支持AQP4可促進腦實質向腦血管，腦室的水流出。然而，也有證據表明AQP4負責快速水進入大腦。與水中毒，局灶性腦缺血或受控皮質沖擊腦損傷后的野生型小鼠相比，AQP4缺失小鼠的腦腫脹減少，存活率提高。這些研究共同表明，AQP4是一種雙向水通道，可促進水進出大腦。張衍等[10]研究發(fā)現(xiàn)大鼠腦出血后AQP4表達增多，依達拉奉通過抑制AQP4的表達減輕腦水腫。這些實驗均提示了不同藥物通過對腦水腫模型中AQP4的下調作用改善了腦水腫，這些也為臨床治療腦水腫患者提供了新思路。

表1 中樞神經系統(tǒng)中AQPs的染色體定位、分布、功能及相關疾病

注：染色體定位及分子量相關信息來源于www. expasy. ch

1.1.2 AQP1、AQP4與腦部腫瘤 近年來研究表明AQPs和癌癥之間出現(xiàn)了驚人的聯(lián)系：AQPs在腫瘤水腫、腫瘤細胞遷移、腫瘤增殖和血管生成等腫瘤相關過程中發(fā)揮重要作用。然而，機制仍不清楚。膠質瘤是中樞神經系統(tǒng)常見的惡性腫瘤。在腦腫瘤中，AQP1表達隨著惡性程度的增加而增加，并與腫瘤血管的發(fā)生相關[11]。AQP1的沉默抑制了多形性成膠質細胞瘤的遷移和侵襲，血管的體外、體內發(fā)育，沉默AQP1可以抑制腫瘤的發(fā)生并降低相關侵襲性蛋白的表達，例如αvβ3整合素、基質金屬蛋白酶-2和基質金屬蛋白酶-9等[12]?；谶@些發(fā)現(xiàn)，許多研究者認為AQP1抑制劑可以作為治療這些腦疾病的潛在藥物。

AQP4在星形細胞瘤和膠質母細胞瘤中上調。AQP4在細胞遷移和細胞-細胞粘附中的作用表明其參與促進膠質母細胞瘤細胞遷移，膠質瘤侵襲和膠質母細胞瘤細胞凋亡[13]。有趣的是，目前對于AQP4在惡性膠質瘤中的作用研究存在差異。Ding等使用藥物抑制劑和小干擾RNA，證明了敲除AQP4可影響到膠質母細胞瘤細胞的遷移[13]。作者還證實AQP4參與控制膠質母細胞瘤細胞的侵襲和遷移，這可能是對膠質母細胞瘤細胞浸潤的潛在治療靶點。此前，McCoy等[14]發(fā)現(xiàn)，通過穩(wěn)定地將AQP1或AQP4重新引入膠質瘤細胞系，實際上可以降低細胞的遷移能力，這與Ding等的研究結果不一致。這已被證明是通過增加細胞粘附性，而非通過增加細胞遷移和侵襲而造成的。McCoy研究小組的另一項研究表明，表達AQP4的膠質瘤細胞的侵襲能力明顯低于表達AQP1的膠質瘤細胞。但目前證據仍表明AQP4是神經膠質瘤發(fā)生發(fā)展的關鍵分子。

1.1.3 AQP1、AQP4與變性疾病 阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)是老年人中最常見的神經退行性疾病，其特征是Aβ斑塊沉積，神經原纖維纏結，以及學習和記憶相關區(qū)域的神經元和突觸丟失[15]。已有充分報道AQP1在阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(Parkinson’s disease，PD)等神經退行性疾病中發(fā)揮重要作用。在AD病例中，在富含Aβ的區(qū)域中通常不會觀察到AQP1陽性星形膠質細胞，并且AQP1和Aβ42水平之間存在顯著的負相關[16]。其機制可能是通過滲透發(fā)動模型中AQPs的水滲透介導的細胞遷移誘導，或者是水進入細胞導致其板狀偽足的擴張。在AD患者和幾種AD模型的腦組織中[17]，發(fā)現(xiàn)了活化的星形膠質細胞并伴有AQP4極化改變，表明其參與AD病理學。最近的一項研究報道，APP / PS1轉基因AD模型小鼠中的AQP4基因缺失損害了腦實質的外源性Aβ清除，并加劇了與Aβ斑塊沉積和突觸蛋白丟失相關的空間學習減退和記憶缺陷[18]。這一發(fā)現(xiàn)為AQP4在AD發(fā)病機制中的關鍵作用提供了直接證據。目前累積的直接和間接證據表明，AQP4通過各種機制影響AD的發(fā)病和進展，如Aβ清除，谷氨酸轉導，突觸可塑性，Ca2+信號轉導，神經炎癥和神經營養(yǎng)因子分泌。

PD是一種臨床表現(xiàn)主要包括靜止性震顫、運動遲緩、肌強直和姿勢步態(tài)異常的中老年人群中常見的中樞神經系統(tǒng)退行性疾病，目前大部分PD病因不明，多巴胺能神經元選擇性丟失的機制也不清楚。Hoshi等研究表明AQP1和AQP4的表達反應性星形膠質細胞群可以改變PD患者新皮質中的α-syn沉積[19]。近年來多項動物研究顯示，星型細胞的AQP4參與PD的發(fā)生過程，且多巴胺能神經元對毒素的敏感性取決于AQP4表達水平。Ofori等[20]進一步利用核磁共振彌散成像技術測定人腦黑質中自由水含量，發(fā)現(xiàn)PD患者黑質中有大量的自由水蓄積，其含量遠大于正常對照組。且用于輕度認知功能障礙評定的MoCA 量表評分與黑質致密部自由水含量成正相關[21]。說明AQP4參與PD的病理生理過程。但是 AQP4的表達與PD形成及進展過程的具體關系需要進一步的研究。

1.1.4 AQP-4與視神經脊髓炎(Neuromyelitis optica，NMO) NMO是中樞神經系統(tǒng)的自身免疫性炎性疾病，多影響到脊髓和視神經。它通常被誤診為多發(fā)性硬化癥，但最佳治療方法不同。Wingerchuk等[22]發(fā)現(xiàn) AQP4抗體為NMO的特征性抗體(AQP4-Ab)，這對NMO的早期診斷、鑒別及發(fā)病機制具有重大意義。目前被證實90%的NMO患者血清中均可檢測到該抗體，AQP4-Ab作為NMO明確的致病性抗體，主要分布于微血管周圍星形膠質細胞的終足、神經膠質界膜、腦室系統(tǒng)的室管膜、腦表面的軟腦膜等處，外周血中的B淋巴細胞產生的AQP-Ab透過血腦屏障與特異性AQP-4結合，從而導致其缺乏，使得血管-神經單位喪失一定的完整性，血管周圍的星形膠質細胞足突水腫，血腦屏障呈高通透性，釋放炎性介質，繼而引起NMO病灶處水腫的發(fā)生。此外，AQP4-Ab能夠通過激活抗體依賴及補體依賴的細胞介導的細胞毒性作用，促進效應細胞聚集發(fā)揮毒性作用，進一步破壞血腦屏障，從而加重星形膠質細胞的損傷[23]。臨床上利妥昔單抗應用于治療NMO，并取得一定的治療效果。利妥昔單抗直接攻擊表達CD20分子的B淋巴細胞，從源頭上減少AQP4-Ab的產生，從而達到治療疾病的效果。AQP4-Ab發(fā)現(xiàn)提高了NMO的診斷準確率，并為疾病治療提供了新的靶點。

1.1.5 AQP4與其他中樞神經系統(tǒng)疾病 癲癇(Epilepsy，EP)，是神經系統(tǒng)常見病，是以腦神經元異常放電引起反復癇性發(fā)作為特征的腦功能失調綜合征，其治療仍然是困擾醫(yī)學界的一大難題。通過體內電刺激的方法，記錄AQP-4基因敲除小鼠的腦電活動，發(fā)現(xiàn)AQP-4基因敲除小鼠的癲癇誘發(fā)閾值和癲癇耐受能力明顯高于野生型小鼠[24]。也有研究[25]發(fā)現(xiàn)，在顳葉癲癇患者硬化的海馬中AQP-4的表達明顯升高。以上研究結果表明AQP-4表達的升高可能參與了癲癇的形成。AQP4表達異?？赡苡绊懠毎麅韧釱+及水的平衡，從而可能通過調節(jié)星形膠質細胞功能來參與癲癇伴精神障礙的發(fā)生和發(fā)展。

抑郁癥(Major depressive disorder，MDD)又稱抑郁障礙，以顯著而持久的心境低落為主要臨床特征，是心境障礙的主要特征，多數(shù)患者有反復發(fā)作的傾向，每次發(fā)作可以緩解，部分可有殘留癥狀或轉為慢性。Rajkowska等[26]利用重度抑郁癥患者腦組織標本，發(fā)現(xiàn)灰質區(qū)星形膠質細胞足突上AQP4免疫反應性明顯減少。提示AQP4的功能改變與重度抑郁癥的發(fā)生相關。Xia[27]研究發(fā)現(xiàn)在快感缺乏癥小鼠中，皮質和海馬區(qū)AQP4表達下調。這些研究提示AQP4的功能改變與重度抑郁癥的發(fā)生相關。

肌萎縮側索硬化癥(Amyotrophic lateral sclerosis，ALS)病變的典型特征是圍繞神經血管單位和神經膠質界限的星形細胞足突腫脹和退化。在SOD1轉基因小鼠模型中，在ALS的終末期，AQP4的表達是增加的[28]。在ALS患者體內AQP4 mRNA和蛋白水平受到抑制，表明AQP4的表達受到神經元刺激的影響[29]。作者證實，雖然所有神經源性肌萎縮都表現(xiàn)出AQP4 mRNA的下降，但這種下降在ALS病例中更為明顯。

1.1.6 AQP4與周圍神經系統(tǒng) 與在正常CNS和神經心理疾病中對AQP4的廣泛研究相比，對其在PNS中的表達和功能知之甚少。Thi等的一項研究在小鼠和大鼠的肌間神經叢和粘膜下神經叢中鑒定出AQP4蛋白的表達[30]。最近，Kato及其同事報道，AQP4專門定位于三叉神經節(jié)和小鼠DRG中初級傳入感覺神經元細胞體周圍的衛(wèi)星神經膠質細胞[31]。AQP4在包括三叉神經和背根神經節(jié)的PNS中的細胞定位和功能需要進一步研究。

1.2 AQP5 AQP5是否有利于體內的水分運輸仍然不確定. AQP5可能是星形膠質細胞中重要的水通道，在各種腦損傷過程中差異表達。在永久性局灶性腦缺血和早產室內出血后，腦內AQP5的表達上調[ 32]。在缺血誘導的大鼠腦梗死邊界附近也檢測到AQP5表達，AQP5水平可以通過缺氧和蛋白激酶A調節(jié)[33]。此外，最近的研究還表明，AQP5的表達與腦膜瘤患者腫瘤周圍水腫的發(fā)展和強度有關[34]。

1.3 AQP6 通過逆轉錄PCR在新生兒和成年小鼠小腦中觀察到AQP6 mRNA。AQP6基因在小鼠后腦(包括小腦)和脊髓中發(fā)現(xiàn)，也在大鼠腦中的突觸小泡中檢測到AQP6蛋白[35]。AQP6在CNS中的作用仍然未知。由于AQP6 mRNA表達以組織特異性和年齡相關的方式調節(jié)，因此AQP6可能在小鼠發(fā)育中起著重要作用[36]。此外，AQP6在突觸小泡中的位置可能提示其參與腫脹和分泌。因此，需要進一步研究以了解AQP6在CNS中的功能。

1.4 AQP8 AQP8早期見于星形膠質細胞、神經元和少突膠質細胞，以及脊髓中央管壁室管膜細胞。最近的研究表明，AQP8可能在腦水腫和腫瘤的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用，可作為星形細胞瘤和膠質瘤的潛在治療藥物。例如，AQP8表達水平隨著星形細胞瘤和膠質瘤的嚴重程度而升高。此外，AQP8在人腦膠質瘤細胞中的下調對細胞增殖和遷移具有明顯的抑制作用。盡管AQP8缺失小鼠未表現(xiàn)出明顯異常，但腦缺血后AQP8表達上調，提示AQP8參與了水腫[37]的早期形成，它在中樞神經中的作用需要進一步研究。

2 水-甘油通道蛋白亞家族與神經系統(tǒng)

2.1 AQP9

2.1.1 AQP9的結構及表達 利用免疫熒光標記技術發(fā)現(xiàn)AQP9主要分布在腦室周圍器官、脈絡叢、穹窿下器官和腦室周圍實質等部位的星形膠質細胞中。由于上述腦室周圍器官的主要生理功能是參與腦脊液回流和調控神經活性物質發(fā)揮生理活性，因此，AQP9分布特征提示AQP9可能維持中樞神經系統(tǒng)內環(huán)境穩(wěn)定、保持腦能量代謝平衡、參與調節(jié)腦脊液循環(huán)。

2.1.2 AQP9與神經系統(tǒng)疾病 在生理條件下，AQP9在正常細胞代謝中起作用，并且在病理條件下也增加細胞應激耐受性。例如，AQP9的表達量在糖尿病大鼠使用胰島素后降低、短暫性局灶性腦水腫后、星形細胞腫瘤、大腦永久性大腦中動脈閉塞后上調。所有這些發(fā)現(xiàn)都表明AQP9參與星形膠質細胞能量代謝和星形細胞腫瘤的惡性進展[ 38]。近來的研究還顯示在海馬和下丘腦的某些特殊部位存在AQP9的表達，提示AQP9對滲透壓的變化起調節(jié)作用。此外，在松果體內AQP9主要在松果腺內表達，推測其與腦組織神經內分泌細胞產生和分泌激素的功能有關。

2.2 AQP3 AQP3可滲透甘油和尿素，首先在中樞神經系統(tǒng)腦膜細胞中發(fā)現(xiàn)。然而，在豬腦中沒有發(fā)現(xiàn)AQP3的表達[39]這提示AQP3在CNS中的分布具有物種特異性。AQP3在中樞神經系統(tǒng)中的作用仍未得到充分研究，Yamamoto等通過RNase保護實驗和逆轉錄聚合酶鏈反應(RT-PCR)證實了AQP3在星形膠質細胞和神經元中的表達。一項研究表明AQP3在缺血后6 h內表達上調，提示AQP3在早期腦水腫形成和神經元腫脹中發(fā)揮作用[40]。

2.3 AQP7 通過Northern印跡分析，首次在大鼠腦中檢測到AQP7的RNA表達[41]。作為甘油通道主要在脂肪代謝中起作用，AQP7主要定位于小鼠腦中的脈絡叢。同樣，在豬腦中也檢測到AQP7 mRNA。最近的研究表明AQP7表達被限制在脈絡叢上皮細胞(CPECs)和內皮祖細胞(EPCs)的頂膜上，與先前的研究一致，表明AQP7可能參與CSF分泌[42]。

3 超水通道蛋白亞家族與神經系統(tǒng)

AQP11屬于超水通道，出現(xiàn)在海馬和大腦皮質神經元，大鼠大腦中的浦肯野細胞樹突，以及脈絡叢的上皮和小鼠腦毛細血管內皮細胞。AQP11缺失小鼠的大腦看起來正常，沒有任何形態(tài)和功能異常。在質膜中表達AQP11的爪蟾卵母細胞不能運輸水、甘油、尿素或離子。有學者認為AQP11的獨特分布和明顯的水/溶質運輸缺陷可能預示著一個獨特的功能。另一方面，Yakata等發(fā)現(xiàn)AQP11蛋白在脂質體中重組時具有顯著的水滲透性。進一步研究AQP11的水轉運特性及其在腦內的生理作用似乎是必要的。然而，在AQP11缺失小鼠中，BBB處的AQP4表達減少了一半，表明AQP11可能在功能上與AQP4相互作用[43]。由于AQP11具有獨特的高親和力汞離子結合位點(三半胱氨酸基序位點)，分布于浦肯野細胞的AQP11可能與自閉癥中的汞等陽離子相互作用，并成為這種認知相關疾病的治療靶點。

4 AQPs 在非神經系統(tǒng)中的分布和相關疾病

AQPs除了在神經系統(tǒng)中具有廣泛分布外，在人體其他系統(tǒng)中也有表達并扮演著重要作用：其中AQP1在眼、腎、心肺、胃腸、唾液腺、肝、肌肉、脾臟等器官中均有表達；AQP4在腎、唾液腺、心臟、胃腸道、肌肉上被檢測到存在；AQP9肝脾、睪丸、卵巢及白細胞上也有存在。AQP1在內皮細胞中，介導進入內皮細胞的NO，通過控制NO的水平、生物利用度和擴散距離來調節(jié)血管張力和血壓[44]；根據在胃腸道位置推測，AQP1在黏膜與血流之間的水轉運起吸收作用，可能參與脂肪消化等過程[45]；缺失AQP1或AQP4的小鼠會引起尿濃縮缺陷[46]，也可導致眼壓下降和房水產生速度減少[47]，另外，AQP1可延緩腎囊腫的發(fā)生[48]；AQP9被證實為肝臟中唯一的甘油通道，AQP9缺失小鼠有明顯的高甘油血癥和高甘油三酯血癥[49]；AQP9在皮膚的抗菌防御和屏障通透性功能中發(fā)揮作用[50]。

5 展 望

隨著時間的推移及科技的進步，AQP家族不斷壯大，其生理學機制及在疾病中的作用也逐漸被人們發(fā)現(xiàn)和了解。許多科學家一直在研究一些AQP表達的特異性上調以及它們參與腦水腫形成的機制。有人認為AQPs可以成為治療腦部疾病的重要靶點[51]。 然而，我們還未完全理解CNS中所有AQPs的生理學和病理學意義?？紤]到AQPs在腦部疾病中的重要性，我們仍需進一步研究。這將有助于疾病的診斷，監(jiān)測疾病進展，其次，確定AQPs功能的調節(jié)劑，在相關疾病領域進行干預，可為疾病治療提供更多方案。