水通道蛋白2的研究进展

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  摘要:水通道蛋白-2(AQP2)主要表达在肾脏组织,起着肾脏对水转运的重要功能。AQP2参与了许多疾病的病理过程,如多囊肾、尿崩症。AQP2可能为泌尿系统疾病提供更有效的治疗新途径。
   关键词:水通道蛋白-2;泌尿系统;
  水是生命存在的先决条件。水分子是极性分子,这使得它们能够非常容易地彼此间形成氢键以及与其它分子形成氢键。作为极好的溶剂,它们适合于各种极性物质存在于细胞中。水提供围绕生物聚合物的带电基团的溶剂壳,这些溶剂壳是蛋白质生物活性所必需的[1]。水占人类体重的70%,在新生足月婴儿,总水分占体重的75%,早产儿更高,可达80-85%[2]。细胞外和细胞内水含量之间的比率在产后期变化显著。出后后不久,体内水含量迅速减少,这种降低主要是细胞外水含量的减少。水含量的变化引起了广泛的关注。1988年Perter Agre及其同事在红细胞膜上及肾小管中偶然发现的,一种分子量为28000的完整跨膜蛋白,1991年这种蛋白被克隆并命名为CHIP28(channel-forming integral protein),也就是现在的AQP1。随着AQP1的发现,其它AQPs也相继被被发现及克隆。迄今为止,已经发现AQPs广泛存在于细菌、植物及动物中,在哺乳动物组织中已经发现有13种AQPs存在[3],其中,分布在肾组织的AQPs至少有8种[4]。AQPs的发现不仅从分子水平上揭示水跨膜转运调节的机制,而且也揭示水平衡在遗传性及获得性疾病时的病理生理机制,证实其与人类许多疾病密切相关[5]。尿液浓缩稀释功能主要由肾脏集合管(CD)主细胞的水通道蛋白2(AQP2)完成。肾脏的集合管可重吸收水,排K+,H+和NH3,而AQP2是肾脏集合管表达的主要的水通道蛋白,对尿液浓缩和维持体液的酸碱平衡起着重要作用。本文对AQP2的结构、分布、功能、表达及在泌尿系统疾病中作用的研究进展作一综述。
  AQP2的分子结构
   AQP2由Fushimi在1993年克隆并确认的水通道蛋白家族中的一种[6]。水通道蛋白是一类高度保守的蛋白,各亚型之间具有相似的结构,目前对水通道蛋白的研究大多以AQP1作为模型。AQP2属于主要内源性的蛋白质(major intrinsic protein,MIP)家族的一员,和AQP1有同源性,具有类似的结构,由前后重复的氨基酸序列组成的四聚体的形式存在于质膜上,其氨基酸端和羧基端均位于细胞膜的胞质侧,呈沙漏状。每个单体都是一个独立的功能单位。其基本结构是一个单肽链,每个单体肽由271个氨基酸组成,以螺旋结构跨膜6次,在质膜两侧形成5个线性的环(LoopA、B、C、D、E),连接跨膜区的B、E两襻含有高度保守的氨基酸序列,其中的天冬氨酸-脯氨酸-丙氨酸(Asn-Pro-Ala,NPA)的重复串联序列[7]是大部分水通道蛋白中构成孔道中心的序列,这个特异的序列在三维结构上位于通道的核心。Preston等[8]发现,两个NPA序列在空间上围绕通道中轴呈点对称分布,形成具有高度选择性的水通道,只允许水分子跨膜运输而不允许带电质子或其他离子通过。而新近发现AQP11、AQP12亚型中仅含有一个NPA序列[9],通道的另一侧分别由天冬氨酸-脯氨酸-半胱氨酸(Asn-Pro-Cys,NPC)和天冬氨酸-脯氨酸-苏氨酸(Asn-Pro-Thr,NPT)的氨基酸序列组成。
  AQP2在肾脏的分布及作用
   AQP2分布于肾脏集合管主细胞管腔膜和靠近管腔膜下的胞浆囊泡内,与血浆ADH水平呈正相关,是ADH调节集合管水通透性的靶分子,是血管加压素依赖性水通道,是调节肾脏集合管对水通透性的主要水通道蛋白,在调节肾脏水平衡中起重要作用[10-11]。
  AQP2的调节
   研究表明,AQP2是血管加压素(AVP)依赖性水通道蛋白,是集合管水通透性进行调节的主要对象,加压素通过改变集合管主细胞对水的通道性进行调节。其调节主要有两种方式,即短时调节机制和长时调节机制[12-13]。
   短时调节机制有:(1)囊泡穿梭假说:体外研究显示给于加压素后数分钟内即可观察到鼠肾集合管水通透性增加。研究证实,当AVP水平升高后,细胞质的囊泡与管腔面的细胞膜融合,AQP2通过出胞运动移至管腔游离面细胞膜,使AQP2蛋白在集合管细胞顶质膜与囊泡的比值增加,对水的通透性升高,而撤除血管加压素则AQP2又重新形成囊泡回到细胞内,管腔侧细胞膜上AQP2数量减少,比值降低。(2)蛋白磷酸化作用:肾脏集合管主细胞上存在血管加压素受体V2,与AVP特异性结合后,激活腺苷酸环化酶而产生cAMP,后者作为第二信使激活蛋白激酶A,再激活AQP2,进而导致水通透性升高。(3)两者的协同作用。
   长时调节机制:肾脏集合管主细胞上存在AVP受体V2,当血中AVP浓度升高后,能与V2特异性结合,使V2受体活化,与G蛋白结合并使之构象发生改变,GTP取代与G蛋白的α亚基结合的GDP,α亚基与β亚基分离,成为活化状态的α亚基,结合并活化腺苷酸环化酶(AC),AC使ATP水解生成cAMP,使胞浆中的cAMP含量升高,后者使蛋白激酶A(PKA)活化,AQP2基因系列的5′端启动子有cAMP反应元件。PKA使cAMP反应元件结合蛋白磷酸化,后者识别、结合cAMP反应元件,促进AQP2基因转录。在这一过程中AQP2mRNA水平的改变非常迅速,但AQP2蛋白水平的改变速度相对缓慢。Hasler等[14]对这一现象作出了解释,提出AQP2的长时调控是通过转录后调控实现的。
  AQP2与肾脏疾病
   1.肾性尿崩症(nephrogenic diabetes insipidus,NDI):新近研究发现某些常染色体隐形遗传性NDI有AQP2基因突变,突变的AQP2蛋白缺乏在细胞内的转运功能,是肾脏对AVP发生抵抗而排出大量稀释尿,表现为肾性尿崩症。在对Maxican市一患有NDI的家族调查中发现30%的人为AQP2基因V168M杂合突变,而1%为V168M纯合突变。模拟人AQP2常染色体隐性突变型AQP-T126M建立的尿崩症转基因小鼠模型,突变AQP2-T126M造成AQP2蛋白滞留在集合管上皮细胞的内质网中,不能表达到顶质膜,阻断了集合管的高效跨上皮水转运途径,导致严重的尿浓缩障碍致突变小鼠严重脱水,在出生1周内死亡。从而揭示了NDI的细胞生物学基础,因而对NDI的治疗找到了新的途径。    后天性NDI临床更为常见,常继发于长期锂摄入、低钾血症或输尿管梗阻,均可使AQP2的表达下调。Marples研究发现,大鼠长时间喂养锂后,其肾脏内髓AQP2数量减少,禁水、外源性加压素和停止锂的摄入可使AQP2表达增加;在锂引起的尿浓缩缺陷的患者体内发现,水负荷情况下对AVP反应的cAMP产生受到破坏。但应指出,上述病因不是造成尿崩症患者尿液浓缩能力障碍的唯一因素。因为尿液浓缩取决于集合管水转运和髓质溶质集聚形成渗透两个过程。而其中任何一个过程受损都可导致尿浓缩功能障碍。用缺钾饮食诱发的大鼠低钾性肾性尿崩症模型中,免疫组化发现,AQP2在CD节段上皮的分布明显降低,证明AQP2在后天性NDI中细胞顶质膜分布减少,与AQP2表达下降呈正相关。FroKiaer等发现去除双侧梗阻的输尿管大鼠伴有明显的AQP2表达持续下调,同时形成持续多尿,提示尿浓缩功能障碍主要与AQP2表达减少有关。
   2.中枢性尿崩症:研究中枢性尿崩症Brattleboro大鼠发现,由于血中加压素持续处于低水平,肾脏AQP2的表达显著减少。因而,中枢性尿崩症实际上伴有由AQP2减少引起的“生理性”的肾性尿崩症[15]。
   3.多囊肾(Polycystic kidney disease,PKD):PKD是一种常见的常染色体显性遗传性疾病,以双侧肾脏肾小管形成多个进行性增大的囊肿为主要特征,是终末期肾衰的主要原因之一。在其晚期的患者中,有2/3的囊内可发现AQP1或AQP2,而同一囊内两种亚型不同时存在,并且这些表达随多囊肾病情进展程度而下降。研究证明,多囊肾形成过程中,囊腔液中cAMP浓度异常增高,cAMP依附的氯离子等通道持续开放,Cl-、Na+和水分子向囊肿内持续过程,造成积液增多和囊肿不断增大,使肾脏体积增大并压迫肾实质,造成肾功能损害。由此可见,尽管AQP1、AQP2不是本病的原发病因,但它们广泛存在于病变的肾小管上皮细胞内,在多囊肾水分子持续跨膜转运中起着重要作用。
   4.肾功能衰竭(RF)时尿浓缩缺陷:大量资料证明急慢性RF常伴有多尿和肾脏浓缩功能障碍。动物实验已经证明,肾缺血后近曲小管CD段AQP2表达明显下调,与尿浓缩功能损伤相一致。实验研究表明,钳夹大鼠双侧肾动脉60min造成急性肾功能衰竭,2~7天后AQP2表达均下调。AQP2表达减少可能是导致急性肾功能衰竭后尿液浓缩障碍的重要原因之一。随着AQP2表达量的增加和降低,肾功能指标血肌酐、尿素氮等也出现好转和恶化,具有一定的相关性。故AQP2可能也是急性RF时反应肾功能变化的重要指标[16]。
   5.稀释性低钠血症:抗利尿激素异常分泌综合征(SIADH),伴有低钠血症的肾病综合征及充血性心力衰竭、肝硬化腹水时,均有AQP2 mRNA表达上调,从而导致这些病例情况下,肾脏对水的重吸收增加。
   综上所述,随着人类对AQP2结构及功能的深入研究,不仅从分子水平上对肾脏水转运的机制有了更为透彻的理解,而且还将促进人类对某些肾脏疾病,如多囊肾、尿崩症、急性功能衰竭时尿浓缩功能障碍等发病机制的进一步认识,从而为临床更有效的治疗提供理论依据。
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