水通道蛋白1在哺乳动物体内的分布及功能_蔡倩倩

解剖科学进展　Progress of Anatomical Sciences　2012 Sep,18(5):469~472

水通道蛋白1在哺乳动物体内的分布及功能

*蔡倩倩，高俊英，谭美芸，肖　明

（南京医科大学人体解剖学系，江苏 南京 210029）

【摘要】　水通道蛋白1（aquaporins1，AQP1）是参与水分子跨膜转运的重要膜通道蛋白家族成员之一，广泛分布于各组织中，在机体物质代谢和水平衡中起着重要的作用。本文就AQP1在哺乳动物各组织中的表达和分布及其参与脑脊液的产生、细胞生物学特性的调节和感觉传导等方面相关功能的研究现况和进展作一综述。

【中图分类号】　Q 469 【文献标识码】　A 【文章编号】　1006-2947（2012）05-0469-04

【收稿日期】 2011-12-05

【基金项目】国家自然科学基金资助项目 ( Ky1010121091111127 )*通讯作者（To whom correspondence should be addressed）

Distribution and function of aquaporin 1 in the mammalian body

*CAI Qian-qian, GAO Jun-ying , TAN Mei-yun, XIAO Ming

( Department of Anatomy, Nanjing Medical University, Nanjing 210029, China )

【Abstract】　Aquaporin1 (AQP1), one of the most important water-transport membrane channel protein family members, is extensively distributed in various tissue and contributes to the maintenance of metabolism and water balance. In this review, we summarized the localization and expression of AQP1 in different tissues in the mammalian body and recent progress of its role in the cerebrospinal fluid production, cellular biological characteristic modulation and sensory transduction.

Agre研究小组（1988）在分离红细胞膜、纯化RT-PCR、原位杂交，组织化学、免疫电镜、Rh多肽时发现了一个28kDa的疏水性跨膜蛋白，并Western blot等方法的研究从基因和蛋白水平证实于1991年完成了对该蛋白的cDNA克隆，分析得出其AQP1在哺乳动物体内的分布。结果表明AQP1广泛是由269个氨基酸组成的多肽序列，他们将之命名为分布于直接参与液体平衡调节的组织和细胞，如肾[1,2]单位的近端小管和髓袢降支细段上皮细胞的顶质CHIP28（28kDa的通道样整合膜蛋白）。由于其在膜、红细胞膜、肺泡上皮细胞、毛细血管内皮细红细胞膜表面的表达量较高，而红细胞对水分子有胞、肝胆管、胆囊、睫状体和晶状体上皮以及角膜高度通透性，因而推测该蛋白可能参与水分子的跨内皮细胞的顶侧和基底侧膜以及脉络丛上皮细胞的膜转运。为此，他们将非洲爪蟾的卵母细胞转染[4, 5]CHIP28 RNA后发现其对水的通透性增加，从而证实顶膜。不仅如此，在神经组织中也发现了AQP1的[3]表达与分布。如鼠类的三叉神经节、背根神经节中CHIP28参与水分子的跨膜转运。1997年国际基因组[6]将这种蛋白正式命名为水通道蛋白1（aquaporin 1， 部分初级感觉神经元；人类的脑内星形胶质细胞除[7]AQP1）。Arge也因此获得2003年的诺贝尔化学奖。了表达AQP1 外，也表达AQP4。人类内脏神经丛内[8]的胶质细胞和坐骨神经轴突亦表达AQP1。1　AQP1在组织中的表达与分布

2　AQP1在脑脊液的产生过程中起重要作用

AQP1作为第一个被发现的水通道蛋白，在机体多种组织细胞上均有表达，在与体液产生和循环密大量的研究表明AQP1在脑脉络丛上皮细胞上特切相关的上皮细胞与内皮细胞中含量尤其丰富，在异性分布，并参与脑脊液的产生和循环过程。来自[9]水转运和平衡方面起重要作用。一系列基于免疫、

Oshio等的研究表明AQP1基因敲除小鼠脑脊液的生成较野生型小鼠有所减少，减少量为20%-25%。这一数据表明，脉络丛参与60%-80%脑脊液的生成，脉络丛外的脑实质细胞辅助这一过程，当前者结构

和功能障碍时，后者对脑脊液的产生发挥重要的代易化作用最先在黑色素瘤的血管内皮细胞中首次报[10]1 [20]偿作用。关于这一过程的佐证还来自于Milhorat等道。后续实验进一步证实AQP1能协助肿瘤细胞的[21]的研究结果，他们移除猴子的脉络丛2-6个月后，发迁移和扩散。

现脑脊液减少了31%。值得注意的是，当特异性表现已明确，AQP1特异性地表达在迁移细胞运动达于脑室管膜和星形胶质细胞突起上的AQP4基因敲方向的前缘，参与构成细胞运动过程中的突起，在[12][23]除后，小鼠脑脊液的产生量也较野生型减少25%。细胞迁移过程中起着定向作用。在AQP1缺失的细此外，来自Masseguin等的行为学实验结果表明，太胞其细胞膜形成的突起明显减少，移行速率也有所[24]空飞行或倒立悬挂2周下调大鼠脉络丛上皮细胞顶部减缓。但是关于此过程的具体机制，目前仍不十+

+

--

AQP1表达量，反之，当再适应地球的重力或停止悬分清楚。有学者推测由于AQP1与Na /H 和Cl /HCO3[13]挂2天后，AQP1的表达即恢复至正常水平。产生这共存，且位于移行细胞前缘，因此，在细胞迁移一现象的原因可能是在失重或倒立状态下，改变了时，AQP1表达上调，使大量水分子进入细胞，增加脑脊液容量，导致AQP1代偿性地表达下调以适应脑局部的静水压使细胞形成突起，从而为肌动蛋白的[23][25] 脊液的容积变化。

聚合提供空间，推动细胞的移行。Monzani等在此外，关于AQP1参与气体分子的转运也有报人类黑色素瘤细胞系和微血管细胞系的研究中发现[14]道，Endeward等研究发现AQP1在人类红细胞中参当AQP1基因敲除后，可出现细胞内肌动蛋白骨架形与了60%的二氧化碳跨膜转运。另外，AQP1对一氧成受阻，导致细胞形变明显受阻，而在野生型细胞[15]化氮也可通透。进一步研究发现，水通道蛋白对中，丝状肌动蛋白如常优先在细胞膜运动方向的前气体的转运具有选择性，而这种选择性可能并不是缘聚集，使该处细胞膜形成伪足，从而驱动细胞的由于通道本身的大小与转运分子如H O，CO NH 迁移。此外，靶向人类星形胶质细胞的离体研究表223的直径相匹配，很有可能是由于转运分子的化学结明AQP1基因敲除后，该类细胞的迁移速率减缓了构或它们的单体空隙与水通道蛋白多聚体的中心空70%，而AQP1基因转染后，该细胞的迁移速率增至[16][26]隙相互匹配相关。

野生型的两倍。

然而，对细胞迁移过程中诱导AQP1上调的具体信号通路并不明确，有研究表明MAPK信号通路可能3　AQP1影响并调节细胞的生物学特性

[27]在AQP1表达上调中起着重要作用。当用特异性的AQP1通过影响细胞的增殖、迁移和凋亡等多个抑制剂阻断该信号途径中的任一胞外信号调节蛋白过程的多个环节进而调节各类细胞，特别是肿瘤细激酶时，AQP1的表达明显下调。由此推测富于侵袭胞的生物学特性。

性的肿瘤细胞中的AQP1上调可能是由于MAPK信号众所周知，肿瘤细胞的无限增殖和永生化是其转导通路调节障碍引起的。

难以抑制和根除的重要原因之一。目前已发现凋亡即程序性细胞死亡，是一种普遍存在的生AQP1在肺癌、胶质细胞瘤、黑色素瘤、脑转移瘤和理性过程。其中，细胞皱缩现象是这一过程的始发[17, 18]成血管细胞瘤组织中高表达。在肿瘤细胞增殖过事件，该过程与细胞内外液体渗透压失衡，细胞内[29]程中需要外界提供足够的能量，并不断吸收水分以液外流密切相关。在正常情况下，成熟健康的细维持自身的新陈代谢，在此过程中，水分大量的进胞能针对渗透压的波动，合理高效的调节自身液体出细胞从而造就细胞内外的离子浓度差是物质能量容量，从而维持细胞内外体液平衡。在凋亡诱导的运输和代谢的始动环节。富含AQP1的肿瘤细胞可通细胞容积减少过程中，细胞皱缩，水分和离子尤其++-过细胞内外水的快速转运和重分布来满足自身对能量是一些单价离子如K ，Na 及Cl 丢失。有研究显示在[19][20]+-的需求，以维持细胞的生存活性。Saadoun等将黑细胞凋亡之前，AQP1、K 通道、Cl 通道的表达均发[28]色素瘤细胞植入AQP1敲除小鼠后，其微血管增殖减生了变化。此时位于胞膜表面的AQP1蛋白处于灭缓，肿瘤失去了血供，不足以维持正常的新陈代谢活状态，阻止水分的内流以及后续启动的修复过而广泛坏死。与此相反，AQP1的过度表达则可以加程。研究发现，AQP1与小窝蛋白在细胞膜上共表[21]速肿瘤细胞的恶变。

达，后者在细胞质膜微囊形成、胆固醇的运输、信号细胞迁移过程中同时有离子通道以及转运体的分子的灭活过程中均起着重要作用。当细胞凋亡时，[18] 参与，它们受肌动蛋白丝的调节，共同参与细胞容小窝蛋白与AQP1之间的结合更加紧密。Jablonski等[22]积的维持，促进细胞迁移。AQP1对于细胞迁移的

对颗粒细胞、胸腺细胞进行水肿程度测定，发现皱

[1]

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缩凋亡的细胞对水分子的通透性减小，而且AQP1与[1] Preston GM, Agre P. Isolation of cDNA for erythrocyte integral 肿瘤坏死因子受体在凋亡诱导的细胞容积减小前后membrance protein of 28 kilodaltons:member of an ancient channel 共表达。这表明AQP1介导的水分丢失与凋亡诱导的family[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1991, 88(24): 1110-1114.

细胞容积减少以及下游凋亡事件的发生密切相关。[2] Denker BM, Smith BL, Kuhajda FP, et al. Identification, purification, and partial characterization of a novel Mr 28,000 integral membrane protein from erythrocytes and renal tubules[J]. J Biol Chem, 1988, 4　AQP1在感觉传导过程中的作用

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觉神经节、嗅球和脊髓背角等部位检测到AQP1的表[4] Matsuzaki T, Hata H, Ozawa H, et al. Immunohistochemical 达，这恰好与大部分皮肤传入神经进入脊髓的发育localization of the aquaporins AQP1, AQP3, AQP4, and AQP5 in the 时间相吻合，此外，该研究结果还表明AQP1主要分mouse respiratory system[J]. Acta Histochem Cytochem, 2009, 42(6): 布于背根神经节小型神经元和脊髓痛觉传导有关的159-169.

[7][5] Skowronski MT, Kwon TH, Nielsen S. Immunolocalization of 第1-2板层。在超微结构水平上的研究发现AQP1主aquaporin 1, 5, and 9 in the female pig reproductive system[J]. J 要位于无髓鞘轴突的胞膜，而在有髓鞘的轴突胞膜Histochem Cytochem, 2009, 57(1): 61-67.

上表达的量则较少。由此可见，AQP1可能参与感觉[6] Shields SD, Mazario J, Skinner K, et al. Anatomical and functional

analysis of aquaporin 1, a water channel in primary afferent 传递，特别是在痛觉传导的过程中起重要作用，但[24]neurons[J]. Pain, 2007, 131(1-2): 8-20.

目前学术界对此结论尚存在争议。

[7] Satoh J, Tabunoki H, Yamamura T, et al. Human astrocytes express

[30]Oshio 等的研究结果显示，在疼痛发生的过程aquaporin-1 and aquaporin-4 in vitro and in vivo[J]. 中AQP1与介导这一过程的P物质共表达。AQP1敲除Neuropathology, 2007, 27(3): 245-256.

[8] Gao H, He C, Fang X, et al. Localization of aquaporin-1 water

后，给予不同性质的刺激，小鼠的痛觉传导受到不channel in glial cells of the human peripheral nervous system[J]. 同程度的影响，在热刺激作用的初期基因敲除小鼠Glia, 2006, 53(7): 783-787.

对热刺激反应的潜伏期就较野生型小鼠长，随着刺[9] Oshio K, Watanabe H, Song Y, et al. Reduced cerebrospinal fluid

激强度的增加，两组小鼠的潜伏期均明显缩短，但production and intracranial pressure in mice lacking choroid plexus water channel aquaporin-1[J]. FASEB J, 2005, 19(1): 76-78.

AQP1敲除小鼠的潜伏期始终长于野生型小鼠。但是[10] McComb JG. Recent research into the nature of cerebrospinal fluid

机械刺激结果却显示，两组间并无明显差异。注射formation and absorption[J]. J Neurosurg, 1983, 59(3): 369-383.辣椒碱后评估其对化学刺激的反应性，结果显示，[11] Milhorat TH, Hammock MK, Fenstermacher JD, et al. Cerebrospinal

注射辣椒碱后，AQP1敲除小鼠舔爪子的时程明显短fluid production by the choroid plexus and brain[J]. Science, 1971, [30][6] 173(994): 330-332.

于野生型小鼠。与之相反，Shields等在对AQP1在[12] Li X, Kong H, Wu W, et al. Aquaporin-4 maintains ependymal

痛觉传导通路上的作用的研究中发现虽然坐骨神经integrity in adult mice[J]. Neuroscience, 2009 162(1): 67-77.

横断损伤后，背根神经节中的AQP1表达显著上升，[13] Masseguin C, Corcoran M, Carcenac C, et al. Altered gravity

但在后续的行为学电生理和疼痛试验中野生型及downregulates aquaporin-1 protein expression in choroid plexus[J]. J Appl Physiol, 2000, 88(3): 843-850.

AQP1敲除小鼠在对痛觉的反应上并无显著差异，这[14] Endeward V, Musa-Aziz R, Cooper GJ, et al. Evidence that

说明AQP1对两组痛觉耐受的阈值无影响，造成这种Aquaporin 1 is a major pathway for CO2 transport across the human 偏差的原因尚不清楚。

erythrocyte membrane[J]. FASEB J, 2006, 20(12): 1974-1981.

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展望　AQP1作为细胞膜上的一种快速转运水的cell membranes[J]. Hypertension, 2006, 48(1): 157-164.

通道，其在维持机体细胞内外及血管内外液体平衡[16] Musa-Aziza R, Chena LM, Pelletiera MF, et al. Relative CO2/NH3

中起关键作用。AQP1在肿瘤细胞增殖、迁移和凋亡selectivities of AQP1, AQP4, AQP5, AmtB, and RhAG[J]. Proc natl 中的作用可作为肿瘤干预新的靶标，但是其具体的Acad Sci U S A, 2009, 106(13): 5406-5411.

[17] Hoque MO, Soria JC, Woo J, et al. Aquaporin 1 is overexpressed in

作用机制和下游的分子信号事件还有待于进一步阐lung cancer and stimulates NIH-3T3 cell proliferation and anchorage-明。此外，鉴于该蛋白在神经系统表达分布的时空independent growth[J]. Am J Pathol, 2006, 168(4): 1345-1353.

特异性，可能参与了感觉特别是痛觉的传导，但其[18] Chen Y, Tachibana O, Oda M, et al. Increased expression of

具体作用有待于进一步明确和细化。进一步阐明aquaporin 1 in human hemangioblastomas and its correlation with cyst formation[J]. J Neurooncol, 2006, 80(3): 219-225.

AQP1在人类疾病中的作用，将有助于更好地指导临[19] Saadoun S, Papadopoulos MC, Davies DC, et al. Increased

床实践。

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