水－甘油通道蛋白7基因（AQP7）的研究进展

潘 虹，杨东英，陈 宏

（1.西北农林科技大学动物科技学院，陕西省农业分子生物学重点实验室，陕西 杨凌712100；2.德州学院生物系，山东 德州253023）

水通道蛋白家族是一个普遍存在于微生物、植物、及动物界的运输水分的跨膜蛋白，它不仅可以在渗透梯度的推动下透过细胞膜进行水的运输，而且其个别家族成员还参与甘油、尿素和某些无机离子的运输［1］。研究者Peter Agre及其合作者偶然在红细胞膜上发现28kD的疏水性跨膜蛋白—水通道蛋白1（AQP1），并在非洲爪蟾卵母细胞表达系统中证实了其水通道功能［2～4］。这一发现从分子水平揭示了水快速跨膜转运调节的基本机制，Peter Agre也因此获得了2003年诺贝尔化学奖。迄今为止，在哺乳动物中，经分子克隆发现了13个水通道蛋白家族成员（AQP0－12），按其转运功能划分为两个亚家族：即水通道蛋白亚家族（Aquaporin，包括AQP0、AQP1、AQP2、AQP4、AQP5、AQP6、AQP8及AQP11）和水－甘油通道蛋白亚家族（Aquaglyceroporin，包括AQP3、AQP7、AQP9、AQP10及 AQP12）［5］。1997年，水－甘油通道蛋白7基因（AQP7，也叫AQPap7）几乎同时分别从人类的脂肪组织cDNA和大鼠睾丸组织cDNA中克隆得到［6，7］。之后大量研究发现，AQP7是脂肪细胞唯一的水甘油通道蛋白［8］，它与机体脂肪细胞、脂肪组织的形态、生理变化及肥胖的形成密切相关，还在保持机体能量平衡和葡萄糖稳态方面中发挥着重要作用，同时与糖尿病、脂肪肝、动脉粥样硬化等糖脂代谢疾病的发生有关。

1 AQP7的结构与分布

人类的AQP7基因定位于9号染色体（9q13），基因全长18kb，由八个外显子组成，编码342个氨基酸［9］。AQP7不同于该家族其他基因，它在不同物种之间的保守性很低，人的此基因的氨基酸序列同小鼠和大鼠相比较相似性分别为68%和67%，造成以上保守性低的可能原因是选择性剪接［9，10］。

AQP7与其它的膜蛋白相同，具有6个公认的跨膜片段及3个胞外环和2个胞内环，氨基和梭基末端位于胞内。其蛋白通道的结构里都含有两个高度保守的天冬氨酸－脯氨酸－丙氨酸序列（Asn－Pro－Ala，NPA），这两个序列形成一种具有“砂漏”形状的孔状通道，供水分子双向通过，每4个通道又以四聚体的形式横跨在细胞浆膜上［10］。

研究发现在哺乳动物中APQ7除在脂肪细胞大量表达外［6］，还在肾脏［11］、睾丸［7］、免疫系统［12］、心脏［13］、内耳［14］、骨骼肌［15］、子宫［16］等组织器官中有不同程度的表达。

2 AQP7的主要生物学功能与调控

AQP7在白色脂肪和棕色脂肪中大量表达［17］，而白色脂肪是身体最大的储能器官，全身脂肪95%以上是以甘油三酯的形式储存。在机体需要能量时，贮存在脂肪细胞内的甘油三酯在激素敏感脂肪酶和其他酶的作用下分解为游离脂肪酸及甘油，一起释放入血液，而AQP7在脂肪中除通透水分外，其主要作用就是将甘油从脂肪细胞内运转出来释放入血液［17，18］。在脂肪细胞中，AQP7主要分布在细胞核的周围。当脂肪分解时，组织肾上腺素释放增加，再通过AC－cAMP－PKA途径促进 AQP7从细胞核周围向细胞膜上转移，形成跨膜的四聚体，进而发挥介导甘油出胞的作用［18］。

研究发现，人在剧烈运动过程中，由于能量需求增加，促进脂肪动员，AQP7在脂肪细胞中的表达升高，甘油输出增加，血浆中甘油浓度增高。人类AQP7基因突变者虽然没有发现肥胖表型，但其在剧烈运动后血浆中甘油水平却并没有相应增加，从而表明AQP7的突变影响了运动后血浆中甘油浓度［9］。此外在对10种灵长类动物（包括人类）之间基因复制数量的差异研究中发现，AQP7特异地在人基因组上有5个重复，从进化的角度提示AQP7可能与人类高效的甘油转运能力有关，从而有助于揭示为什么人类进化出长跑耐力［19］。以上研究从另一个角度提示AQP7通过介导甘油转运参与体内的能量代谢。AQP7的表达受多种因素的调节。当脂肪水解加速如禁食、胰岛素缺乏等情况下，AQP7 mRNA的水平会伴随进食而下降，禁食后又会上升。同时发现，AQP7mRNA的变化与血浆甘油的水平变化平行，但是与血浆中胰岛素的水平变化却相反，这说明胰岛素可能会抑制AQP7mRNA的表达［20］。研究者对人类脂肪AQP7基因启动子结构预测后发现PPRE元件和IRE元件，在对其进行功能性突变进一步验证了转录因子PPARγ和胰岛素对AQP7表达起着重要的调控作用［9，21］。进一步研究发现，对3T3－L1细胞分别给予PPARγ外源性配基（TZD）进行干预后，AQP7mRNA 的表达升高［22，23］。最新研究发现，在人的肾脏肾近曲小管细胞中，PPARγ激动剂通过糖皮质激素诱导的蛋白激酶1（Sgk－1）介导的通路对AQP7基因发挥上调作用［24］。

3 AQP7基因的研究现状

3.1 AQP7与肥胖

为了加深对AQP7基因在脂肪代谢中的功能的了解，已经有4个研究组采用了不同的敲除策略对不同品系的小鼠进行了AQP7敲除实验。各个研究组观察到的敲除鼠的表型也有所不同，其中最明显的差异在于敲除鼠对肥胖的易感性，有两个研究组发现AQP7的缺失与肥胖相关，而另外两个敲除鼠中却未见相关表型。Hara－Chikuma等［18］发现16周龄AQP7缺陷小鼠与正常小鼠体重虽没有明显差别，但身体相对短小，体内脂肪含量是正常小鼠的3.7倍，并且脂肪细胞出现肥大，且发现AQP7缺陷小鼠对甘油的运输速度仅为正常小鼠的三分之一，但脂肪水解却无明显变化，脂肪细胞中甘油、脂肪酸、甘油三酯明显升高，而血清中相应指标却无明显差异。以上结果说明，脂肪细胞的肥大是由于甘油释放受阻导致在细胞中积累，进一步使脂肪生成增多的缘故。Hibuse等［25，26］也发现10周之前 AQP7敲除鼠体重与正常小鼠无明显区别，但从12周开始却出现显著的差异。在供给相同食物的前提下，AQP7缺陷小鼠体重和脂肪质量增加的速度较正常小鼠明显加快，并且脂肪细胞的体积明显增大，细胞中脂肪积累量也明显增加，血清甘油含量降低。他们进一步研究还发现，当脂肪细胞中的甘油输出受阻时，甘油积累于脂肪细胞中导致甘油激酶的活性上升，使3－磷酸甘油的生成增多，从而生成更多甘油三酯而导致肥胖。此外，Marrades等［27］比较了肥胖者和体瘦者腹部皮下脂肪中AQP7的mRNA表达，发现肥胖者较体瘦者AQP7的mRNA表达明显减少。Ceperuelo－Mallafre V 等［28］也发现严重肥胖者脂肪细胞中的AQP7的表达水平较轻微肥胖者和体瘦者明显下降，血液中的甘油含量也明显偏低。以上研究证明AQP7的表达差异或者AQP7的功能障碍，可能是导致肥胖发生的一个重要原因。

3.2 AQP7与胰岛素抵抗

Matsumura K［29］等进行的 AQP7基因敲除鼠实验并未发现肥胖表型，但对其体内的代谢异常有新的观点。AQP 7基因敲除20周龄肥胖小鼠的糖耐量严重受损，血糖异常升高。以及胰岛素对脂肪、肝脏和肌肉组织的作用减弱。表现出与成年型肥胖相关的全身胰岛素抵抗的特点。在正常情况下，胰岛素抑制AQP7基因的表达。然而在胰岛素抵抗状态，脂肪组织中AQP7生成持续增加.因而肝脏葡萄糖生成异常增加，从而打乱葡萄糖平衡。进一步研究证明AQP7作为胰腺β细胞中唯一的水甘油通道蛋白，不仅是介导着一道细胞中甘油和尿素的进出，而且直接或者间接参与胰腺β细胞的刺激分泌，从而影响机体胰岛素的产生和分泌，进而影响敲除鼠的体内代谢［30～32］。

3.3 AQP7与其他疾病

大量研究证明脂肪中AQP7和肝脏中的AQP9在甘油运输过程中起着协同作用，脂肪细胞AQP7将脂肪动员等产生的甘油输送到血液。而肝脏细胞的AQP9则将血液中甘油摄取进入肝脏，二者协调完成了甘油由脂肪细胞到肝脏的运输过程。但是如果上述两种通道蛋白功能发生异常。比如AQP7功能下降或缺乏，而AQP9功能增强，则势必造成脂肪组织脂肪细胞中甘油无法释放出而引起脂肪合成增加并引起肥胖的发生。同时大量的甘油进人肝细胞引起脂肪合成增加，从而导致脂肪肝的形成［33～35］。

心脏作为机体的重要脏器，不仅需要葡萄糖和脂肪酸提供能量，还需要甘油提供能量。AQP7是心脏中唯一的水甘油通道蛋白，研究者在AQP7基因敲除的小鼠身上发现其心脏的甘油利用率和ATP含量比正常要低，虽然在正常情况下心脏的形态和功能都无明显差异，但在负重实验中，因为AQP7表达缺失导致心肌细胞甘油释放受阻，甘油在心肌细胞内蓄积，导致心肌细胞肥大，同时心脏可利用的甘油却减少，导致心肌供能不足，这些因素都有可能导致心室肥厚的发生甚至心衰的的发生［36，37］。

还有研究显示动脉粥样硬化与AQP7表达障碍也相关。脂肪细胞AQP7表达障碍会导致三酰甘油的蓄积，脂肪细胞出现功能障碍，进一步会激活ROS系统，促进炎症细胞释放炎症因子，同时引起血管内皮细胞迁移增多、血管内皮增厚，最终导致动脉粥样硬化的形成［38］。

3.4 AQP7在家畜上的研究进展

目前，国内外对AQP7基因的研究主要集中在人与鼠上，而在家畜上的相关研究还比较少。国内有研究对猪的AQP7基因的多态性进行检测发现6个SNPs，均处于内含子，在大白、长白、梅山以及大梅F2代资源家系进行了AQP7基因的基因型频率和等位基因频率分布以及多态性与脂肪沉积性状的相关性分析后，结果证明AQP7基因与猪的某些脂肪沉积性状都呈显著和极显著相关，进而为瘦肉型猪的标记辅助选择提供了的理论依据［39］。另外，西门塔尔和夏洛来牛群体中AQP7基因内含子和外显子均检测到突变，进行关联分析后发现AQP7基因的遗传多态性与一些精液品质指数有显著相关，可以作为提高种公牛精液产量与品质的候选基因［40，41］。

4 展望

在人以及鼠上的大量研究表明，AQP7基因与糖代谢、脂肪代谢等都有着密切的关系，还在保持机体能量平衡和葡萄糖稳态方面中发挥着重要作用。将其作为脂肪沉积候选基因在猪上的研究也进一步验证了其与家畜脂肪生产性状相关。而目前真正对家畜AQP7基因多态性及其与生产性能的相关性研究还比较肤浅，特别是对其在脂肪代谢和沉积的调节机制方面和家畜育种及生产实践中的应用尚属空白。因此将该基因作为家畜脂肪相关生产性状候选基因，运用现代分子生物技术对家畜APQ7基因功能进行探究，以期应用到家畜的分子育种中。此外，对AQP7基因功能的深入研究将为人类的一些相关疾病，包括肥胖、糖尿病、脂肪肝等，提供理论基础，也为更加有效的治疗开辟一个崭新的思路。

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