水通道蛋白家族在神经系统中的研究进展

王笑竹，李 浩，芮钱云综述，薛 群，2，3审校

水通道蛋白(Aquaporin，AQP)是一跨膜蛋白家族，主要调节体内水的转运，在神经系统、消化系统、泌尿系统、呼吸系统等多个系统中均有表达。在中枢神经系统(central nervous system，CNS)已经发现9种水通道蛋白，即AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP6、AQP7、AQP8、AQP9、AQP11，近年来，经研究认为AQP家族与多种神经系统生理病理过程和疾病机制有密切关系，其表达及含量的变化可影响某些神经系统疾病的发生发展。其中，AQP1、AQP4、AQP9的研究相对较多。通过深入研究AQP家族在神经系统疾病中的变化，有助于阐明相关疾病的发病机制，为神经系统疾病的诊断和治疗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，是一类具有水通透性的细胞膜转运蛋白，所有AQP具有相似的基本结构，由两个串联域组成，每个串联域包含三个跨膜a螺旋束和一个具有高度保守的天冬酰胺、脯氨酸、丙氨酸(NPA)基序的疏水环。自1988年Agre等[1]在红细胞膜上发现第一个AQP(AQP1)，迄今为止，已发现13种AQPs亚型(AQP0-12)[2]，它们广泛分布于生物体内。分布于脑组织的AQPs共有9种，介导中枢神经系统细胞内液、细胞外液、脑脊液、血液四个不同的水腔之间的水流动，这9种蛋白按照其功能分类，可分为水通道蛋白亚家族，包括：AQP1、AQP4、AQP5、AQP6、AQP8；水-甘油通道蛋白亚家族：AQP3、AQP7和AQP9；超水通道蛋白亚家族：AQP11。此外，AQP1、AQP2和AQP4在周围神经系统(peripheral nervous system，PNS)中也有表达。

将表达于中枢神经系统的9种水通道蛋白按照其氨基酸序列利用Mega3.0分析排列成进化树的形式(见图1)，可以观察到水通道蛋白家族的进化顺序及亲缘关系，其中AQP1、AQP4、AQP5、AQP6、AQP8的关系较接近，AQP3、AQP7和AQP9接近，AQP11独立于其他蛋白之外，这也与其功能即水通道、水-甘油通道和超水通道相吻合，证明了AQPs家族结构序列与功能结构的一致性。AQPs在脑水肿、肿瘤血管生成、自身免疫性疾病、胶质瘢痕形成和神经兴奋等众多方面发挥着作用(见表1)。本文按照AQPs的功能分类对其进行分别介绍。

图1 中枢神经系统的9种水通道蛋白进化树

1.1AQP1和AQP4

AQP1是一种高度保守的膜结合蛋白，基因定位于人染色体7p14，AQP1与大部分AQPs结构类似，以四聚体形式穿过细胞膜，每个单体有独自的水孔，二级结构为6个跨膜的单肽链和2个嵌入膜的短孔肽链串联序列[3]。AQP4有典型的AQPs折叠构型，不同的是其羧基端有特殊的短310肽链，ar/R区域有额外的球形密度区域。人类和小鼠AQP4有两个亚型与水转运相关，即M1和M23，它们形成的正交排列阵列(orthogonally arranged particles，OAPs)在水转运过程中具有重要作用[4]。AQP4在毛细血管、蛛网膜和软脑膜直接接触的星形胶质细胞及其终足上表达最为丰富，称之为极性分布，这也是AQP4在中枢分布最为显著的特点。

1.1.1 AQP1、AQP4与脑水肿 脑水肿是许多神经系统疾病(脑卒中、脑肿瘤、外伤性脑损伤、颅内感染等)常见的病理表现[5]，对脑疾病的发生、发展及预后起关键作用。脑水肿表现为脑组织含水量过多引起的脑体积增大、重量增加，通常包括血管源性水肿、细胞毒性水肿和脑积水。

Smith等[6]发现在脉络膜丛弥漫性绒毛增生引起的非阻塞性脑积水的患者中，脉络膜丛上皮细胞AQP1的免疫反应性较正常对照组明显减弱。术后，患者的脑脊液分泌过剩得到缓解，然而，与正常脉络膜丛相比，AQP1的表达还是明显减少。Akdemir等[7]利用免疫组化技术检测脑梗死后水肿大鼠模型的AQP1表达，发现表达于脑室脉络膜上皮细胞的 AQP1在24 h内减少，而在 48h后开始增加，说明AQP1在脑水肿的初期及进展中起作用，但具体机制仍需进一步研究。

AQP4在脑水肿中的作用已经通过使用AQP4敲除模型得到了广泛的建立。在人体许多引起脑水肿的疾病的水肿区域 AQP4表达上调，并且随着脑水肿的程度增加，提示AQP4的表达变化可能与水肿形成有关。AQP4缺失导致成年小鼠脑和脊髓基线水含量略有增加[8，9]这进一步支持AQP4可促进脑实质向脑血管，脑室的水流出。然而，也有证据表明AQP4负责快速水进入大脑。与水中毒，局灶性脑缺血或受控皮质冲击脑损伤后的野生型小鼠相比，AQP4缺失小鼠的脑肿胀减少，存活率提高。这些研究共同表明，AQP4是一种双向水通道，可促进水进出大脑。张衍等[10]研究发现大鼠脑出血后AQP4表达增多，依达拉奉通过抑制AQP4的表达减轻脑水肿。这些实验均提示了不同药物通过对脑水肿模型中AQP4的下调作用改善了脑水肿，这些也为临床治疗脑水肿患者提供了新思路。

表1 中枢神经系统中AQPs的染色体定位、分布、功能及相关疾病

注：染色体定位及分子量相关信息来源于www. expasy. ch

1.1.2 AQP1、AQP4与脑部肿瘤 近年来研究表明AQPs和癌症之间出现了惊人的联系：AQPs在肿瘤水肿、肿瘤细胞迁移、肿瘤增殖和血管生成等肿瘤相关过程中发挥重要作用。然而，机制仍不清楚。胶质瘤是中枢神经系统常见的恶性肿瘤。在脑肿瘤中，AQP1表达随着恶性程度的增加而增加，并与肿瘤血管的发生相关[11]。AQP1的沉默抑制了多形性成胶质细胞瘤的迁移和侵袭，血管的体外、体内发育，沉默AQP1可以抑制肿瘤的发生并降低相关侵袭性蛋白的表达，例如αvβ3整合素、基质金属蛋白酶-2和基质金属蛋白酶-9等[12]。基于这些发现，许多研究者认为AQP1抑制剂可以作为治疗这些脑疾病的潜在药物。

AQP4在星形细胞瘤和胶质母细胞瘤中上调。AQP4在细胞迁移和细胞-细胞粘附中的作用表明其参与促进胶质母细胞瘤细胞迁移，胶质瘤侵袭和胶质母细胞瘤细胞凋亡[13]。有趣的是，目前对于AQP4在恶性胶质瘤中的作用研究存在差异。Ding等使用药物抑制剂和小干扰RNA，证明了敲除AQP4可影响到胶质母细胞瘤细胞的迁移[13]。作者还证实AQP4参与控制胶质母细胞瘤细胞的侵袭和迁移，这可能是对胶质母细胞瘤细胞浸润的潜在治疗靶点。此前，McCoy等[14]发现，通过稳定地将AQP1或AQP4重新引入胶质瘤细胞系，实际上可以降低细胞的迁移能力，这与Ding等的研究结果不一致。这已被证明是通过增加细胞粘附性，而非通过增加细胞迁移和侵袭而造成的。McCoy研究小组的另一项研究表明，表达AQP4的胶质瘤细胞的侵袭能力明显低于表达AQP1的胶质瘤细胞。但目前证据仍表明AQP4是神经胶质瘤发生发展的关键分子。

1.1.3 AQP1、AQP4与变性疾病 阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD)是老年人中最常见的神经退行性疾病，其特征是Aβ斑块沉积，神经原纤维缠结，以及学习和记忆相关区域的神经元和突触丢失[15]。已有充分报道AQP1在阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(Parkinson’s disease，PD)等神经退行性疾病中发挥重要作用。在AD病例中，在富含Aβ的区域中通常不会观察到AQP1阳性星形胶质细胞，并且AQP1和Aβ42水平之间存在显著的负相关[16]。其机制可能是通过渗透发动模型中AQPs的水渗透介导的细胞迁移诱导，或者是水进入细胞导致其板状伪足的扩张。在AD患者和几种AD模型的脑组织中[17]，发现了活化的星形胶质细胞并伴有AQP4极化改变，表明其参与AD病理学。最近的一项研究报道，APP / PS1转基因AD模型小鼠中的AQP4基因缺失损害了脑实质的外源性Aβ清除，并加剧了与Aβ斑块沉积和突触蛋白丢失相关的空间学习减退和记忆缺陷[18]。这一发现为AQP4在AD发病机制中的关键作用提供了直接证据。目前累积的直接和间接证据表明，AQP4通过各种机制影响AD的发病和进展，如Aβ清除，谷氨酸转导，突触可塑性，Ca2+信号转导，神经炎症和神经营养因子分泌。

PD是一种临床表现主要包括静止性震颤、运动迟缓、肌强直和姿势步态异常的中老年人群中常见的中枢神经系统退行性疾病，目前大部分PD病因不明，多巴胺能神经元选择性丢失的机制也不清楚。Hoshi等研究表明AQP1和AQP4的表达反应性星形胶质细胞群可以改变PD患者新皮质中的α-syn沉积[19]。近年来多项动物研究显示，星型细胞的AQP4参与PD的发生过程，且多巴胺能神经元对毒素的敏感性取决于AQP4表达水平。Ofori等[20]进一步利用核磁共振弥散成像技术测定人脑黑质中自由水含量，发现PD患者黑质中有大量的自由水蓄积，其含量远大于正常对照组。且用于轻度认知功能障碍评定的MoCA 量表评分与黑质致密部自由水含量成正相关[21]。说明AQP4参与PD的病理生理过程。但是 AQP4的表达与PD形成及进展过程的具体关系需要进一步的研究。

1.1.4 AQP-4与视神经脊髓炎(Neuromyelitis optica，NMO) NMO是中枢神经系统的自身免疫性炎性疾病，多影响到脊髓和视神经。它通常被误诊为多发性硬化症，但最佳治疗方法不同。Wingerchuk等[22]发现 AQP4抗体为NMO的特征性抗体(AQP4-Ab)，这对NMO的早期诊断、鉴别及发病机制具有重大意义。目前被证实90%的NMO患者血清中均可检测到该抗体，AQP4-Ab作为NMO明确的致病性抗体，主要分布于微血管周围星形胶质细胞的终足、神经胶质界膜、脑室系统的室管膜、脑表面的软脑膜等处，外周血中的B淋巴细胞产生的AQP-Ab透过血脑屏障与特异性AQP-4结合，从而导致其缺乏，使得血管-神经单位丧失一定的完整性，血管周围的星形胶质细胞足突水肿，血脑屏障呈高通透性，释放炎性介质，继而引起NMO病灶处水肿的发生。此外，AQP4-Ab能够通过激活抗体依赖及补体依赖的细胞介导的细胞毒性作用，促进效应细胞聚集发挥毒性作用，进一步破坏血脑屏障，从而加重星形胶质细胞的损伤[23]。临床上利妥昔单抗应用于治疗NMO，并取得一定的治疗效果。利妥昔单抗直接攻击表达CD20分子的B淋巴细胞，从源头上减少AQP4-Ab的产生，从而达到治疗疾病的效果。AQP4-Ab发现提高了NMO的诊断准确率，并为疾病治疗提供了新的靶点。

1.1.5 AQP4与其他中枢神经系统疾病 癫痫(Epilepsy，EP)，是神经系统常见病，是以脑神经元异常放电引起反复痫性发作为特征的脑功能失调综合征，其治疗仍然是困扰医学界的一大难题。通过体内电刺激的方法，记录AQP-4基因敲除小鼠的脑电活动，发现AQP-4基因敲除小鼠的癫痫诱发阈值和癫痫耐受能力明显高于野生型小鼠[24]。也有研究[25]发现，在颞叶癫痫患者硬化的海马中AQP-4的表达明显升高。以上研究结果表明AQP-4表达的升高可能参与了癫痫的形成。AQP4表达异常可能影响细胞内外K+及水的平衡，从而可能通过调节星形胶质细胞功能来参与癫痫伴精神障碍的发生和发展。

抑郁症(Major depressive disorder，MDD)又称抑郁障碍，以显著而持久的心境低落为主要临床特征，是心境障碍的主要特征，多数患者有反复发作的倾向，每次发作可以缓解，部分可有残留症状或转为慢性。Rajkowska等[26]利用重度抑郁症患者脑组织标本，发现灰质区星形胶质细胞足突上AQP4免疫反应性明显减少。提示AQP4的功能改变与重度抑郁症的发生相关。Xia[27]研究发现在快感缺乏症小鼠中，皮质和海马区AQP4表达下调。这些研究提示AQP4的功能改变与重度抑郁症的发生相关。

肌萎缩侧索硬化症(Amyotrophic lateral sclerosis，ALS)病变的典型特征是围绕神经血管单位和神经胶质界限的星形细胞足突肿胀和退化。在SOD1转基因小鼠模型中，在ALS的终末期，AQP4的表达是增加的[28]。在ALS患者体内AQP4 mRNA和蛋白水平受到抑制，表明AQP4的表达受到神经元刺激的影响[29]。作者证实，虽然所有神经源性肌萎缩都表现出AQP4 mRNA的下降，但这种下降在ALS病例中更为明显。

1.1.6 AQP4与周围神经系统 与在正常CNS和神经心理疾病中对AQP4的广泛研究相比，对其在PNS中的表达和功能知之甚少。Thi等的一项研究在小鼠和大鼠的肌间神经丛和粘膜下神经丛中鉴定出AQP4蛋白的表达[30]。最近，Kato及其同事报道，AQP4专门定位于三叉神经节和小鼠DRG中初级传入感觉神经元细胞体周围的卫星神经胶质细胞[31]。AQP4在包括三叉神经和背根神经节的PNS中的细胞定位和功能需要进一步研究。

1.2 AQP5 AQP5是否有利于体内的水分运输仍然不确定. AQP5可能是星形胶质细胞中重要的水通道，在各种脑损伤过程中差异表达。在永久性局灶性脑缺血和早产室内出血后，脑内AQP5的表达上调[ 32]。在缺血诱导的大鼠脑梗死边界附近也检测到AQP5表达，AQP5水平可以通过缺氧和蛋白激酶A调节[33]。此外，最近的研究还表明，AQP5的表达与脑膜瘤患者肿瘤周围水肿的发展和强度有关[34]。

1.3 AQP6 通过逆转录PCR在新生儿和成年小鼠小脑中观察到AQP6 mRNA。AQP6基因在小鼠后脑(包括小脑)和脊髓中发现，也在大鼠脑中的突触小泡中检测到AQP6蛋白[35]。AQP6在CNS中的作用仍然未知。由于AQP6 mRNA表达以组织特异性和年龄相关的方式调节，因此AQP6可能在小鼠发育中起着重要作用[36]。此外，AQP6在突触小泡中的位置可能提示其参与肿胀和分泌。因此，需要进一步研究以了解AQP6在CNS中的功能。

1.4 AQP8 AQP8早期见于星形胶质细胞、神经元和少突胶质细胞，以及脊髓中央管壁室管膜细胞。最近的研究表明，AQP8可能在脑水肿和肿瘤的发生发展中发挥重要作用，可作为星形细胞瘤和胶质瘤的潜在治疗药物。例如，AQP8表达水平随着星形细胞瘤和胶质瘤的严重程度而升高。此外，AQP8在人脑胶质瘤细胞中的下调对细胞增殖和迁移具有明显的抑制作用。尽管AQP8缺失小鼠未表现出明显异常，但脑缺血后AQP8表达上调，提示AQP8参与了水肿[37]的早期形成，它在中枢神经中的作用需要进一步研究。

2 水-甘油通道蛋白亚家族与神经系统

2.1 AQP9

2.1.1 AQP9的结构及表达 利用免疫荧光标记技术发现AQP9主要分布在脑室周围器官、脉络丛、穹窿下器官和脑室周围实质等部位的星形胶质细胞中。由于上述脑室周围器官的主要生理功能是参与脑脊液回流和调控神经活性物质发挥生理活性，因此，AQP9分布特征提示AQP9可能维持中枢神经系统内环境稳定、保持脑能量代谢平衡、参与调节脑脊液循环。

2.1.2 AQP9与神经系统疾病 在生理条件下，AQP9在正常细胞代谢中起作用，并且在病理条件下也增加细胞应激耐受性。例如，AQP9的表达量在糖尿病大鼠使用胰岛素后降低、短暂性局灶性脑水肿后、星形细胞肿瘤、大脑永久性大脑中动脉闭塞后上调。所有这些发现都表明AQP9参与星形胶质细胞能量代谢和星形细胞肿瘤的恶性进展[ 38]。近来的研究还显示在海马和下丘脑的某些特殊部位存在AQP9的表达，提示AQP9对渗透压的变化起调节作用。此外，在松果体内AQP9主要在松果腺内表达，推测其与脑组织神经内分泌细胞产生和分泌激素的功能有关。

2.2 AQP3 AQP3可渗透甘油和尿素，首先在中枢神经系统脑膜细胞中发现。然而，在猪脑中没有发现AQP3的表达[39]这提示AQP3在CNS中的分布具有物种特异性。AQP3在中枢神经系统中的作用仍未得到充分研究，Yamamoto等通过RNase保护实验和逆转录聚合酶链反应(RT-PCR)证实了AQP3在星形胶质细胞和神经元中的表达。一项研究表明AQP3在缺血后6 h内表达上调，提示AQP3在早期脑水肿形成和神经元肿胀中发挥作用[40]。

2.3 AQP7 通过Northern印迹分析，首次在大鼠脑中检测到AQP7的RNA表达[41]。作为甘油通道主要在脂肪代谢中起作用，AQP7主要定位于小鼠脑中的脉络丛。同样，在猪脑中也检测到AQP7 mRNA。最近的研究表明AQP7表达被限制在脉络丛上皮细胞(CPECs)和内皮祖细胞(EPCs)的顶膜上，与先前的研究一致，表明AQP7可能参与CSF分泌[42]。

3 超水通道蛋白亚家族与神经系统

AQP11属于超水通道，出现在海马和大脑皮质神经元，大鼠大脑中的浦肯野细胞树突，以及脉络丛的上皮和小鼠脑毛细血管内皮细胞。AQP11缺失小鼠的大脑看起来正常，没有任何形态和功能异常。在质膜中表达AQP11的爪蟾卵母细胞不能运输水、甘油、尿素或离子。有学者认为AQP11的独特分布和明显的水/溶质运输缺陷可能预示着一个独特的功能。另一方面，Yakata等发现AQP11蛋白在脂质体中重组时具有显著的水渗透性。进一步研究AQP11的水转运特性及其在脑内的生理作用似乎是必要的。然而，在AQP11缺失小鼠中，BBB处的AQP4表达减少了一半，表明AQP11可能在功能上与AQP4相互作用[43]。由于AQP11具有独特的高亲和力汞离子结合位点(三半胱氨酸基序位点)，分布于浦肯野细胞的AQP11可能与自闭症中的汞等阳离子相互作用，并成为这种认知相关疾病的治疗靶点。

4 AQPs 在非神经系统中的分布和相关疾病

AQPs除了在神经系统中具有广泛分布外，在人体其他系统中也有表达并扮演着重要作用：其中AQP1在眼、肾、心肺、胃肠、唾液腺、肝、肌肉、脾脏等器官中均有表达；AQP4在肾、唾液腺、心脏、胃肠道、肌肉上被检测到存在；AQP9肝脾、睾丸、卵巢及白细胞上也有存在。AQP1在内皮细胞中，介导进入内皮细胞的NO，通过控制NO的水平、生物利用度和扩散距离来调节血管张力和血压[44]；根据在胃肠道位置推测，AQP1在黏膜与血流之间的水转运起吸收作用，可能参与脂肪消化等过程[45]；缺失AQP1或AQP4的小鼠会引起尿浓缩缺陷[46]，也可导致眼压下降和房水产生速度减少[47]，另外，AQP1可延缓肾囊肿的发生[48]；AQP9被证实为肝脏中唯一的甘油通道，AQP9缺失小鼠有明显的高甘油血症和高甘油三酯血症[49]；AQP9在皮肤的抗菌防御和屏障通透性功能中发挥作用[50]。

5 展 望

随着时间的推移及科技的进步，AQP家族不断壮大，其生理学机制及在疾病中的作用也逐渐被人们发现和了解。许多科学家一直在研究一些AQP表达的特异性上调以及它们参与脑水肿形成的机制。有人认为AQPs可以成为治疗脑部疾病的重要靶点[51]。 然而，我们还未完全理解CNS中所有AQPs的生理学和病理学意义。考虑到AQPs在脑部疾病中的重要性，我们仍需进一步研究。这将有助于疾病的诊断，监测疾病进展，其次，确定AQPs功能的调节剂，在相关疾病领域进行干预，可为疾病治疗提供更多方案。