水通道蛋白的表达及其调节_安宇

国际药学研究杂志 2008年 10月 第 35卷 第 5期
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AQP1的调节是由 MAPK通路的活化来介导的[ 10] 。 在细胞培 养中 发现 , 高渗 溶液 使 MDCK细胞
AQP3 mRNA和蛋白表达增加 。 气管上皮细胞经高 渗条件 刺 激 , 会 发 现 AQP5 的 功能 及 活 性 明 显增 加 [ 11] 。
低氧对于不同部位和不同类型水通道的表达有
着不同的影响 , 进一步提示 AQP可能也与氧转运相 关。 2.1.3 渗透压 结构分析显示 , AQP1前体包含一 个高渗反应元件[ 9] 。 高张环境中 , 外周组织的 AQP1 表达增加 。高渗溶液对 AQP1的影响是增加 AQP1的 合成和减少 AQP1的降解 。有研究发现 , 高渗条件对
节 AQP表达 。 Itoh等 [ 14] 通过研究血管活性肠肽 (VIP)调节人
所谓水通道即指存在于哺乳动物和植物细胞膜 上转运水的特异孔道 。 该孔道是由一系列具有同源 性的内在膜蛋白家族成员所形成 , 称为水通道蛋白或 水孔蛋白 (aquaporin, AQP), 它们介导不同类型细胞 的跨膜水转运 。 一般认为该孔道只通透水 , 对甘油和 尿素也有一定的选择性 。 AQP均属于膜蛋白 , 它们以 疏水的部分直接与细胞膜磷脂的疏水部分共价结合 , 两端带有极性 , 其主体部分则贯穿于膜间 。 自 1988 年 Agre等在鉴定人类 Rh血型抗原时偶然发现了一
DO I :10.13220/j .cnki .j ipr .2008.05.005 国际药学研究杂志 2008年 10月 第 35卷 第 5期
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水通道蛋白的表达及其调节
安 宇 , 张剑钊 , 李学军 ＊
(北京大学基础医学院药 理学系 , 北京 100191)
摘要 :水通道蛋白是具有高度选择性的水孔道特异蛋白质家族 , 有 13个家族成员 。 研究发现 , 水 通道蛋白与多种临床疾病有着密切的关系 , 水通道蛋白在哺乳动物机体中调节作用的研究成为了 当前水通道领域的一大热点 。本文参阅了国内外近年来众多有关水通道蛋白的研究文献 , 介绍了 水通道家族的分子结构 , 以及理化因素 、激素和其他蛋白等调节水通道蛋白表达及功能的影响因 素 , 并初步探讨了水通道蛋白在脑水肿 、肺水肿和肾脏疾病中的调节机制 。 关键词 水通道蛋白 ;分子结构 ;基因表达调控 ;水肿 中图分类号 :R962.1 文献标识码 :A 文章编号 :1674-0440(2008)05-0355-05
2 水通道蛋白的功能及表达的调节 AQP对水的 通透性和蛋白表达 水平受到某些
因素的调节 。 而且 , 在人体中 , 这样的调节方式是相 互协调的 , 相对来 讲通透性调节 比较迅速 , 耗时较 短 , 因而也被称作短期调节 ;蛋白表达的调节相对耗 时较长 , 因而也称为长期调节 。据文献报道 , 理化因 素 、激素以及其他活性蛋白分子等会对 AQP的功能 或者蛋白表达起到调节作用 。 2.1 理化因素 2.1.1 pH值 文献中涉及到影响 AQP通透性的 物理因素主要是 pH值 , 至少有 3 种哺乳动物的水 通道蛋白直接为 pH值所调节 。外部环境的 pH值 降低至 6.5时 , AQP0对水的通透性明显提高[ 2] 。 其 机制在于 , AQP一级结构 A环和 C环上的外部组氨 酸介导对 pH值的依赖性 , AQP家族 A环 、C环上组 氨酸的位置决定其对 pH值的敏感性 。 实验中以半 胱氨酸替代 AQP0A环的第 40位组氨酸 , 保持 C环 第 122位组氨酸不变 , AQP0对 pH值的敏感性则由 酸性变为碱性 [ 3] 。 AQP3在 pH为中性时允许水和甘 油通透 , 当 pH<6时 , 其允许分子通透的孔道关闭 。 AQP6在 pH<5.5时发生构型的改变 , 选择性允许水 和氯离子通过 。
AQP1 , AQP2和 AQP5的 E环以及 AQP3 的 B环 NPA序列前均有半胱氨酸 , 其中 E环的第 189 位为 汞抑制部位 , 汞离子与有机汞可通过与半胱氨酸结 合阻塞水孔道 ;B环的第 73位与 E环第 189位相 似 , 且位置相对 , 均为汞抑制部位 , 位于水通道核心 部位即 AQP口 部附近的可 能性大 , 由此推测 AQP 的结构呈沙漏模 式 。 B环和 E环下 沉至双分子层 内 , 整个分子前后两部分在 NPA序列处折叠形成狭 窄水孔 , 孔道大小约为 1个单水分子 [ 1] 。
Expressionandregulationofaquaporin
ANYu, ZHANGJian-zhao, LIXue-jun
(DepartmentofPharmacology, SchoolofBasicMedicineSciences, PekingUniversity, Beijing100083, China)
Abstract:Aquaporin(AQP)isahighlyselectiveproteinfamilyofwaterchannel, whichincludes13 members.ThereiscloserelationshipbetweenAQPandsomeclinicaldiseases.Recently, theregulation effectofAQPinmammaliansisaresearchfocusonthefieldofwaterchannel.Thisarticleintroducesthe molecularstructureofAQP, andtheinfluencefactorsofexpressionandfunctionofAQP, suchasphysicalandchemicalfactors, hormoneandotherproteins.TheregulationmechanismofAQPinpulmonaryedema, brainedemaandkidneydiseaseisalsodiscussed. Keywords:aquaporin;molecularstructure;geneexpressionregulation;edema
收稿日期 :2008-03-02 基金 项 目:国家 自 然 科 学 基 金 面 上 项 目资 助 (No.30171090, 30270528, 30572202, 30772571);国 家基础 科学人 才培养 基金资 助 项目 (No.J0630853/J0108) 作 者简 介 :安 宇 , 男 , 在 读本 科生 , Tel:010-82319345, E-mail: pkukidd@163.com
此外 , 由甘露醇诱导的高渗环境可以增加 AQP4 和 AQP9的表达 , 颅内注入甘露醇可以增加大鼠皮质 AQP4和 AQP9的表达 , 软脑膜和血管周围的表达也 增加 , Arima等 [ 12] 认为甘露醇诱导的高渗环境引起
AQP4与 AQP9上调的机制与 p38MAPK信号通路有 关 [ 12] 。 2.2 激素
模型上 , 梗死灶周围的皮质中 AQP4和 AQP9 mRNA 表达增加 [ 5] 。脑梗死组织中 , AQP4的免疫反应也增 加 , 推测是在低氧到复氧的过程促发了 AQP4的转录 和表达[ 6] 。
最近的研究发现 , 神经胶质瘤细胞培养过程中 , 在缺氧条 件下 , 可 以检测到 AQP1 的上调 [ 7] 。 推测 AQP1由于在缺氧条件下被诱导表达 , 因而可能参与 了氧的跨膜转运[ 8] 。
可见 , 水通道蛋白对分子的通透性及选择性均 可由 pH值来调控 , 这也提示机体 内环境的稳态对 于水通道有重要影响 。 2.1.2 氧浓度 研究表明 , 低氧诱导因子在 AQP4 基因的启动区 有结合位点 。 星形胶质细胞 培养发 现 , 低氧会下调 AQP4和 AQP9的 mRNA和蛋白表达 。 氧浓度增加后 , AQP水平迅速恢复 [ 4] 。 局灶脑缺血
ku的糖蛋白 。 AQP的一级结构含有 6个跨膜区段 , 并由 5个环相连 , 含 2个胞内环 (B, D)和 3 个胞外 环 (A, C, E), E环对 外界 环境 非 常敏 感 , 可 激活 AQP功能 ;B环和 E环为疏水性 , 其余环为亲水性 。 AQP整个分子前后两部分在序列上相似 , 在膜上呈 180度对称镜像结构 , 接近氨基端和羧基端的 B环 和 E环各有由 3个氨基酸 (天冬酰氨 -脯氨酸 -丙氨 酸 )组成的序列 , 即 NPA序列 , 这是该蛋白家族成员 共有的高度同源的特征性结构 。 AQP的二级结构 由 40%α螺旋和 42% ～ 43%的 β 片层及转角构成 。 它的三级结构以四聚体形式存在 , 每一个单体都是 独立的功能性水通道 , 在膜上处于反向相对位置的 B环和 E环对构成功能性水选择性通透十分重要 , E环和 B环呈显著疏水性 , 它们的任何变异都会引 起水通道活性的下降 。
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JournalofInternationalPharmaceuticalResearch 2008 Oct;35(5)
前水通道研究领域的一大热门 , 对 AQP调节机制的 研究将为新药的研发提供更多的启发 。
1 水通道蛋白的分子结构及基本功能 研究表明 , AQP是一 种相对 分子质 量约为 30
具备以上结构的 AQP有着与之相适应的转运 水的功能 , 活细胞每天要通过改变自身状态及体积 来维持生命体的生存及生长 , 水的跨膜转运与这种 生命功能息息相关 。 脂质双分子层的特征不足以解 释如此大量的渗透作用所驱使的水转运 , 水通道的 发现恰好解决了这一问题 。水分子通过水通道分子 主体中的狭窄水孔进出细胞 , 从而实现水在细胞内 外的转运 。 而且在机体各组织中均有水通道分布 , 尤其在与液体分泌和吸收有关的上皮细胞和内皮细 胞含量颇多 , 这些蛋白共同参与水的分泌 、 吸收及 细胞内外水的平衡 。
研究表明 , 血清和部分生长因子可诱导 3T3小 鼠成纤维细胞产生 AQP1 。皮质类固醇可在转录水 平诱导大鼠胎肺和成年肺表达 AQP1 , 使胎肺 AQP1 mRNA表达增加 6 倍 , 并在 AQP1启动子中发现糖 皮质激素反应元件 。 Stoenoiu等 [ 13] 又证实高剂量皮 质类固醇 (1, 4 mg·kg-1 )诱导大鼠腹膜 AQP1 mRNA 及蛋白表达 , 而糖皮质激 素受体抑制剂 RU-486阻 止皮质类固醇的诱导作用 [ 13] , 提示内分泌激素可调
＊通讯作者 :李学军 , 女 , 博士生 导师 , 研 究方向 :抗肿 瘤及心 血管 系统药理研究 , Tel:010-82802863, E-mail:xuejunli168@163.com
种红细胞膜上的新 28 ku蛋白 , 即为后来被命名的 AQP1以来 , 随着研究的不断深入 , 不断有新的 AQP被 发现 , 迄今为止 , AQP家族已经被认为是一个拥有 13 个成员的蛋白质群体 , 分别为 AQP0 ～ AQP12 。这 13 种 AQP在通透水的功能上有着相似共同之处 , 但由 于表达部位不同 , 因而又各自发挥着特异的生理功 能 。例如 , AQP4在脑星型胶质细胞和室管膜细胞内 表达丰富 , 它对水代谢和调节起主要作用 , 且可能与 脑脊液生成相关 。目前 已证实分布于 肺组织内的 AQP有 4种 (AQP1 , AQP2 , AQP3 和 AQP5 ), 主要位于 肺毛细血管内皮细胞 、肺泡Ⅰ型上皮细胞和气道上皮 细胞膜上 , 参与这些细胞的水转运 。肾脏作为机体的 泌尿器官 , 主要分布以 AQP1和 AQP2 , 参与原尿形成 中滤过 、重吸收等重要生理过程 。深入的研究也发 现 , 多种 AQP与某些临床疾病有着密切的关系 , 因 此 , 有关 AQP在哺乳动物机体中调节的研究成为当