水通道蛋白与急性肺损伤的研究进展

水通道蛋白与急性肺损伤的研究进展

林飞

【摘 要】Aquaporins( AQPs )are a series of water channel proteins with

unique molecular structures and chemical properties,which participate in

water osmosis inside and outside cells,widely distributed in the lung

tissues, playing a key role in the water transit process. Here is to make a

review on the correlation of the lung injury caused by various factors and

the liquid transport in the lungs by AQPs, analysing the AQPs involved

pathological process of lung injury and its regulation mechanism,

summarizing the latest research results of AQPs in the lungs,providing the

molecular level theoretical basis of function mechanism of AQPs in the

lung.%水通道蛋白(AQPs)是一组参与细胞内外水的渗透作用的通道蛋白.AQPs具有独特的分子结构及生化特性,其在肺组织中分布广泛,且在肺组织水的转运过程中起着关键作用.现综述各种不同因素导致的肺损伤与AQPs在肺内的液体转运的相关性,分析探讨AQPs参与肺损伤后肺水肿的病理过程及其调节机制,总结AQPs在肺内的最新研究成果,为AQPs在肺内的作用机制的继续研究提供分子水平的理论基础.

【期刊名称】《医学综述》

【年(卷),期】2012(018)016

【总页数】3页(P2562-2564)

【关键词】水通道蛋白;急性肺损伤;分子结构;生化特性 【作 者】林飞

【作者单位】广西医科大学附属肿瘤医院麻醉科,南宁,530021

【正文语种】中 文

【中图分类】R563.9

水通道蛋白1(aquaporins 1，AQP1)是从人体的红细胞膜上偶然发现了一种相对分子质量为28×103的蛋白［1］，从此开启了对水通道蛋白(aquaporins，AQPs)的研究。AQPs是一组细胞膜转运蛋白，其特性与水通透性密切相关，对它的研究逐渐开启了揭示水跨膜转运调节机制的新领域。临床中，多种因素都可导致肺部损伤，肺血管通透性增高，使肺内液体平衡破坏，肺水屏障受损，严重时即发生肺水肿。液体积聚在肺泡和肺间质内是肺水肿的病理特性，已有研究表明肺水转运紊乱可能是由于AQPs功能异常造成的。因此，深入研究AQPs在肺内的分布、功能、调节机制等，可为肺损伤的临床治疗提供一种新的方向，为AQPs在临床治疗中的运用提供分子水平的理论依据。

1 AQPs的分子结构及特性

AQPs是一种糖蛋白，由250～300个氨基酸组成，相对分子质量约为30×103。目前研究人员已从动物身上发现 11种 AQPs亚型［1-2］，即 AQP0～AQP10［3-4］。AQPs属于膜主体内在蛋白，它的分子结构里含有3个较小的C端半侧分子的外显子(外显子2～4)和1个较大的N端半侧分子的外显子(外显子1)。AQPs的高级结构由同源四聚体组成，因每个四聚体都具备独立的功能性水通道，其独特结构对维持AQPs的稳定性及正常功能具有重要作用。AQPs对水有很强的通透作用，但它对其他一些物质也具备一定的通透性，如AQP3、AQP7及AQP9对甘油这类小分子溶质有通透作用，AQP1对CO2也有一定的通透性。

AQPs独特的分子结构决定了其特有的功能。水在细胞内外的转运依靠水分子通过水通道沿着渗透压梯度由低渗区向高渗区移动，机体的各组织中都广泛存在水通道，特别是与液体分泌和吸收密切相关的内皮细胞和上皮细胞中，AQPs含量众多，其对水的分泌、吸收及水在细胞内外的平衡起着关键作用。有研究发现，在粟鼠肾脏髓衬降支的起始部分、上皮的细胞膜上含有大量的AQPs，该部位上皮细胞的水通透值达1500～2500 μm/s;但在粟鼠肾脏髓襻降支远端上皮的细胞膜上末检测到AQPs，该部位上皮细胞的水通透值仅为68 μm/s;该研究在一定程度上证明了细胞中AQPs的存在与水的渗透转运能力密切相关［5］。

2 肺AQPs的分布和功能

目前对AQPs的研究主要集中在AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8及AQP9，它们表达的部位各有不同，其中AQP1、AQP3、AQP4、AQP5在肺的表达较多，研究得较为明确。AQPs不会重叠分布在同一细胞定位上，这个显著特性决定了每个AQP亚型都有各自独特的地位和作用。研究表明［1，3，5］，AQP1主要表达在呼吸道旁毛细血管、淋巴管及胸膜脏层的间皮细胞上，也有少量分布于肺泡Ⅱ型上皮细胞顶膜面上。AQP3主要分布在小呼吸道上皮细胞的顶膜及大呼吸道表面腺泡细胞的基膜。AQP4主要表达于大小呼吸道的上皮细胞、肺泡内皮细胞及Ⅰ型肺泡上皮细胞。AQP5主要分布在肺泡Ⅰ型上皮细胞的顶膜面。AQP8和AQP9在肺组织中表达的具体定位尚未见文献报道。

现在的研究中，研究者大多通过AQPs基因剔除的动物模型来研究AQPs功能。通过制作AQP1或AQP5基因剔除小鼠的动物模型，发现其肺泡毛细血管间的水渗透作用为正常野生小鼠的1/10，而AQP1、AQP4同时剔除小鼠的水渗透性为正常的1/14～1/16，AQP1、AQP5同时剔除小鼠的水渗透性则仅为正常的1/25～1/30［6-7］。有研究通过野兔模型，发现AQP1和AQP4 mRNA表达在出生后1 d迅速增加;另有研究通过动物实验表明，在小鼠妊娠晚期，肺内的AQPs开始显著表达，并在出生后快速增加;小鼠出生后1 d即可在肺内检测到AQP1，且在出生后1周达到高峰，提示AQPs的存在可能与小鼠出生早期肺内液体的快速转运密切相关［8］。通过以上研究可充分说明AQPs与水分子的转运是密切相关的，AQPs对于维持肺内水的平衡发挥着极其重要的作用。如果出现肺内疾病或各种原因导致的肺损伤，使肺内细胞表达蛋白下降或AQPs功能降低，使机体对肺组织中液体的转运能力下降，肺内水的平衡失调，加重肺泡和间质的水肿;而肺水肿的加重势必会进一步影响 AQPs的表达，造成病情的恶化循环［9-10］。

3 AQPs与肺损伤

已有诸多研究报道证明，AQPs参与了肺水肿的发病机制。AQPs在肺内的液体转运可能与各种不同因素导致的肺损伤密切相关。因此，研究AQPs如何参与肺损伤后肺水肿的病理过程及其调节机制已经成为现今临床研究的热点之一。

虽然导致急性肺损伤的原因有很多，但均可表现出AQPs在损伤肺组织中表达量减少和其活性降低的特点。在病毒感染所致肺损伤的小鼠模型中，AQP1和AQP5

mRNA的表达量均显著下降，且在炎症开始减轻时逐步恢复［11］。Towne等［9］研究发现在病毒感染导致的肺炎肺组织中，AQP5的表达明显降低。在内毒素诱导的急性肺损伤中，AQP1和AQP5的表达在伤后4～12 h内明显减少;而在伤后12 h，AQP1的表达随着肺水肿的逐渐减轻而逐步升高［12］。Jiao等［10］的研究观察到在脂多糖诱导的肺损伤模型中，AQP5 mRNA的表达显著降低。而Towne等［13］同时也对高氧导致的肺损伤进行了研究，发现AQP5的表达明显降低，其在肺水肿的发生中发挥了作用。另有研究通过制作高氧导致小鼠肺损伤的动物模型，发现AQP1在小鼠肺组织中的表达也明显降低［5，14］。另外，Gabazza等［15］发现在博来霉素诱导的肺损伤肺组织中AQP5的表达明显升高。Wu等［16］在大鼠哮喘模型中检测到AQP5的表达增多，可能与哮喘呼吸道中黏液分泌增加有关。在King等［17］的研究中，成年大鼠在糖皮质激素的刺激后，肺内AQP1的表达升高，推测可能与AQP1参与肺内积聚的过多水分从间质向血管系统回流有关。这些研究表明AQPs不仅与各种原因所致肺损伤密切相关，还可能参与了各种致病因素所致的慢性肺损伤的病理过程，其具体作用和调节机制尚待进一步研究。

AQPs是组成肺泡-毛细血管膜屏障的重要成分。AQP1主要转运肺间质内的液体，其表达的异常可能会引起肺循环压力增高所致的肺间质水肿［18］。在肺水屏障结构完整时，AQP1能够缓解压力性肺水肿的程度。已有临床实验证实，肺功能正常且肺水清除率好的重症患者，需要呼吸机支持治疗的时间会相对缩短，病死率也较低;而肺功能异常且肺水清除率低的患者，则需要更长时间的呼吸机支持治疗，且病死率也会相对增高［19］。因此，如何在临床上提高患者的AQPs含量或活性，增强肺水清除率，可能成为治疗肺水肿的一个新途径和方向。

4 展望

自从发现AQPs以来，对于它的结构以及相关功能的研究使肺损伤的研究取得了全新的进展，它的发现有助于更深入地从分子水平认识肺损伤发生、发展的过程。但对肺损伤发生后AQPs在水转运过程中的分子调节机制尚不清楚。随着对AQPs在肺脏的分布、调节、生理和病理状态下的作用，以及AQPs在肺损伤发生、发展中作用的进一步深入研究，将会对肺损伤的发病机制有更进一步的认识，并有可能为临床对肺损伤的治疗提供新的理论依据及方法和途径。

参考文献

［1］ Verkman AS.Physiological importance of aquap water channels［J］.Ann Med，2002，34(3):192-200.

［2］ Hatakeyama S，Yoshida Y，Tani T，et al.Cloning of a new

aquaporin(AQP10)abundantly expressed in duodenum and jcjunum［J］.Biochem Biophys Res Commun，2001，287(4):814-819.

［3］ Kataoka N，Miyake S，Azuma M，et al.Aquaporin and

aquaglyceroporin in silkworms，differently expressed in the hindgut and

midgut of bombyx mori［J］.Insect Mol Biol，2009，18(3):303-314.

［4］ Ishibashi K，MorinagaT，Kuwahara M，et al.Cloning and

identiflcation of a new member of water channel(AQP10)as an

aquaglyceroporin［J］.Biochim Biophys Acta，2002，1576(3):335-340.