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编号:10235207
充血性心力衰竭大鼠肾脏Aquaporin 2水通道蛋白基因的表达
http://www.100md.com 《中国医学杂志》 1998年第2期
     作者:许顶立 任昊 Pierre Yves Martin Mamiko Ohara Judy St John Robert W Schrier

    单位:510515 广州第一军医大学南方医院(许顶立、任昊);Vniversity of Colorado Health Sciences Center, USA (Pierre Yves Martin Mamiko Ohara、Judy St John、Robert W Schrier)

    关键词:心力衰竭,充血性;基因表达

    中华医学杂志/980213 【摘要】 目的 探讨Aquaporin 2水通道蛋白(AQP2)基因与心力衰竭时水潴留的关系。方法 雄性SD大鼠(200~250g)分别行左冠状动脉结扎术。5周后分别进行颈动静脉插管,测量平均动脉压和心排血量。根据左心室心肌梗塞面积(LVMI)的不同,将冠状动脉结扎大鼠分为两组。应用Northern blot和Western blot测定肾脏AQP2基因的mRNA和蛋白质表达的变化。结果 对照组、LVMI<20%组、LVMI≥20%组,AQP2/GAPDH mRNA吸光度比分别为1.385±0.023,1.523±0.036,1.779±0.072 (P<0.01);AQP2蛋白表达量吸光度分别为100%±10%,157%±13%,202%±25% (P<0.01)。结论 提示AQP2mRNA和蛋白质的表达在充血性心力衰竭大鼠是明显增加的。AQP2基因表达的增加可能在充血性心力衰竭时水潴留的发生中起作用。
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    Renal aquaporin-2 water channel expression in congestive heart failure rat Xu Dingli*, Ren Hao, Pierre-Yves Martin, et al. * Nanfang Hospital, Guangzhou 510515

    【Abstract】 Objective To study aquaporin-2 (AQP2) that mediates vasopressin-regulated collecting duct water permeability. Methods Male Sprague-Dawley rats (200-250g) underwent either a left coronary artery ligation, a model of CHF, or a shamoperation (Sham-Op). Five weeks after surgery, mean blood pressure (MBP) and cardiac output (CO) were measured by catheterization in the conscious animal. The rats were sacrificed 24 hours later. Left ventricular myocardial infarction size (LVMI) was estimated and the rats were divided into two groups according to the size of infarction.Total RNA and protein were extracted from whole kidney. AQP2 and GAPDH mRNA were measured by Northern blot and AQP2 protein expression by Western blot. Results AQP2/GAPDH mRNA densities of Sham-Op, LVMI<20% rats and LVMI≥20% rats were 1.385±0.023,1.523±0.036,and 1.779±0.072 (P<0.01). AQP2 protein Western blot densities were 100%±10%,157%±13%and 202%±25% (P<0.01). Conclusion Both mRNA and protein of AQP2 gene expression are increased in CHF rat and this upregulation is present in the compensated (LVMI<20% rats) and decompensated (LVMI≥20% rats) stage of CHF. This contributes to water retention associated with CHF.
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    【Key words】 Congestive heart failure Gene expression

    (Natl Med J China, 1998,78:118-120)

    生理学家们很早就认识到,在哺乳动物的某些细胞(红细胞,近曲小管,亨氏袢降支细段和血管加压素刺激后的集合管等),水通过细胞膜的脂质双层的速度之快是不能仅仅用单纯扩散的理论来解释的,他们推测细胞膜上可能存在着水通道。但直至最近Aquaporin 2水通道蛋白(AQP2)家族的发现才证实这一推测。

    AQP2主要存在于肾脏集合管主细胞[1]。 在本研究中,我们应用左冠状动脉结扎致充血性心力衰竭大鼠模型,观察了肾脏AQP2基因表达的改变,现报道如下。

    材料与方法
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    一、左冠状动脉结扎致充血性心力衰竭大鼠模型的建立

    雄性SD大鼠,体重200~250g。在戊巴比妥钠(50mg/kg)腹腔麻醉下,行气管切开,插管,应用大鼠呼吸机(RSP1002,美国Kent 公司)行正压呼吸。沿左胸骨第4~5肋间开胸。暴露心脏并打开心包腔,在左心耳和右心室流出道之间以6-0丝线结扎左冠状动脉,然后挤压胸腔以排出空气并逐层关闭胸腔。对照组仅打开心包腔而未行冠状动脉结扎。

    术后第33天,再次使用上述方法麻醉大鼠,沿右颈动脉和右颈静脉插入聚乙烯导管(PE50,美国Intramedic公司),导管经皮下隧道暴露于颈背部,1天后,应用标准的吲哚氰蓝绿(indocyanine green)作指示剂测定大鼠清醒状态下心脏输出量。24小时后,处死大鼠,收集血液,摘取和分离保存整个肾脏组织或肾皮质、肾外髓质和肾内髓质。摘取心脏后,迅速用冰PBS溶液冲洗,心脏称重,以3%甲醛固定,然后沿心脏长轴(从心尖至心底部)将心脏等分为5块,按照解剖学大体估算法(subjective eestimation)计算大鼠左心室梗塞面积[2]。血清钠的测定采用Becknam CX3仪器,血浆渗透压采用冰点抑制法(美国Advanced Instruments公司)。血浆AVP浓度采用RIA方法测定,大鼠AVP抗体由美国佛罗里达大学J Durr 博士赠送。
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    二、Northern杂交分析

    整个肾脏总RNA的提取采用RNAzol-B(美国Teltest公司),20μg或5μg总RNA进行1.0%琼脂糖6%甲醛电泳,然后转移至尼龙膜上并行UV交联固定,预杂交应用Rapid-Hyb杂交缓冲液(Amersham公司)65℃20分钟,AQP2探针为850bp(美国科罗拉多大学I Teitelbaum 博士赠送),用Red-prime标记试剂盒进行放射性标记。α-32p-dCTP购自Amersham公司。尼龙膜在65℃杂交2小时,洗膜,然后进行放射自显影。同一尼龙膜在去除放射性后再次与GAPDH(1.2kb cDNA)进行杂交,为内在点样控制[3]

    四、Western杂交分析

    应用AQP2蛋白质C-末端的多肽片段CELHSPQSLPRGSKA[4],由美国Gnemed Biotechnologies公司制备兔抗鼠AQP2多克隆抗体。效价为1:100000。肾脏内髓质蛋白质的提取应用细胞裂释液方法提取(50 mmol/L B-glycerophosphate、100 mmol/L Na2VO4、2 mmol/L MgCl2、1 mmol/L EGTA、0.5%Triton-X100、1 mmol/L DTT),裂解液中含有蛋白酶抑制剂(20 mmol/L Pepstatin、20 mmol/L Leupepin、100μ/ml Aprotinin、1 mmol/L PMSF)。蛋白浓度的测定应用考马斯亮蓝法(Biorad公司)。总蛋白进行变性SDS/12.5% Polyacrylamide胶电泳,然后转移至PVDF膜上(Millipore公司),Western杂交按文献[5]方法进行,采用ECL方法显影,蛋白质分子重量标准品购自Sigma公司。用图像分析仪测定杂交信号的吸光度(用杂交带面积乘以密度表示)。
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    五、统计分析

    两组间比较采用未配对t检验,多组间比较采用方差分析。结果以均数±标准误表示。

    结果

    一、不同梗塞面积心力衰竭大鼠心功能和血液学指标的改变

    根据左心室心肌梗塞面积(LVMI)的不同,心力衰竭大鼠被分为两组,即LVMI<20%组和LVMI≥20%组,左冠状动脉结扎术后大鼠心脏重量明显增加,LVMI<20%组大鼠心输出量尚维持正常,而LVMI≥20%组大鼠心输出量则在术后5周较对照组显著下降,平均动脉压亦有轻度降低。血Na+虽有下降趋势,但尚无统计学差异。LVMI≥20%组大鼠血渗透压则较对照组显著下降。血管加压素(AVP)水平在LVMI<20%组无明显变化,而在LVMI≥20%组较对照组血AVP水平明显增加(附表)。

, http://www.100md.com     二、AQP2基因表达的改变

    AQP2基因mRNA约为1.3 kb。应用整个肾脏进行研究,LVMI<20%组(5只)AQP2mRNA比对照组(5只)有轻度增加(AQP2/GAPDAH吸光度比为1.523±0.036比1.385±0.023;P<0.01),而LVMI≥20%组(6只)则增加更为明显(AQP2/GAPDH吸光度比为1.779±0.072;P<0.01,图1)。

    附表 心力衰竭大鼠心功能和血液学指标的变化(±s) 分组

    鼠数

    心脏重量/

    体重比(mg/g)
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    MAP

    (kPa)

    CO

    (L/min)

    血Na+

    (mmol/L)

    血渗透压

    (mmol/L)

    AVP

    (pg/ml)

    对照组

    5

    2.4±0.2
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    15.8±0.4

    0.161±0.020

    139±0.7

    306±5

    3.25±1.36

    心衰组

    LVMI<20%

    5

    3.2±0.1**

    15.1±0.8

    0.143±0.016

    136±1.9
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    291±6

    4.10±1.03

    LVMI≥20%

    6

    2.9±0.1*

    14.0±0.5*

    0.094±0.013*

    136±2.1

    282±6*

    11.02±2.90*

    注:心衰组与对照组比较 * P<0.05,** P<0.01;1kPa=7.5mmHg
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    应用Western杂交技术显示肾脏内髓质AQP2蛋白有两条带,一条在29000(为AQP2蛋白),另一条在35 000~45 000(可能为糖基化的AQP2蛋白,功能不明)。在LVMI<20%组大鼠AQP2蛋白有轻度增加,密度为157%±13%,对照组为100%±10%; P<0.01),而在LVMI≥20%组增加更为明显,(202%±25%;P<0.01),(图2)。但应用该方法尚未能发现肾皮质和肾外髓质AQP2蛋白质在各组间表达的差别。

    1、2为对照组;3、4为LVMI<20%组;5、6为LVMI≥20%组图1 心力衰竭大鼠AQP2基因mRNA的表达
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    1、2为对照组;3、4为LVMI<20%组;5、6为LVMI≥20%组图2 心力衰竭大鼠AQP2基因蛋白的表达

    讨论

    AQP是近年来发现的一类可调节水进出细胞膜的水通道同源蛋白质大家族的总称。哺乳动物体内已被确认的AQP有6种,编号为0~5。AQP2基因是在1993年被克隆确认的AQP水通道蛋白家族中的一种[1]。主要存在于肾脏集合管主细胞的胞浆内和小管侧细胞膜上。AQP2调节肾脏水重吸收的分子机理有两个方面:(1) 是即时机制,表现为在AVP的介导下,AQP2转移至小管侧细胞膜上并被蛋白激酶A直接激活从而加速细胞膜对水的通透性,此作用常可在数分钟内出现;(2) 长期适应机理,表现为AQP2基因mRNA和蛋白合成的明显增多。现已证明AQP2是调节肾脏集合管对水通透性的主要水通道蛋白,因而在集合管对水重吸收的功能中起关键性作用[6]
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    文献报道在充血性心力衰竭患者,血浆水平正常或稍有增加。然而对于相对较低的血清钠水平来说,这个“正常”的AVP水平已是相对“增高”了[7]。AQP2基因表达的增加可能与心力衰竭时大鼠中AVP水平的增加有关。提示AQP2基因的表达在充血性心力衰竭的水潴留中起有重要的作用,而在功能上受到AVP水平的调节。我们应用AVP Ⅱ型受体拮抗剂(OPC-31260)的研究也证实,AVP Ⅱ型受体拮抗剂可显著降低心力衰竭大鼠肾脏AQP2基因的表达[8],本实验同时也阐明了AVP增加肾脏集合管对水重吸收的机理,即:血AVP增加——肾脏集合管的AVP Ⅱ型受体激活AQP2激活和/或基因表达增加——水的重吸收增加。

    在本实验中还发现,当LVMI<20%且心功能无显著下降时,AQP2基因的表达亦有增加而血AVP水平尚在正常范围,其病理生理意义有待进一步确定。可能提示:(1)本实验方法检测AQP2基因较血AVP放免检测方法更敏感,更能准确地反映心力衰竭大鼠肾脏水重吸收的状态;(2)在左冠状动脉结扎心功能代偿期大鼠已有AQP2表达的增加和水重吸收的增加;(3)体内可能存在着除AVP之外的其它一些可调节AQP2表达的因子[6]
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    参考文献

    1Fushimi K, Uchida S, Hara Y, et al. Cloning and expression of apical membrane water channel of rat kidney collecting tubule, Nature Lond . 1993, 361:549-552.

    2Hackel DB, Ratliff NBJ. A technic to estimate the quantity of infarcted myocardium post mortem. Am J Clin Pathol 1974, 61:242-246.

    3Xu DL, Martin PY, Ohara M, et al. Upregulation of constitutive NOS gene expression in pregnancy rats. Am J Physiol 1996, 271:R1739-R1745.
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    4Nielsen S, Giovanni SR, Christensen EI, et al. Cellular and subcellular immunolocalization of vasopressin-regulated water channel in rat kidney. Proc Natl Acad Sci USA 1993, 90:11663-11667.

    5Martin P-Y, Xu DL, Niederberger M, et al. Upregulation of the endothelial constitutive NOS: a major role in the increased NO production in cirrhotic rats. Am J Physiol 1996, 270: F494-F499.

    6King LS, Agre P. Pathophysiology of the aquaporin water channels. Annu Rev Physiol 1996, 58:619-648.
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    7Schrier RW. Pathogenesis of sodium and water retention in high-output and low-output cardiac failure, nephrotic syndrome, cirrhosis, and pregnancy ( I ). N Engl J Med 1988, 319:1065-1072.

    8Xu DL, Martin PY, Ohara M, et al.Upregalation of aquaporin-2 water channel expression in chronic heart failure. J Clin Invest 1997, 99:1500-1505. (收稿:1997-04-27 修回:1997-10-07), 百拇医药