水通道蛋白4与脑水肿的研究进展(1)
[摘要] 水通道蛋白4(AQP-4)是一种选择性水通道蛋白，它在脑部的许多结构中如星形胶质细胞膜，蛛网膜下隙，血管周围的胶质细胞，室管膜细胞，脉络丛上皮及下丘脑和小脑等处广泛存在。在细胞毒性和血管源性等不同机制的脑水肿及不同病因引起的脑水肿中，AQP-4都起着重要作用。AQP-4的研究为找出定向、副作用少、适用于多种类型脑水肿的治疗方法提供了参考。
[关键词] 水通道蛋白4；脑水肿；胶质细胞
[中图分类号] R742.7[文献标识码]A [文章编号]1673-7210(2008)02(c)-021-02
脑水肿是多种脑部疾病发展到一定阶段所共同经历的一个病理过程，往往伴随着脑肿瘤、脑缺血、脑出血和颅脑损伤等疾病发生。水通道蛋白(aquaporins, AQPs)是一个高选择性、低活化能转运水分子的跨膜通道蛋白家族。AQP-4有细胞外压力感受器和水平衡调节以及某些离子浓度调节功能，是介导脑组织水与电解质运输和平衡的重要因素。
1 AQP的结构
在1990年，Agre完成了对AQP分子的克隆，阐明了其cDNA的分子组成；1991年又成功完成了对该蛋白的功能鉴定，并将其DNA转入蛙卵细胞并在细胞膜上表达,发现水通透性明显增加,因而证实了第一个水通道的存在。进一步研究发现，水通道与其他离子通道不同，它没有“门控”调节机制，基本上处于激活开放状态。目前已鉴定出至少11种水通道蛋白，依次命名为 AQP 0~10。它们的氨基酸序列有一定同源性，可能存在共同的祖基因。AQP的一级结构为跨越细胞膜6次的单肽链，含有2个胞内襻(B，D)和3个胞外襻(A，C，E)。各种AQP亚型结构的B襻和E襻具有高度同源性，并且都存在有天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸(Asn-Pro-Ala, NPA)的重复串联的膜体[1]，因此，NPA是水通道家族成员共有的特征性结构，且在膜上处于反向相对位置的B襻和E襻对构成功能性水通道的选择性通透作用十分重要。水通道在细胞中以四聚体的形式存在，每一亚单位在功能上都可作为一个单个水通道。按照其功能，AQP家族可分为两类：一类只允许水分子通过，属于选择性水通道，包括AQP-0、1、2、4、5、6；另一类AQP则同时允许水分子和其他的中性小分子(如甘油，尿素)通过，称为aquaglyceroporins，包括AQP-3、7、9。 AQP-4的二级结构由多条螺旋构成，其中Ser180是其特征性结构之一，为AQP-4的磷酸化位点，与水通道的开合密切相关。AQP-4 基因由4个外显子构成，与其他AQP不同的是，它有一个初始编码序列(外显子0)，在外显子1的上游。人类AQP-4基因位于18 q11.2和q12.1的连接处。
2 AQP-4在脑中的分布及其功能
在脑组织中共发现6种AQP：AQP-1、3、4、5、8、9。其中AQP-4在脑组织中分布最广泛。AQP-4广泛存在于脑星形胶质细胞膜的足板、蛛网膜下隙、血管周围的胶质细胞、室管膜细胞、脉络丛上皮及下丘脑的视上核、室旁核及海马齿状回和小脑。由于星形胶质细胞是血脑屏障(BBB)的重要组成部分，所以，AQP-4 的表达对于BBB的功能调节有密切关系。当AQP-4表达上调时，可引起神经胶质细胞足突水肿，进而使BBB遭到破坏，导致脑水肿。表达于室管膜和脉络丛上皮细胞的AQP-4的主要生理功能是参与脑脊液的形成和重吸收。在下丘脑的视上核及室管膜等渗透压感受器中以及相对应区域的神经胶质细胞中也发现了AQP-4的表达。估计此处的AQP-4参与渗透压变化的感受与调节[2]。当细胞处于高渗状态时，细胞膜内外形成一个内低外高的渗透压梯度，细胞内逐渐形成一个相对高渗的环境。此时，AQP-4 表达上调，细胞膜大量水通道开放，使细胞外水分重新流入细胞内，改善细胞内的脱水情况。位于海马齿状回和小脑、脑干神经核团上的AQP-4的表达可能与细胞内外K+的代谢有关[3]，细胞间隙中增高的K+、H+等离子的浓度可引发胶质细胞启动激活细胞内信号系统，使AQP-4失活，从而导致AQP-4表达下调。
3 AQP-4 与脑水肿的发病机制
根据发生机制不同，脑水肿可分为细胞毒性脑水肿、血管源性脑水肿、间质性脑水肿和缺血性脑水肿，其中主要的为细胞毒性和血管源性脑水肿。多种脑部病变，如脑外伤、脑出血、脑肿瘤、脑缺血等，都可引起脑水肿。而不同的脑部病变，其引发脑水肿的机制也各不相同；相同的是，AQP-4在这些病理过程中都起着重要作用。
3.1 AQP-4与脑外伤
外伤性脑水肿(TBI)可导致死亡或残疾，但临床上对于TBI的治疗及控制的方法却很有限。在大脑皮质挫伤的大鼠脑中，受伤处的AQP-4 mRNA表达明显高于脑部其他地方。然而，在临近受伤点的AQP-4的表达反而下降[4]，这反映了机体防止脑外伤后脑水肿无约束蔓延。另有研究表明[5]，在大鼠急性颅脑损伤后4 h即出现内皮细胞肿胀、紧密连接开放、血管周围水肿等超微结构损伤现象，AQP-4 表达呈下降趋势。48 h达到最低，72 h有所回升，与脑水肿的发生发展呈负相关。由此推测，在颅脑损伤后早期，脑内AQP-4蛋白水平迅速减低，可能是机体对脑损伤的一种保护机制，以达到减缓脑水肿形成的目的。这是星形胶质细胞为适应周围渗透压的改变，调节局部渗透压，使其维持在合适范围内保护神经元不受损伤的反应；但过度升高超过自身调节范围，则造成破裂自溶，引起细胞内毒性物质的释放而加重脑水肿。
3.2 AQP-4与脑出血
脑出血后脑水肿的发生和发展由多种因素引起。如血肿的占位效应引起周围组织的机械性损伤，溢出血管的血液成分引起化学性毒物反应及渗透压增加，BBB被破坏或其渗透压增加，缺血再灌注等都是导致水肿的原因。大鼠模型发现血肿周围AQP-4在脑出血后12 h表达开始增强，1~3 d达到高峰，7 d后略高于正常，14 d基本恢复正常。研究表明，脑出血6 h后AQP-4表达不明显，可能是机体对脑损伤的一种保护反应，以减轻BBB损伤和脑水肿。随着出血时间延长和损伤程度加重，大脑进入失保护状态，AQP-4 表达逐渐增高，脑水肿也明显加重[6]。AQP-4还参与了脑出血后期(3 d以后)细胞毒性脑水肿的形成，可能是胶质细胞及细胞间隙多种离子浓度改变、渗透压升高而激活了第一信使，继而活化了胶质细胞蛋白激酶A，使AQP-4磷酸化，增加胞膜对水的通透性，导致细胞内水肿[7]。
3.3 AQP-4与脑肿瘤
脑肿瘤性脑水肿是一种血管源性脑水肿。为了证实AQP-4在血管源性脑水肿中的作用及它是如何清理过剩大脑水量的机制， Papadopoulos 等[8]将黑色素瘤细胞注射植入右脑的新纹状体中，注入的细胞很快在野生型和AQP-4缺失型大鼠的脑中长成界限清楚的黑色素肿瘤。在移植后7 d，通过脑切片观察，发现野生型和AQP-4缺失型无明显区别。然而在第8天时，AQP-4缺失大鼠的神经病理明显恶化，同时颅内压也显著升高。在正常的脑内皮细胞几乎不表达，而在肿瘤细胞上AQP-4的表达增加了3~5倍，其机制可能是肿瘤中生长因子的上调[9]。这些表明，AQP-4在脑肿瘤引起的脑水肿中起到特殊的作用。, http://www.100md.com(杨叶猗 杨作成)
[关键词] 水通道蛋白4；脑水肿；胶质细胞
[中图分类号] R742.7[文献标识码]A [文章编号]1673-7210(2008)02(c)-021-02
脑水肿是多种脑部疾病发展到一定阶段所共同经历的一个病理过程，往往伴随着脑肿瘤、脑缺血、脑出血和颅脑损伤等疾病发生。水通道蛋白(aquaporins, AQPs)是一个高选择性、低活化能转运水分子的跨膜通道蛋白家族。AQP-4有细胞外压力感受器和水平衡调节以及某些离子浓度调节功能，是介导脑组织水与电解质运输和平衡的重要因素。
1 AQP的结构
在1990年，Agre完成了对AQP分子的克隆，阐明了其cDNA的分子组成；1991年又成功完成了对该蛋白的功能鉴定，并将其DNA转入蛙卵细胞并在细胞膜上表达,发现水通透性明显增加,因而证实了第一个水通道的存在。进一步研究发现，水通道与其他离子通道不同，它没有“门控”调节机制，基本上处于激活开放状态。目前已鉴定出至少11种水通道蛋白，依次命名为 AQP 0~10。它们的氨基酸序列有一定同源性，可能存在共同的祖基因。AQP的一级结构为跨越细胞膜6次的单肽链，含有2个胞内襻(B，D)和3个胞外襻(A，C，E)。各种AQP亚型结构的B襻和E襻具有高度同源性，并且都存在有天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸(Asn-Pro-Ala, NPA)的重复串联的膜体[1]，因此，NPA是水通道家族成员共有的特征性结构，且在膜上处于反向相对位置的B襻和E襻对构成功能性水通道的选择性通透作用十分重要。水通道在细胞中以四聚体的形式存在，每一亚单位在功能上都可作为一个单个水通道。按照其功能，AQP家族可分为两类：一类只允许水分子通过，属于选择性水通道，包括AQP-0、1、2、4、5、6；另一类AQP则同时允许水分子和其他的中性小分子(如甘油，尿素)通过，称为aquaglyceroporins，包括AQP-3、7、9。 AQP-4的二级结构由多条螺旋构成，其中Ser180是其特征性结构之一，为AQP-4的磷酸化位点，与水通道的开合密切相关。AQP-4 基因由4个外显子构成，与其他AQP不同的是，它有一个初始编码序列(外显子0)，在外显子1的上游。人类AQP-4基因位于18 q11.2和q12.1的连接处。
2 AQP-4在脑中的分布及其功能
在脑组织中共发现6种AQP：AQP-1、3、4、5、8、9。其中AQP-4在脑组织中分布最广泛。AQP-4广泛存在于脑星形胶质细胞膜的足板、蛛网膜下隙、血管周围的胶质细胞、室管膜细胞、脉络丛上皮及下丘脑的视上核、室旁核及海马齿状回和小脑。由于星形胶质细胞是血脑屏障(BBB)的重要组成部分，所以，AQP-4 的表达对于BBB的功能调节有密切关系。当AQP-4表达上调时，可引起神经胶质细胞足突水肿，进而使BBB遭到破坏，导致脑水肿。表达于室管膜和脉络丛上皮细胞的AQP-4的主要生理功能是参与脑脊液的形成和重吸收。在下丘脑的视上核及室管膜等渗透压感受器中以及相对应区域的神经胶质细胞中也发现了AQP-4的表达。估计此处的AQP-4参与渗透压变化的感受与调节[2]。当细胞处于高渗状态时，细胞膜内外形成一个内低外高的渗透压梯度，细胞内逐渐形成一个相对高渗的环境。此时，AQP-4 表达上调，细胞膜大量水通道开放，使细胞外水分重新流入细胞内，改善细胞内的脱水情况。位于海马齿状回和小脑、脑干神经核团上的AQP-4的表达可能与细胞内外K+的代谢有关[3]，细胞间隙中增高的K+、H+等离子的浓度可引发胶质细胞启动激活细胞内信号系统，使AQP-4失活，从而导致AQP-4表达下调。
3 AQP-4 与脑水肿的发病机制
根据发生机制不同，脑水肿可分为细胞毒性脑水肿、血管源性脑水肿、间质性脑水肿和缺血性脑水肿，其中主要的为细胞毒性和血管源性脑水肿。多种脑部病变，如脑外伤、脑出血、脑肿瘤、脑缺血等，都可引起脑水肿。而不同的脑部病变，其引发脑水肿的机制也各不相同；相同的是，AQP-4在这些病理过程中都起着重要作用。
3.1 AQP-4与脑外伤
外伤性脑水肿(TBI)可导致死亡或残疾，但临床上对于TBI的治疗及控制的方法却很有限。在大脑皮质挫伤的大鼠脑中，受伤处的AQP-4 mRNA表达明显高于脑部其他地方。然而，在临近受伤点的AQP-4的表达反而下降[4]，这反映了机体防止脑外伤后脑水肿无约束蔓延。另有研究表明[5]，在大鼠急性颅脑损伤后4 h即出现内皮细胞肿胀、紧密连接开放、血管周围水肿等超微结构损伤现象，AQP-4 表达呈下降趋势。48 h达到最低，72 h有所回升，与脑水肿的发生发展呈负相关。由此推测，在颅脑损伤后早期，脑内AQP-4蛋白水平迅速减低，可能是机体对脑损伤的一种保护机制，以达到减缓脑水肿形成的目的。这是星形胶质细胞为适应周围渗透压的改变，调节局部渗透压，使其维持在合适范围内保护神经元不受损伤的反应；但过度升高超过自身调节范围，则造成破裂自溶，引起细胞内毒性物质的释放而加重脑水肿。
3.2 AQP-4与脑出血
脑出血后脑水肿的发生和发展由多种因素引起。如血肿的占位效应引起周围组织的机械性损伤，溢出血管的血液成分引起化学性毒物反应及渗透压增加，BBB被破坏或其渗透压增加，缺血再灌注等都是导致水肿的原因。大鼠模型发现血肿周围AQP-4在脑出血后12 h表达开始增强，1~3 d达到高峰，7 d后略高于正常，14 d基本恢复正常。研究表明，脑出血6 h后AQP-4表达不明显，可能是机体对脑损伤的一种保护反应，以减轻BBB损伤和脑水肿。随着出血时间延长和损伤程度加重，大脑进入失保护状态，AQP-4 表达逐渐增高，脑水肿也明显加重[6]。AQP-4还参与了脑出血后期(3 d以后)细胞毒性脑水肿的形成，可能是胶质细胞及细胞间隙多种离子浓度改变、渗透压升高而激活了第一信使，继而活化了胶质细胞蛋白激酶A，使AQP-4磷酸化，增加胞膜对水的通透性，导致细胞内水肿[7]。
3.3 AQP-4与脑肿瘤
脑肿瘤性脑水肿是一种血管源性脑水肿。为了证实AQP-4在血管源性脑水肿中的作用及它是如何清理过剩大脑水量的机制， Papadopoulos 等[8]将黑色素瘤细胞注射植入右脑的新纹状体中，注入的细胞很快在野生型和AQP-4缺失型大鼠的脑中长成界限清楚的黑色素肿瘤。在移植后7 d，通过脑切片观察，发现野生型和AQP-4缺失型无明显区别。然而在第8天时，AQP-4缺失大鼠的神经病理明显恶化，同时颅内压也显著升高。在正常的脑内皮细胞几乎不表达，而在肿瘤细胞上AQP-4的表达增加了3~5倍，其机制可能是肿瘤中生长因子的上调[9]。这些表明，AQP-4在脑肿瘤引起的脑水肿中起到特殊的作用。, http://www.100md.com(杨叶猗 杨作成)