水通道蛋白及其與糖尿病并發癥關系的研究進展

王容貞(綜述)，陳少強(審校)

(福建醫科大學解剖學系，福州 350000)

水通道蛋白及其與糖尿病并發癥關系的研究進展

王容貞△(綜述)，陳少強※(審校)

(福建醫科大學解剖學系，福州 350000)

糖尿病是一種常見且多發的內分泌疾病，其復雜且多方面的代謝異常導致諸多器官結構和功能的損害。分子生物學技術的發展使人們開始在體液代謝異常上研究糖尿病及其并發癥。水通道蛋白作為一種跨細胞膜轉運水分子蛋白，在一些水代謝障礙疾病中發揮著重要作用?，F對水通道蛋白及其與糖尿病并發癥的相關性進行綜述。

糖尿病;并發癥;水通道蛋白;相關性

糖尿病是臨床上一種常見且多發的內分泌疾病，目前世界范圍內有約2.4億的糖尿病患者，預計到2025年，糖尿病的患病人數將達到3.5億［1］。糖尿病復雜且多方面的代謝異常常導致諸多器官結構和功能的損害，是糖尿病致殘、甚至致亡的主要原因。近年來，隨著分子生物學技術的不斷發展，人們研究發現體液代謝異常在糖尿病心肌病、糖尿病腎病、糖尿病視網膜病(diabetic retinopathy，DR)和糖尿病神經病變等糖尿病并發癥的發生、發展中發揮重要作用，而水通道蛋白(aquaporin，AQP)作為一種細胞膜轉運蛋白，是影響組織體液代謝的關鍵因素之一。

1 AQP的發現

生物膜上的磷脂雙分子層，使活細胞內環境物質及細胞器與外部環境相隔開，細胞內外的物質轉運，主要是由結合于細胞膜上的膜蛋白來完成。在發現AQP前，人們普遍認為水分子通過細胞的磷脂雙層膜是靠簡單的擴散實現。1988年，Agre等［2］在分離、純化人類紅細胞膜上的RH血型抗原時，偶然發現了一個相對分子質量為28×103的疏水性跨膜蛋白，稱為形成通道的膜整合蛋白(channel-forming integral membrane protein，CHIP28)。在 Preston 等［3］完成了CHIP28的cDNA克隆后，Agre研究組繼續更深入的研究［4］，他們用微管注入的方法將CHIP28的mRNA注入到非洲爪蟾卵細胞內，使卵細胞膜上表達CHIP28。實驗發現表達了CHIP28的蛙卵母細胞在高滲溶液中迅速膨脹直至破裂，而沒有表達 CHIP28的卵母細胞則無明顯變化。同樣，實驗觀察到注射有體外轉錄合成CHIP28 cDNA的非洲爪蟾卵母細胞在低滲溶液中迅速膨脹并于5 min內破裂。這證實了細胞膜上存在著轉運水的特異性孔道蛋白，并將其命名為AQP1。隨著AQP1的發現，人們在哺乳動物中又陸續發現了多種不同的AQP。研究表明這些AQP之間具有非常相似的蛋白質序列及三維結構，共同歸屬于龐大的主要內源性蛋白(major intrinsic protein，MIP)家族。

2 AQP的分類和分布

AQP以四聚體形式存在，每個四聚體形成一個獨立的水通道，其分子的一級結構由2個分別位于肽鏈兩側的重復部分構成，各自擁有天冬氨酰-脯氨酸-丙氨酸特征序列，此序列決定水的選擇性滲透作用。Morishita等［5］對AQP家族的基因序列和三維結構進行了深入的研究，根據AQP的滲透特異性，可將AQP家族分為以下幾個亞家族。第一類為水選擇性通道亞家族，包括 AQP1、AQP2、AQP4、AQP5、AQP6和AQP0，它們之間的基因結構相似，氨基酸序列有30%～50%的同源性，并且只對水具有滲透性。第二類為水-甘油通道亞家族，包括AQP3、AQP7、AQP9和AQP10，它們有著相似的蛋白質序列和基因結構，這一AQP亞家族除了可轉運水分子之外，還對其他中性小分子溶質具有滲透性，特別是甘油和尿素。AQP8、AQP11、AQP12雖對水等具有通透性，但因它們的基因結構與其他AQP家族不同，暫時將其歸于第三類。應用免疫組織化學及分子生物學等方法研究發現，AQPs廣泛分布于機體組織細胞，不僅可表達于與體液分泌和吸收密切相關的內皮細胞，在其他一些組織細胞，如紅細胞、脂肪細胞中也可見AQPs的表達。侯彩云等［6］根據國內外學者對AQP的研究，將其在機體各組織內的分布總結如下：AQP0只在晶狀體囊內的纖維細胞膜上表達;AQP1表達于腎近曲小管、血管、眼球和肝膽管上皮等;AQP2只存在于腎臟，在細胞內的分布受激素調控;AQP3在腎臟、結腸、氣管等部位均有表達;AQP4分布于中樞神經系統的星形膠質細胞、腎臟、眼球和骨骼肌等部位;AQP5主要分布在肺泡上皮細胞等分泌型腺體上;AQP6分布于腎臟;AQP7分布于心臟、腎臟、睪丸和脂肪組織;AQP8分布于腦、腎臟、睪丸和肝臟;AQP9分布于腦、肝臟和外周血白細胞;AQP10分布于腸腔內;AQP11和AQP12又稱為超AQP，分布于腎臟和胰腺。

3 AQP的調節

AQP在體內介導體液轉運時，有著特殊的機制發揮效應。研究表明，AQP的調節方式主要有兩種，即短時調控和長時調控，并且在調節過程中，可受到一些生理、細胞因子等因素的影響。短時調控比較迅速，是通過改變AQP對分子的選擇及通透性發揮作用。這種調節方式主要表現為AQPs的磷酸化調控，即在某些因素的作用下，腺苷酸環化酶被激活而使細胞內的環腺苷酸(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)增高，后者活化蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)或蛋白激酶 C(protein kinase C，PKC)，進而激活AQP上的磷酸化位點而使細胞膜對水的通透性增強。對腎集合管上皮AQP2調節的一些研究顯示，在抗利尿激素的誘導下，細胞內的腺苷酸環化酶被激活使cAMP含量增加，后者通過PKA途徑使含AQP2的胞質膜泡轉移到管腔膜上，從而提高其對水的通透性，使集合管對水的重吸收增加［7-8］。Amorini等［9］把PKC的活化劑佛波醇酯注入小鼠腦室內，實驗結果表明，注射組可通過磷酸化方式調節PKC的活性，從而下調治療組腦的含水量。AQP的長時調節主要體現在轉錄水平上，是一種慢性的調節方式，這種調控主要通過 cAMP途徑來進行。Christensen等［8］的實驗結果表明，在抗利尿激素的誘導下，主細胞內持續增加的cAMP可進入細胞核內，它作用于AQP2基因啟動子中的cAMP反應元件，促進AQP2基因的轉錄，進而使AQP2蛋白表達增加。Shengbiao等［10］對離體人羊膜上皮細胞的實驗表明，PKA通路中cAMP含量的改變，能相應調節AQP mRNA的表達，進而影響其對水的轉運活性。AQP的長時調節也受到其他一些因素的影響，如滲透壓、溫度、pH、損傷及激素等。Stooenoiu等［11］研究顯示，大鼠腹膜在高劑量皮質激素的作用下可表達AQP1蛋白及mRNA，而運用糖皮質激素受體抑制劑RU-486能夠使皮質激素的誘導作用受到抑制。

AQP在一些代謝性疾病的發生、發展過程中發揮作用，所以對AQP調節機制的深入研究是一個全新的課題，它對探索一些代謝性疾病的發病機制及治療有著十分重要的意義。

4 AQP與糖尿病及其并發癥

國內外學者對AQPs在機體各個系統的組織定位和生理功能作了大量的探討。糖尿病作為一種慢性代謝障礙性疾病，所引起的并發癥常累及到機體不同的靶組織，最主要表現在微血管的病變，如糖尿病腎病、糖尿病心肌病、糖尿病周圍神經病變及糖尿病視網膜病變等，而長期以來人們對糖尿病及其并發癥的研究，更多注重在糖代謝紊亂的病因方面。AQPs的發現，為研究者探討糖尿病及其并發癥的發病機制提供了全新的思維，在分子水平上豐富了糖尿病的研究內容。

4.1 AQPs與糖尿病腎病 糖尿病腎病的基本病理特征為腎小球基底膜均勻肥厚，并伴有腎小球系膜區細胞外基質積聚、腎小球囊和腎小球系膜細胞呈結節性肥厚及滲透性增加，最終形成終末期腎病，其發病機制涉及糖代謝紊亂、生物因子、氧化應激與血流動力學改變等多方面。AQPs家族的成員更多表達于腎臟組織。Nielsen等［12］對腎臟中AQP表達的研究顯示，腎臟近曲小管和亨勒髓襻降支的質膜上表達有AQP1，腎集合管主細胞的頂膜和胞質上表達有AQP2，而基底外側膜則分布著AQP3和AQP4，腎集合管的泌酸A型細胞的胞內囊泡中表達著AQP6，在腎近曲小管的第3段上則分布著AQP7。這表明AQPs的表達對影響著腎臟及其病變的發生、發展?，F階段對AQPs與糖尿病腎病關系的研究相對的較多。以AQP2為例，Nielsen等［13］實驗發現，血管加壓素可以調節腎組織集合管主細胞內AQP2的活性，從而提高集合管對水的通透性。Kim等［14］發現鏈脲佐菌素誘導糖尿病幾天后的糖尿病大鼠腎臟髓質頂端及基底部的AQP2含量明顯高于正常組。最近有研究［15］總結了AQP2在腎臟集合管主細胞上的作用機制，即急性調節和遠期調節。急性調節主要是抗利尿激素引起PKA的磷酸化途徑，PKA使含有AQP2的胞質囊泡向管腔膜轉移并與其融合，使胞膜對水的通透性增加;而遠期調節不受抗利尿激素調節，是腎臟主細胞上皮對水通透性改變所致。

4.2 AQPs與糖尿病心肌病 糖尿病心肌病的病理學研究顯示，糖尿病心肌病的基本發病機制是心肌細胞的代謝紊亂引起的廣泛性、彌散性心肌損害，具體表現為心肌細胞的肥大、變性和壞死等。心肌炎性反應在糖尿病心肌病的發生、發展中過程中起著重要的作用。Jennifer等［16］研究顯示，運用腺病毒阻止細胞發生炎性反應時，腫瘤壞死因子α和干擾素γ等致炎因子表達的提高，會相應的影響AQP的表達，進而使細胞膜轉運水的能力增強，造成細胞的水腫和變性。Butler等［17］在研究AQP在心肌組織中的表達時發現，人類心臟中表達有 AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP7、AQP9、AQP10、AQP11;小鼠心臟中表達有 AQP1、AQP4、AQP6、AQP7、AQP8、AQP11;大鼠心臟中則有 AQP1、AQP4、AQP6、AQP7、AQP11 的表達。這說明AQP在心肌細胞發揮正常生理作用時起著重要作用。一項對糖尿病心肌病大鼠的研究也證明，正常大鼠心肌組織中有AQP1、AQP3的廣泛表達，AQP1主要分布于血管內皮細胞的胞膜上，AQP3則主要分布于心肌細胞的胞膜上。在糖尿病心肌組織中，AQP1和 AQP3的表達明顯下降［18］。王海英等［19］通過實驗進一步發現，運用羅格列酮治療糖尿病大鼠可穩定其心肌微血管內皮細胞胞膜上AQP1的表達，從而起到干預糖尿病心肌病變發生的作用。以上研究提示，AQP在糖尿病心肌病的發生、發展中發揮著重要作用。

4.3 AQPs與DR DR是糖尿病代謝紊亂和內分泌系統損害在視網膜上的反映。DR早期的病理改變可出現視網膜的黃斑水腫，進而出血一系列的視網膜微血管病變。以往對DR發病機制的研究表明，DR的病因是錯綜復雜的，其中包括有多元醇通路激活假說、二酰甘油-蛋白激酶C系統、糖基化終末產物、高血糖、免疫炎癥因素、細胞因子、氧化應激以及一些相關基因等因素。這些因素引起機體糖代謝紊亂和微循環障礙，進一步在視網膜上造成損傷。AQP的發現，使人們開始從水、電解質轉運水平來探討視網膜黃斑水腫的形成及視網膜神經退行性病變的發病機制。Mori等［20］在觀察DR臨床表現時發現，DR除表現為視網膜微血管滲漏外，血-視網膜屏障的轉運異常引起的嚴重黃斑水腫也是一種常見的臨床病理現象。在視網膜組織中，維持視網膜組織體液平衡的主要細胞是Müller細胞，而Müller細胞存在著轉運水的AQP家族成員AQP4。Verkman等［21］在對大鼠視網膜缺血/再灌注損傷的發病機制研究中發現，AQP4基因缺失鼠視網膜各層的水腫較正常鼠明顯減輕。陳海等［22］運用免疫熒光及反轉錄-聚合酶鏈反應等方法對實驗性早期糖尿病大鼠視網膜進行觀察，發現視網膜內AQP4及其mRNA在正常大鼠中表達很弱，而在鏈脲佐菌素誘導的大鼠中的表達量則明顯上調，提示AQP4的表達可能影響著DR的發生、發展。而最近一項對缺氧條件下兔視網膜Müller細胞上 AQP4表達變化的實驗［23］顯示，缺氧早期Müller細胞AQP4的表達較正常氧濃度下明顯增加，導致視網膜組織內水分積聚，過多的液體無法被及時重吸收回血液，最終引起視網膜組織水腫。

5 AQP的研究前景

隨著分子生物學的發展，人們對AQP功能的認識在不斷深化和完善，以AQP作為治療人類疾病藥物作用的靶點正逐漸的引起研究者的重視。對AQP的深入研究，將有助于進一步了解一些因水平衡紊亂，代謝異常引起的內分泌性疾病。糖尿病及其并發癥的發生、發展，給人們日常生活帶來了嚴重影響。長期以來人們對糖尿病及其并發癥的研究，更多的是建立在多種原因引起糖代謝紊亂方面，AQPs的發現，使研究者開始以其為指標來探討糖尿病及其并發癥的水電解質紊亂。因此，從AQPs水平來探討其與糖尿病的關系，把體液代謝異常與組織蛋白的相關因素結合起來進行研究，可以為探索其發病機制以及尋找更好的治療方法提供理論依據。

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Research Progress in Correlation between Aquaporins and Diabetes Complications

WANG Rongzhen，CHEN Shao-qiang.(Department of Anatomy，Fujian Medical University，Fuzhou350000，China)

Diabetes mellitus is a common multiple endocrine disease.It often causes very complex and various metabolic abnormalities，which can lead to organ damages.With the development of the molecular biotechnology，researchers begin to study this disease and its complications from the perspective of humoral metabolic abnormalities.Since aquaporins(AQPs)play critical roles in controlling the water metabolism as integral membrane proteins，here is to make a review on the AQPs and its relation to the diabetic complications.

Diabetes mellitus;Complication;Aquaporins;Correlation

R587.2

A

1006-2084(2012)13-2075-04

福建省自然科學基金(2009J01160)

2011-11-22

2012-02-25 編輯：樓立理