AQP4与中枢神经系统生理和病理的研究进展
发表时间:2009-06-19 浏览次数:877次
作者:沈光建,综述,唐文渊,许民
作者单位:中国人民解放军第三军医大学大坪医院野战外科研究所神经外科,重庆 400042; 重庆医科大学第一临床学院神经外科,重庆 400042 【摘要】 AQP4属水通道蛋白 (AQP) 家族中仅对水具有通透性的亚类,主要分布于中枢神经系统的胶质界膜和血管周围的星形细胞足突,受多种生理和病理因素调节,在维持中枢神经系统水、电解质平衡和多种病理状况下脑水肿的发生、发展中具有重要作用。本文综述了近年来AQP4有关方面的研究进展。
【关键词】 水孔蛋白类 中枢神经系统 抗肌萎缩蛋白复合物 水电解质平衡
1 AQP4的结构及在中枢神经系统中的分布和调控
1.1 AQP4的结构 水通道蛋白 (AQP) 的基本结构为前后两部分在序列上相似的对称镜像结构,每一部分含有3个跨膜α螺旋、胞质内的氨基和羧基末端及一个连接环。两个连接环上的天冬酰氨-哺氨酸-丙氨酸 (NPA) 基元被认为是决定水选择性通透的重要结构。模型研究表明:AQP蛋白在脂质双分子层上表现为一个孔洞,其直径为0.3~0.6 nm;对水特异性通透的原因可能在于孔洞的直径,水化离子因直径太大而不能通透。不过,这一解释并不能完全令人信服,因为一些AQP除了对水具有通透性外,还对甘油、尿素甚至阴离子等具有通透性。 AQP家族中,AQP4仅对水具有通透性,由于其功能不被汞抑制,故最初又称为汞不敏感性水通道。AQP4存在含有323个氨基酸的M1和含有301个氨基酸的M23两种形式,均在中枢神经系统中表达,但M23更丰富。在结构上,AQP4与其他AQP相似;不同的是,由于缺乏半胱氨酸残基,故其功能不被汞抑制;在羧基未端,有一个PDZ结构域反应序列Ser-Ser-Val[1,2]。
1.2 AQP4在中枢神经系统中的分布 在脑中,AQP4一个主要的表达区域是形成胶质界膜的致密星形足突,而胶质界膜是与脑脊液接触的软脑膜和室管膜表面的屏障;另一个高度极性化表达的区域是血管周围的星形细胞足突;此外,在下丘脑的一些渗透压调节区域中,也有AQP4表达。在下丘脑巨细胞核中,富含AQP4的胶质层被发现与巨细胞神经元直接接触;在脊髓中,AQP4除了在血管周围呈极性表达外,在灰质中与神经元胞体和突触直接接触的胶质细胞足突也有丰富的表达[1,2]。AQP4主要在水转运位点呈高表达及其对水通透的高度选择性,表明其在脑中的重要作用是在胶质细胞、血、脑脊液间进行水的调节,从而维持脑的水盐平衡。
1.3 AQP4功能和表达的调节 有研究表明,AQP4功能可能受G蛋白偶联受体 (GPCR) 途径调节。Han等[3]及Zelenina等[4]分别在爪蟾卵母细胞和肾上皮细胞中发现,以佛波醇激活蛋白激酶C,可使其第180位丝氨酸残基磷酸化,进而致AQP4的水通透活性下降;而在肾上皮细胞,激活蛋白激酶A则可使第111位丝氨酸残基磷酸化,从而提高AQP4的水通透活性。Niermann等[5]发现:在中枢神经系统中,精氨酸血管加压素能提高AQP4的水通透活性。精氨酸血管加压素的作用机制是通过V1和V2受体激活磷酯酶C和腺苷酸环化酶,后两者再经过一系列中间途径使蛋白激酶C和蛋白激酶A活化,进而使效应分子磷酸化而改变其功能。中枢神经系统AQP4的功能能被精氨酸血管加压素刺激,且这种刺激作用能被蛋白激酶C抑制剂所阻断,表明GPCR途径在中枢神经系统AQP4功能调节中也起了重要作用。蛋白激酶C在中枢神经和周围组织AQP4功能的调节中作用相反,可能与组织特异性差异有关。 目前,对AQP4表达的调节机制,还知之甚少。研究结果认为,AQP4主要分布在血管周围的星形胶质细胞足突上,这一表达特征主要是受特异性组织蛋白——抗肌萎缩蛋白复合物的调节,即抗肌萎缩蛋白复合物对AQP4的定位具有锚定作用[2]。有关的病理因素对AQP4表达影响的研究也在不断进行之中:Yamamoto等[6]在培养的星形细胞中发现:低氧可显著降低AQP4及其mRNA的表达,而再氧化后可使其水平迅速恢复;但Aoki等[7]对人梗死脑组织的AQP4及其mRNA进行测定发现:在梗死灶周围,AQP4及其mRNA的表达明显增高;Arima等[8]在甘露醇制成的高渗应激模型中发现:高渗状态可增加培养的星形细胞和大脑皮质AQP4的表达,这种刺激作用能被p38丝裂原激活蛋白激酶 (MAPK) 抑制剂所抑制,但不能被细胞外信号调节激酶 (ERK) 和c-JNK氨基末端蛋白激酶 (JNK) 抑制剂所抑制; Rama Rao等[9]观察了氨对AQP4表达的影响,发现氨能显著地增加所培养的星形细胞中AQP4的表达;另外,Miyajima等[10]研究发现:C型利钠肽能以cGMP依赖方式来促进AQP4的表达。
2 AQP4在中枢神经系统生理和病理中的意义 研究AQP4在中枢神经系统生理和病理的意义有两种常用的动物模型,即AQP4基因敲除鼠和mdx鼠,后者又称抗肌萎缩蛋白复合物缺乏鼠。Duchenne型肌营养不良 (DMD) 是一种X相关基因疾病,可引起进行性肌萎缩,其基因表达一种427kDa的蛋白复合物——抗肌萎缩蛋白复合物,被认为与肌肉中AQP4的表达和脑中AQP4在血管周围的极性表达密切相关。
2.1 参与对中枢神经系统水、电解质的调节 在中枢神经系统中,星形胶质细胞的一个重要功能是调节水、电解质的平衡。AQP4为星形胶质细胞提供了一个快速的水转运通道,从而帮助星形胶质细胞实现这一功能。Solenov等[11]观察发现:AQP4缺乏的星形胶质细胞对水的通透性能较野生株低7倍;Nicchia等[12]使用反义RNA减少AQP4的表达,发现星形胶质细胞对水的通透性能下降了50%。通过对水的快速转运,星形细胞可以迅速调节细胞内外容积。星形胶质细胞通过AQP4对水的快速转运来调节中枢神经系统水、电解质平衡的另一个途径是对钾离子的调节。在神经活动期间,有大量钾离子释放于细胞外空间。星形细胞对钾离子的阻留,是保证细胞内外钾离子平衡的重要手段。实现这一功能的重要构件之一是星形细胞膜上的内流型整流钾离子通通 (inwardly rectifying potassium channel,Kir)。实验研究表明:AQP4与Kir4.1在一些神经组织呈复合表达模式。故有学者认为:AQP4在中枢神经系统中的一个重要作用就是通过允许水的快速转运而促进星形胶质细胞通过Kir4.1对钾的摄取[13]。
2.2 参与部分感觉冲动的传导 研究发现,在鼠内耳Corti器邻近毛细胞支持的上皮细胞中有AQP4的表达。为了研究其在听觉冲动传导中的作用,Li等[14]观察了AQP4敲除鼠的听觉脑干反应 (ABR),研究结果发现:在CD1基因背景下,4~5周龄AQP4敲除鼠的ABR刺激阈较野生鼠增加了20db以上;在C57/Bl6背景下,AQP4敲除鼠的ABR缺如,而野生鼠则存在。光镜下,两种鼠无形态上的差异。这些研究结果表明:AQP4在听觉冲动的传导中起了一定的作用,其原因可能与AQP4能使上皮细胞快速渗透平衡有关。在视网膜上,AQP4表达于紧靠双极细胞的Muller细胞。研究表明:AQP4敲除鼠的视网膜图的B波有轻度下降,表明AQP4也参与了视觉冲动的传导,其原因也可能在于水的转运或钾的缓冲[14]。
2.3 调节神经兴奋性 研究表明:细胞内外的相对容积对神经兴奋性有重要影响。使用低渗液降低细胞内外的相对容积,将提高神经兴奋性,增加癫■活动的发放,而高渗介质则有相反的影响。由于细胞肿胀在调节细胞内外的容积方面有着重要作用,故有学者认为:星形胶质细胞上的AQP4依赖性水转运参与神经兴奋的调节。这一观点现已得到了一定的实验结果支持。Binder等[15]观察了AQP4敲除鼠和野生鼠对惊厥剂戊四氮 (PTZ) 的反应性:PTZ剂量为40 mg/kg时,所有野生鼠均出现癫■活动,而6只AQP4敲除鼠则缺如;PTZ剂量为50 mg/kg时,两组均出现癫■活动,但野生鼠的潜伏期更短。Amiry-Moghaddam等[16]研究发现:在高热癫■模型中,DMD模型鼠 (mdx鼠) 较野生鼠有更严重的癫■发作。但对于AQP4调节神经兴奋性的具体机制仍然不清,他们观察了mdx鼠的海马切片,认为AQP4依赖性细胞外钾清除的下降可能是原因之一。
2.4 参与脑水肿的发生及发展 Manley等[17]对AQP4敲除鼠和野生鼠的水中毒反应进行了比较。在中毒一段时间后,野生鼠开始由不协调快速进展到麻痹,而AQP4敲除鼠则仅有轻度昏睡。1 h后,野生鼠仅7%存活而AQP4敲除鼠存活率达76%;使用几何方法测定脑组织的含水量,发现AQP4鼠较低;电镜显示野生鼠较AQP4敲除鼠有更严重的血管周围星形细胞肿胀。这些研究结果证实:AQP4可能通过对血管内水的快速转运而促进细胞毒性脑水肿的发生、发展。以后,Vajda等[18]对mdx转基因鼠进行研究,也得到了相似的结论。 缺血性中风的严重后果之一是出现以细胞毒性水肿为主、并伴有一定程度血管源性水肿的混合性脑水肿。AQP4在其中的作用是目前的研究热点之一。在大脑中动脉闭塞的模型中,Manley等[17]发现:与野生鼠相比,AQP4敲除鼠有更好的神经功能状态和存活率,半球肿胀和中线移位更轻,梗死容积更小。这表明:AQP4促使了缺血性中风后脑水肿的发生、发展,使用AQP4抑制剂将可能成为治疗缺血性中风的新途径。 由于AQP4是双向水通道蛋白,不仅允许水进入脑组织中,同样也允许水离开脑组织,由此而推测,AQP4在脑水肿的发生、发展过程中也有一定的有益作用。Papadopoulos等[19]对血管源性脑水肿的研究在一定程度上证实了这一推测。他们以脑实质内等张液输注模拟血管源性脑水肿,发现AQP4敲除鼠有更高的颅内压和更多的含水量;在公认的冷冻伤和肿瘤性血管源性脑水肿的模型中,也得到了同样的结果。上述研究结果提示:在血管源性脑水肿的发生发展过程中,水进入脑不依赖AQP4,而水从脑中清除则与其密切相关。
3 展望 AQP4在中枢神经系统中有着广泛的分布,是中枢神经系统水盐代谢的重要结构基础。对AQP4进行深入的研究,可望在分子水平上对许多中枢神经系统生理和病理机制进行阐明,从而为临床诊治相关疾病提供新途径。
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