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作用 收分泌的液体总量超过 9 L , 消化道液体的正常转 运对维持机体正常生理功能有重要意义, 许多实验 已经证实水通道蛋白参与了肠道液体转运的生理 和病理过程, 它们的表达部位、 表达量、 在细胞膜上 排列方式以及单位膜面积上的分布强度与器官的 生理功能及病理状态密切相关。目前发现至少有 10 种水 通道 蛋白 在肠道 的表 达已 有报 道, 包括 : AQP1, AQP2, AQP3, AQP4, AQP5, AQP7, AQP8, AQP9, AQP10, AQP12。 2. 1 AQP 2 Gallardo 等
研究了人结肠 AQP 3
的定位及功能特点, 发现 AQP3 mRNA 在结肠表达 明显多于胃、 空肠和回肠 ; 免疫荧光、 免疫细胞化学 发现 AQP3 蛋白局限在结肠绒毛上皮细胞, 进一步 对这些阳性表 达细胞免疫染色发现 AQP3 在绒毛 上皮细胞顶膜的表达强度远大于基底 外侧膜。这 些研究结果提 示 AQP 3 与人类结肠 上皮细胞对水 分的吸收有一定的相关性。 It oh 等
山西省自然基金项目 ( 2006010026) 030012
现在山西省人民医院消化科工作
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山西医科大学学报 ( J Shanx i M ed U niv) 2007 年 3 月 , 38 ( 3)
水通道蛋白在肠道的表达及在肠道水代谢中的 人体正常 情况下每日通过消化 道及消化腺吸
学上仅有很轻微改变。就 Na+ K + AT P 酶 mRNA 的表达而 言, 假 手术组仅 在小肠远 段有轻度 的增 加; 而手术组在任 何肠段都没有变化。 AQP 3 mR NA 的表达则不同, 假手术组随着小肠长度的增加 其表达逐渐增高 , 在末端回肠显著增高 ; 而手术组 造口远端的 AQP3 mRNA 表达水平下降了 30% 50% 。这 些研究结果提示小肠黏膜 AQP3 的表达 有部位差异, 而且其表达很可能依赖于肠内容物的 存在 ; AQP3 基因表达的变化与 Na+ K + AT P 酶基 因表达的变化 无相关关系。因此我们推 断肠内容 物的有无及肠内容物的性质可能影响肠内 AQPs 的 表达变化 , 可以为因饮食结构的改变而引起的腹泻 和便秘的深入研究提供新的切入点。 临床上肠大部分切 除术后病人通常 出现水样 腹泻 , 其主要原因 是肠吸收面积减少, 但 是这种症 状会随 肠 道 适应 性 变 化 而得 以 改 善。 T sujikaw a 等
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发现 AQP2 mRNA 在大
+
鼠远端结肠隐窝细胞有表达, 表面吸收上皮细胞也 有少量表达; AQP2 蛋白与 H Na K
+ +
K
+
AT P 酶而不是
AT P 酶共 表达 于表面 吸收 细胞 的 顶部。
这些结果表明 AQP 2 存在于远端结 肠并参与了结 肠水分的吸收 , 且主要存在于结肠隐窝 上皮细胞 , 因为结肠隐窝上皮内含有远较小肠更为丰富的杯 状细胞 , 因此推测 AQP2 不仅参与了结肠水分的吸 收 , 很可能还参与了结肠液体的分泌。 2. 2 AQP3 Silberst ein 等
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则进一步 对人结肠 AQP3 表达潜在
的调节机制进行了研究 , 结果发现用 VIP 孵育人结 肠上皮细胞系 HT - 29, AQP3 在 mRNA 及蛋白表 达水平上都上调, cAM P 反应元件的 DNA 结合活性 增强; 蛋白激酶 A 抑制剂 H - 89 则可以阻断由 VIP 对 AQP 3 mRNA 表达的上调作用。研究显示, VIP 是通过 cAM P 依赖的途径上调 AQP3 及其 mRNA 表达。可以推测 AQP3 是 V IP 作用的最终靶分子 之一 , VIP 参与结肠水代谢与 AQP 3 表达的增多有 关。 Purdy 等 kD 左右的糖蛋白家族, 这些水通道蛋白具有 20% - 60% 氨基酸序列同源 性。每一种水通道蛋白由不同的基因编码 , 是由一 条大约 270 个氨基酸的多肽链构成, 其一级结构均 含 6 个跨膜区及三个胞外环 ( A 环、 C 环、 E 环 ) 和两 个胞内环( B 环、 D 环 ) , 氨基和羧基末端位于胞内。 AQPs 的整个分子为前后排列的重复序列 , 呈 180! 的镜像对称结构。B 环和 E 环均为疏水环 , 都存在 保守的天 冬氨酸 - 脯氨酸 - 丙 氨酸 ( Asn - Pro Ala, NPA) 的氨基酸单元 , NPA 是 M IP 家族共有的 特征结 构。根 据水 分子 结 构的 沙漏 模 型 ( hour glass f ashion) , B 环和 E 环分别在膜的胞质面向脂 质双层中折叠 , 两 个 NPA 在折叠中形成 一个直径 约 0. 3 nm 的单水分子孔道 , 可能是水通道的选择 性滤器。水通道蛋白的二级结构由 40% 的 - 螺旋 和 42% - 43% 的 - 片层及转角构成 ; 它的四级结 构以四聚体的形式存在。 根据对水和其他溶质的通透性, 将 AQPs 分为 两个 亚 家 族; 水通 道 ( aquaporins) 和 水 甘 油 通 道 ( aquaglyceroporins) ; 前 者 仅 对 水 有 通 透 性 , 包 括 AQP 0, 1, 2, 4, 5, 8, 11, 12; 后者除水外还对其他小 分子溶质如甘油等具有通透性, 包括 AQP 3, 7, 9, 10。此外 , 根据其对汞制剂的 敏感性不同 , 可分为 汞敏感型 ( M ercurial sensit ive w ater channel) 和汞不 敏感型( M ercurial insensit ive w at er channel) ; 前者包 括 AQP1- 3, 5- 6, 8- 12; 后者包括 AQP 4, 7。 AQPs 在哺乳动物组织内广泛分布, 其生理学 特性除特异性转运水外还参与维持膜的流动性和 完整性及有助于肿瘤血管的生长, 此外还具有参与 细胞迁移、 脂肪代谢、 表皮更新、 神经信号转 导, 容 积调节、 新陈代谢等细胞学功能。
[ 7]
少是一致的。进一步对急性溃疡性结肠炎、 克罗恩 或感染性结肠炎患者进行了研究, 发现这些患者结 肠 AQP 表达也是下降的。这些研究结果表明鼠和 人的结肠损伤都与水通道蛋白的表达下调有关, 说 明 AQPs 参与了结肠液体的分泌。 2. 4 AQP8 Nort hernblot 分析 显示 , 仅 1. 35 kb AQP8 mRNA 在人 的胰腺 和结 肠有 表达 , 在 大鼠 AQP8 不仅在十二指肠、 近端空肠、 近端结肠、 直肠、 唾液腺、 胰腺和肝 脏有表达, 而且在胃和 末端结肠 也有微量表达 [ 10, 11] ; 免疫组化技术显示 AQP 8 定位 于大鼠十二指肠、 近端空肠、 近端结肠及 直肠的吸 收性上皮细胞内并局限于顶膜下的胞质内 [ 12] , 在人 的结肠表面吸收上皮细胞也有表达, 而在陷窝细胞 不表达[ 13] 。提示 AQP8 参与了结肠水吸收 , 在结肠 的水代谢中起重要作用。 Umbert 等[ 14] 研究了鼠末端结肠表面和隐窝细 胞 AQP 的表达和功能。用半定量 RT PCR 和免疫 印迹、 免疫组 化的方法测定 离体结肠细 胞 AQP3, AQP4, AQP8 的 表 达 和 定 位。采 用 St opped flow light scatt ering 的方法测定离体结肠细胞水的渗透 性转运, 采用 RNA 干扰技术研究 AQP8 对离体结 肠细胞水转运的能力。研究发现末端结肠 AQP3, AQP4, AQP8 的表达从隐窝到结肠表面逐渐增加。 水的渗透性结肠表面显著高于隐窝处, 并且这一作 用可以被水通道阻滞剂二甲基亚砜显著抑制 , 也可 以被 - 硫 氢基 乙 醇 逆 转。 免疫 组 化 结 果 显 示 AQP8 定 位于结肠 表面细胞 的顶膜。小分子 干扰 RNA 技术抑制 AQP8 的表达后水的渗透性显著降 低 ( 38% ) 。研究表明 AQP8 在结肠表面细胞水的 转运中可能起重要作用。 Fischer 等 [ 13] 利用差异显示法 ( m RNA differen tial display RT - PCR, mRNA DD PCR) 研 究人类 结直肠肿瘤与正常结直肠上皮基因表达情况 , 结果 发现 , 有 1 个基因片断仅在正常组织表达 , 腺瘤、 癌 细胞缺失或极少表达 ; 这一孤立的基因片断经研究 证实是 AQP8 基因。原位 杂交法显示 AQP8 表达 于正常结肠上皮细胞的腔面。因此推测 , AQP8 对 于正常分化的结肠上皮细胞是不可缺少的 , 可作为 正常分化的结肠上皮细胞的标志, 而这些细胞参与 了结肠水分的 转运。因此我们推测结直 肠癌患者 出现大便习惯的改变也可能与 AQPs 的改变有关。
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通过对小肠大部分切除大鼠的研究发现这种
症状 改 善 与 AQPs 有 关。 他 们 将 15 只 6 周 龄 Sprague Dawley 雄性鼠切除 80% 远端小肠 , 对残余 的回肠和结肠测定其 AQP mRNA 表 达的改变, 残 余的回肠和结肠分别在术后 1, 3, 5, 7 d( 每天 3 只) 取出 , 结果发现大鼠肠黏膜 AQP1, 3, 7, 8 在术后 7 d 内都显著增加 , 而另一种促进肠上皮水跨膜转运 的蛋白: 钠- 葡萄糖协同转运蛋白( sodium- depen dent glucose t ransporter, SGLT 1) 仅 在术后第 1 天 略微增加 , 随后逐渐减少到低于术前水平。这表明 在肠切除术后 AQP1, 3, 7, 8 参与了残余肠段对液 体的吸收适应性增 强的过程。而 AQP4 在术前术 后并没有明显的变化 , 这反映了肠道是通过多种水 通道蛋白的 不同表 达来适 应机 体的生 命活动 的。 对于顽固性便秘患者目前主张行次全结肠切除术 进行治疗 , 术后短期内常有明显腹泻, 一般 3- 6 个 月后才能逐渐代偿而改善, 这种现象可 能与 AQP s 表达的变化适应机体病理生理状态有关。 囊 性 纤 维 跨 膜 电 导 调 节 体 ( cyst ic f ibrosis transmembrane conductance regulat or, CFT R) 被证 实可以转运阴离子 , 并且可以增加水的通透 性, 从 而促进水的转 运。进一步研究表明 CFT R 的表达 和活化是通过 cAMP 介导的信号传导通路实现的。 另有 学 者[ 6] 用爪 蟾卵 和 中国 仓 鼠表 达 体 系发 现 CF T R 与 AQP3 有相互作用 , AQP3 与 CFT R 分别