水通道蛋白

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2023年3月3日发(作者：长句子)

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水通道蛋白水通道-从原子结构到临床医学

生物膜的透水性在生理学上是一个长期存在的问题，但负责此类蛋白

质的蛋白质仍然未知，直到发现水通道蛋白1（AQP1）水通道蛋白。

AQP1由渗透梯度驱动的水选择性渗透。人类AQP1的原子结构最近

被定义。四聚体的每个亚基含有允许水分子单文件通过但中断氢键通

过质子所需的单独水孔。已经鉴定了至少10种哺乳动物水通道蛋白，

并且它们被水（水通道蛋白）或水加甘油（水甘油聚糖）选择性渗透。

表达位点与临床表型密切相关，从先天性白内障到肾源性尿崩症。在

植物，微生物，无脊椎动物和脊椎动物中发现超过200个水通道蛋白

家族成员，并且它们对这些生物体的生理学的重要性正在被揭开。

在20世纪20年代发现脂质双层提供了当沐浴在较低或较高pH或含

有毒性浓度的Ca2+或其他溶质的细胞外液中时细胞如何维持其最佳

细胞内环境的解释。从1950年代开始发现离子通道，交换剂和共转

运体为溶质的跨膜运动提供了分子解释。然而，长期以来，假定水

的输送是由于通过脂质双层的简单扩散。来自具有高膜渗透性的多

个实验系统的观察，例如两栖膀胱和哺乳动物红细胞，表明通过脂质

双层的扩散不是水跨越膜的唯一途径。虽然提出了各种解释，但直

到10年前发现AQP1才能知道分子水-特异性转运蛋白（Preston等，

1999）。

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现在人们普遍同意扩散和通道介导的水分运动都存在。通过所有生

物膜以相对较低的速度发生扩散。水通道蛋白水通道发现于上皮细

胞的一部分10至100倍的水渗透能力。值得注意的是，水通道蛋白

水通道的选择性非常高，甚至质子（H3O+）被排斥。在大多数组织

中，扩散是双向的，因为水进入细胞并从细胞释放，而水通道蛋白介

导的体内水流则由渗透或液压梯度引导。扩散的化学抑制剂是未知

的，扩散发生在高Ea（Arrhenius活化能）。相比之下，大多数哺乳

动物水通道蛋白受汞的抑制，Ea等同于大量溶液中水的扩散（〜5kcal

mol_1）。

水通道蛋白的发现说明了偶发性在生物学研究中的重要性，并且引起

了上游流体运输过程中水如何穿过生物膜的范式的完全转变。这个

话题对正常生理学以及影响人类的多种临床疾病的病理生理学非常

重要。水通道蛋白在几乎每一种生物体中被鉴定出来，包括高等哺

乳动物，其他脊椎动物，无脊椎动物，植物，真细菌，原细菌和其他

微生物，表明这种新认可的蛋白质家族参与了整个自然界的不同生物

过程。

一、发现AQP1

红细胞Rh血型抗原不知道参与水运（Heitman＆Agre，2000），但是

Rh的研究导致了水通道蛋白的偶然发现。用于纯化Rh多肽的生物化

学技术产生污染的28kDa多肽（Agre等，1987）。基于洗涤剂中的

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28kDa蛋白质的相对不溶性，N-月桂酰肌氨酸，开发了产生大量蛋白

质的简单纯化系统。红细胞和肾近端小管-具有最高已知水渗透性的

组织中，28kDa蛋白质显示出非常丰富（Denker等，1988）。此外，

28kDa蛋白质表现为四聚体整合膜蛋白-通常是膜通道蛋白的特征

（Smith＆Agre，1991）。使用28kDa多肽的N-末端序列克隆编码来

自红细菌文库的269个氨基酸多肽的cDNA（Preston＆Agre，1991）。

遗传数据库的分析显示了多种物种的同源物，包括微生物和植物，但

其分子功能是未知的。

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“CHIP28”暂时用于描述这种蛋白质为“28kDa的通道样整合蛋白”。

二、AQP1的结构

AQP1的结构非常有力，因为它具有独特的渗透特性。推导的序列揭

示了以前未描述的拓扑，两个串联重复每个由具有两个高度保守的环

（B和E）的跨膜结构域形成，包含签名基序，天冬酰胺-脯氨酸-丙

氨酸（NPA）。奇怪的是，重复序列被预测为相对于彼此以180度取

向（图2，顶部）。通过在非洲爪蟾卵母细胞中表达AQP1的位点定

向插入突变体来证实这种独特的对称性（Preston等人，19994a）。在

环路E中，在接近NPA基序的Cys-189处证明了汞抑制的位点。用

较大分子量的残基替换NPA侧翼残基的突变体没有表现出水渗透性，

表明环E形成水孔的一部分（Preston等，1993）。当环B（Ala-73）

中的NPA基序之前的相应位置被半胱氨酸取代时，水分渗透性也受

到汞的抑制。当NPA基序侧翼的残基被更大的残基取代时，观察到

该环B也表现为似乎形成水孔的一部分。这些研究一起导致了AQP1

亚基各自含有部分由

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“沙漏”形成的内部水孔（图2，底部）的建议，其由从相反的双层

折叠成双层的环B和E产生的结构膜的两侧在双层传单之间的中间

接触（Jungetal。，1994b）。

1992年，瑞士巴塞尔大学Biozentrum的AndreasEngel和同事们开始

了长期合作，随后与日本京都大学的YoshinoriFujiyoshi及其同事一

起解决了AQP1蛋白的结构。使用通过用N-月桂酰肌氨酸预萃取膜

囊泡的纯化方法，可以将高达5mg的AQP1纯化成来自一品脱人血

液的同质性（Smith＆Agre，1991）。当通过透析将高浓度的蛋白质

小心地重构成脂质双层体时，形成均匀的晶格（“膜晶体”），其中

蛋白质保留其100％的水输送活性（Walz等人1994b）。蛋白质的四

聚体组织在低分辨率下明确确定，并且其通过3D电子显微镜测定其

在膜中的组织（Walz等人，1994a）。用高达60度的倾斜研磨的精细

膜晶体，由我们在京都的同事开发的技术先进的电子显微镜，以3.8Å

分辨率产生电子密度图。使用由重组体研究建立的约束，使用AQP1

的主序列进行建模产生了AQP1结构的第一个原子模型（Murata等

人，2000）。另外一种基于电子显微镜的模型以不同的主链方向以相

同的螺旋排列出版（Renetal.2001）。

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与其中四个亚基围绕中心孔的离子通道不同，AQP1作为每个亚单位

的四聚体存在含有自己的孔。在双层传单之间的中间孔的孔径变窄

至约3埃。在这一点上，由跨膜结构域TM1,2,4和5形成的壁是疏

水的，而NPA图案中的两个高度保守的Asn-76和Asn-192被并置，

如在沙漏模型中预测的那样，提供极性用于氢键的残基（图3）。此

外，成孔环B和E的末端部分均含有短的α-螺旋，其在膜的中心产

生部分正电荷。

这种结构刚好在由残基Phe-56，His-180，Cys-189（汞抑制位点）和

Arg-195所包围的2.8A的缩合物之下，Arg-195在精制的AQP1结构

中是公认的（deGroot等人2001）。Arg-195在大水通道蛋白基因家

族的所有成员中几乎完全保守，并且在通道的最窄部分提供功能上重

要的正电荷。His-180在中性pH下不带电，但在较低的pH下变质

子化，提供第二个正电荷。Arg-195，His-180和来自孔螺旋的正偶

极子在水渗透期间提供抵抗质子（水合氢离子）通过的强排斥电荷。

AQP1的这些结构特征很好地解释了排除较大或带电溶质的最小抗渗

透能力。特别地，阻断质子传递的能力澄清了肾脏如何每天从肾小球

滤液中重吸收数百升的水，同时排泄酸。重要的是，分辨率为2.2的

大肠杆菌同源物GlpF的三维晶体的X射线衍射分析（Fu等人2000）

允许对AQP1结构进行改进（deGroot等人，2001），其实质上与模

型由2.2A分辨率的牛AQP1的三维晶体确定（Suietal。2001）。实

时分子动力学模拟表明，在通过NPA图案的并置Asn-76和Asn-192

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（deGroot＆Grubmuller，2001）期间，水的旋转发生。分子动力学

研究也由其他研究者进行（Kong＆Ma，2001;Tajkhorshidetal.2002）。

结构研究和分子动力学模拟对膜水输送过程带来了非常高的原子认

知水平。生物医学研究领域的调查人员现在认识到，水通道蛋白提供

了水通过生物膜快速和选择性运动的机制。

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三、AQP1的分布

1991年11月，丹麦奥胡斯大学的SorenNielsen及其团队长期合作。

我们的目标是使用光学显微镜和免疫电子显微镜在细胞和亚细胞水

平的肾脏和其他组织中定位AQP1（和随后的其他水通道蛋白）。这

些研究为AQP1的生理和病理作用提供了明确的证据，并且在其他部

位牢固地预测了同源蛋白的存在。

自20世纪30年代荷马史密斯早期的职业生涯以来，肾脏比其他器官

吸引了运输生理学家的兴趣。使用对AQP1蛋白的C末端特异性的亲

和纯化抗体和N末端的第二抗体，将AQP1的位置精确地定位在近端

小管的顶端刷边界和基底外侧膜（图4）和下降薄来自大鼠肾脏的

Henle四肢（Nielsen等，1993c）和人（Maunsbach等，1997）。此外，

蛋白质在下垂血管直肠中被鉴定（Pallone等人，1997），其定义了

将大量水从管腔转移到间质，然后进入血管空间的途径。AQP1蛋白

质清楚显示仅存在于这些部位的质膜中，而不存在于细胞内部位。因

此，建立了这样的范例，即通过AQP1在顶端和基底外侧血浆膜中将

水输送穿过近端小管上皮和下肢细胞，其驱动力由通过特异性转运蛋

白的溶质的矢量运动产生的小立场渗透梯度提供在这些膜（Nielsen

＆Agre，1995）..

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在其他组织中也证实了AQP1蛋白，其中包括脉络丛（脑脊髓液），

前房室内的非色素上皮（房水），胆管细胞（胆汁）和毛细血管内皮

等重要分泌作用，包括肺支气管循环（Nielsen等，1993b）。重要

的是发现肾脏收集管道完全缺乏AQP1，可以很好的预测多种水通道

蛋白质的需要。同样，唾液腺上皮缺乏AQP1蛋白，预测其他同源

物的存在。

四、AQP1空人

鉴定完全缺乏AQP1蛋白质的人们证明了这种蛋白质对人体生理学

的重要性。通过荧光原位杂交将AQP1基因座定位于人染色体7p14

（Moon等，1993）。Colton（Co）血型抗原以前已经连接到人类7

号染色体的短臂（Zelinski等，1990）。来自具有确定的Co血型的

个体的DNA的抗Co免疫沉淀研究和测序表明，Co抗原是连接第一

和第二双层跨越结构域的环A的胞外位点的AQP1的多态性的结果-

Coa具有Ala-45，而较不常见的科巴Val-45（史密斯等人，1999）。

据了解，缺乏Coa和Cob的人非常罕见，因为英国布里斯托尔的国

际血型登记处只列出了6名亲属。Co阴性的先证者是在怀孕期间变

得敏感的妇女，导致它们具有循环的抗Co抗体。这些抗体使得这些

患者不可能接受异源输血，因此每个Co无效个体都有在本地血库冷

藏保存的血液单位。我们从三个不同亲属的Co无效个体获得血液，

尿液和DNA，发现红细胞和尿沉渣中缺乏AQP1蛋白。发现每个亲

属中的先证者对于AQP1基因（因此

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“AQP1null”）的不同破坏-外显子1的缺失，外显子1中的位移

或第一跨膜结构域末端的不稳定突变都是纯合的Preston等人

1994b）。令人惊讶的是，AQP1无效个体导致正常生活，完全不知

道任何身体上的限制。

进行AQP1无效个体的仔细临床分析，以鉴定肾脏浓度和毛细血管通

透性的可能的生理异常。在第一项研究中，两名不相关的AQP1无

效个体在约翰霍普金斯医院进行了详细分析，在经过认可的方案之前

和之后，在具有确定的终点和安全机制的情况下进行了水剥夺。基

线研究是完全正常的。当口渴达24小时时，两名受试者均表现出正

常的血清渗透压和正常的血清升压素水平，如预期大约6小时的渴望

后升高。主要的惊喜是，即使在24小时口渴之后，AQP1无效个体

也不能将尿浓缩至450mosmol以上。此外，即使在输注加压素或3％

NaCl后，患者也不能将尿浓缩至450mosmolkg_1以上，以最大限度

地刺激尿浓度（King等，2001）。与AQP1无效个体相比，正常人全

部通过将尿浓缩至约1000mosmolkg_1来响应过夜口渴。

AQP1无效对象不是多尿的，它们没有表现出肾小球滤过率，自由水

清除率或锂清除率（近端小管功能指标）的异常。浓缩缺陷被认为是

由降低的薄肢体上的水输送减少和减少水输送进入和排除直肠的结

合而产生的。因此，AQP1无效个体部分丧失了通过逆流机制产生有

效浓缩所需的髓质高渗透压的能力。虽然这并不影响正常的日常生

活，但是由于另一种疾病或环境原因，如果它们变得脱水，Co无效

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个体将面临危及生命的临床问题。

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毛细血管内皮的腔内和外膜中AQP1的表达表明，蛋白质可能在空间

和间质之间的水运动中起重要作用（Nielsen等，1993b，c）。此外，

AQP1在毛细血管内皮中的表达似乎在体内受到各种刺激的积极调

节。例如，大鼠肺毛细血管内皮中AQP1的表达由皮质类固醇增加至

10倍，大鼠肺中的表达也在出生时精确出现（King等，1996,1997）。

培养的成纤维细胞中的AQP1被泛素-蛋白酶体途径迅速降解

（Leitch等，2001）。认为这些过程很可能发现在人类生理学中发生。

通过第二批准的临床研究方案评估人类AQP1无效个体因血管内皮

缺乏AQP1蛋白而出现生理异常的可能性。AQP1无效个体通过高分

辨率计算机断层扫描检查快速输注3h的温热生理盐水之前和之后的

肺（Kingetal。2002）。五个正常人和两个AQP1无效个体中的每一

个在流体输注后持续肺血管充血（横截面积增加20％）。五个正常

个体中的每一个表现出与早期的静脉周围水肿形成一致的细支气管

壁厚度（壁面积增加高达40％）的显着增加。每个正常人都知道在

以下时间内消失的中度肺充血（初期肺水肿）。令人惊讶的是，两个

AQP1无效个体都没有发现增加细支气管壁厚度，也没有抱怨任何肺

充血症状。

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这些发现矛盾地表明缺乏AQP1可以防止急性肺水肿。然而，在诸

如充血性心力衰竭的设置中，肺水肿在几小时或几天内出现。由于

AQP1也是流体再摄入血管床的途径，所以这些研究预测，如果AQP1

无效个体经历亚急性或慢性流体超载，则会出现严重缺陷。因此，

预计AQP1无效个体不能通过将流体返回到血管空间而迅速消散水

肿。虽然未经证实，在AQP1无效对象中，从肺部快速清除水可能

无法完全运行，因此可能会解释为什么AQP1无效受试者非常罕见。

此外，AQP1在早产儿肺中的表达降低可能对新生儿重症监护病房常

见的严重呼吸系统疾病有很大的帮助。

1、多水通道蛋白

在AQP1发现之后，欧洲，日本和美国的研究小组加入了分离编码

水通道蛋白的cDNA，从而将水分运输已知高度评估（由Agre等

1998）。高度保守的序列的存在已经使得使用聚合酶链扩增降低严格

性成为可能。从这些研究中，已经鉴定了10种哺乳动物水通道蛋白

（图5）。已经出版了第十一同系物（AQP10）的序列，但仍缺乏蛋

白质表达的确认（Hatakeyama等，2001）。已经对人类和实验动物

进行了研究。有目标基因的小鼠

还产生了破坏（由Agre，1998年;Verkman，2000年审查）。许多研

究的结果强调了这些蛋白质对基本生理学以及几种疾病状态的病理

生理学的重要性。此外，遗传学数据库中已经出现了来自不同物种的

200多种不同水通道蛋白序列，其中表明水通道蛋白在自然界中的重

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要性。

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2、AQP2加压素调节肾通道的水通道

AQP1的鉴定吸引了肾脏生理学家的直接兴趣。此外，AQP1在收集

管道主体细胞中的缺乏预示着长期以来已知加压素调节水输送的位

点存在同源蛋白质。使用由AQP1的高度保守的NPA基序设计的寡

核苷酸引物，从收集管中分离出cDNA（Fushimi等，1993）。现在

称为AQP2的这种收集管同源物被证明在非洲爪蟾卵母细胞中表达

时赋予增加的透水性，并被汞的抑制。AQP2定位在收集管主体细胞

中，长期口渴大鼠的研究表明AQP2表达增强（Nielsen等，1993）。

AQP2的功能和分布通过收集管的分析明确定义（Nielsen等人，

1999）。在不加血管加压素的情况下，在分离的灌注大鼠收集管中，

加入100pM血管加压素后，以及在除去药剂后测量水输送。收集导

管固定，AQP2蛋白通过免疫金电子显微镜定位（图6）。通过这种

方法，显示AQP2在很大程度上局限于基础状态的细胞内囊泡，但是

加压素诱导重新分配到顶膜，伴随着透水性增加五倍。当加压素被去

除时，AQP2被重新外化，水渗透率恢复到基线。随后显示AQP2通

过受体激活的腺苷酸环化酶-蛋白激酶A的蛋白质的C末端胞质结

构域中的Ser-256磷酸化被胞吐所影响（Katsura等，1995;Christensen

等，2000）。随后，AQP3显示存在于主细胞的基底外侧膜（Ecelbarger

等，1995）。顶端膜中的AQP2和基底外侧膜中的AQP3一起提供了

透过细胞的途径，使水从内腔通过收集管移动到间质中。

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这些研究表明AQP2可能参与某些类型的肾源性尿崩症（NDI）。以

前已显示这种重要的临床疾病是由X连锁NDI中加压素的V2受体编

码基因的突变引起的（Bichet，1998）。荷兰奈梅亨大学的调查人员

以前已经确定了在编码V2的基因中没有突变的隐性遗传性NDI患

者。通过对结构AQP2基因进行测序，他们鉴定了AQP2的跨膜和

孔形成结构域的突变（Deen等，1994）。这些突变导致保留在内质

网中的AQP2蛋白错误折叠。随后，确定了具有显着遗传的NDI的

家族，并且发现突变位点位于远离PKA磷酸化位点的两个残基

（Mulders等人，1998）。有趣的是，突变蛋白与野生型AQP2低聚，

复合物保留在高尔基体中。

重要和经常遇到的水分平衡障碍的动物模型已经被多个研究组显示

出来，包括AQP2蛋白的异常表达（参见Schrier等，1998;Yamamoto

＆Sasaki，1998;Kwon等，2001）。发现AQP2在具有多尿症，包括

经典尿崩症（血管加压素简单缺乏），锂疗法（通常用于治疗双相情

感障碍）），阻塞后（经常经尿道前列腺切除术），低钾血症（后果）

的抗高血压药物），甚至夜间遗尿。相比之下，AQP2被发现在流体

保留状态如充血性心力衰竭，ADH不适综合征，肝硬化甚至怀孕中

过度表达。因此，AQP2的继发性疾病对临床医学的实践至关重要。

此外，这些研究预测，水通道蛋白家族的其他成员将被鉴定，并且这

些水通道蛋白参与由表达蛋白质的位点预测的其他重要的临床疾病。

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3、肾脏收集管的AQP6门控离子通道

水通道蛋白的功能谱通过发现AQP6而扩大。尽管AQP6可能存在

于收集管外部的组织中，但是AQP6抗体的交叉反应性已经排除了对

非肾组织的严格研究。尽管如此，AQP6在酸性转运蛋白被限制在细

胞内部位的肾收集管中已被明确鉴定（Yasuietal。，1999b）。进一

步的分析表明，AQP6与细胞内囊泡中H+-ATPase一起共定位，但

在质膜中不共定位（Yasuietal.1999a）。

AQP6不是一个简单的水道。当在非洲爪蟾卵母细胞中表达时，AQP6

位于卵母细胞质膜中，其表现出最小的透水性。尽管抑制水渗透性，

预期的结果先前已被其他人报道，但用氯化汞处理AQP6卵母细胞未

能降低透水性（Maetal.1996）。非常令人惊讶的是，我们发现低浓

度的氯化汞增加了透水性并引起伴随的膜电流（Yasuietal。，1999a）。

因此，虽然AQP6的主要序列最接近AQP2和AQP5（都被氯化汞抑

制），但AQP6的结构必须具有功能上的重要差异。

AQP6在含有H+-ATPase的细胞内囊泡中的位置（Yasuietal。，1999b）

表明在酸的分泌中起作用。重要的是，AQP6离子电流在低pH下迅

速且可逆地活化，证实AQP6可能参与被插入细胞的酸分泌。暴露

于慢性酸中毒的大鼠的研究未见AQP6表达的变化，但慢性碱中毒和

水分负荷导致AQP6表达显着增加（Promeneur等，2000）。AQP6

携带的膜电流对于阴离子是相对选择性的，单通道研究表明发生快速

闪烁。通过对编码AQP6的基因进行靶向破坏的小鼠的分析进一步

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描述这些研究（，未发表的观察）。目前认为，AQP6可能

与某些形式的酸碱紊乱有关。

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4、AQP0-镜片主要内在蛋白（MIP）

在AQP1的功能鉴定之前，在晶状体纤维细胞中已经鉴定了丰富的

蛋白质（Gorin等人，1984;Zampighi等人，1989），尽管其功能尚不

清楚。MIP最初被认为是间隙连接蛋白，但发现与连接蛋白无关

（Ebihara等，1989）。发现AQP1的功能后，MIP在卵母细胞中的

表达显示出诱导水分渗透性的增加不会受到汞的抑制-因此符号

AQP0（Mulders等，1995）。与其他水通道蛋白不同，AQP0的电子

和原子力显微镜研究已经证明该蛋白质可能具有作为细胞间粘附蛋

白的结构作用（Fotiadis等人，2000）。尽管AQP0的这一作用尚未

建立，但是通过对泳道3（VanDort等人2001）的研究已经建立了运

输蛋白质可能是细胞骨架结构重要组成部分的范例。

AQP0与人类疾病的关系来自具有先天性白内障的大型亲缘遗传连锁

研究。来自英国的两个这样的家族与人染色体12q13相关，并且在

一个家族中的每个Glu-134-Gly中鉴定了点突变，另一个家族中有

Thr-138-Arg（Berry等人，2000）。将人AQP0克隆并突变为Gly-134

或Arg-138，并将cRNA注入非洲爪蟾卵母细胞。尽管突变体蛋白质

被表达，但对质膜的运输受损（Francis等，2000）。

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白内障的遗传格局在每个家庭中显然占主导地位。两个家庭的失明在

家庭成员中首次出现在小孩子身上，但白内障的形态却明显不同。

Glu134-Gly患者遭受了与出生时镜片大小相对应的层状不透明度。奇

怪的是，这个观察结果表明镜片在新生儿期间以特殊的方式受到某种

程度的压力，但不是在出生之前或之后。患有Thr-138-Arg突变的患

者在整个晶状体中持续存在新出现的不透明度的终身问题。发现这些

突变的位点位于重要的结构区域。Glu-134在所有已知的水通道蛋白

同源物中是保守的，并且AQP1的原子结构表明该残基位于高度保守

的残基Arg-187附近，并且可以限制六个跨膜结构域内环E的取向（de

Groot等人2001;Suietal.2001）。当Thr-138被大体积的Arg取代时，

空间限制和竞争性正电荷可能改变Glu-134的取向。与AQP0结构中

的主要缺陷相关的早发性白内障的发生强烈地表明，在老年人常见的

典型的晚发性白内障或一些与糖尿病相关的白内障患者中，一些患者

将发现较不严重的缺陷或慢性紫外线照射。因此，正在追求在编码

AQP0的基因中搜索人突变。

5、AQP4-脑中水通道蛋白

编码AQP4的cDNA从蛋白质丰富的脑中获得（Jungetal。，1994a）。

水通道蛋白家族的这一成员对汞抑制作用不敏感（Hasegawa等，

1994），并且在循环E中缺乏NPA基序之前的半胱氨酸，已知其对

AQP1具有汞敏感性（Preston等，1993）。AQP4的组成型活性与

AQP1类似。

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也许在其他器官中，蛋白质的位置比中枢神经系统更重要。AQP4

在脑和视网膜中的表达通过免疫组织化学和免疫胶体电子显微镜

（Nielsen等，1997b;Nagelhus等，1998）建立。AQP4蛋白在星形

胶质细胞中最丰富，其中存在脑和液体界面-邻近于蛛网膜下腔，邻

近毛细血管，以及在室壁内部的室管膜细胞。与毛细血管基底膜相邻

的星形胶质末端形成胶质极限，当通过电子显微镜分析冷冻断裂复制

品时，长期以来已知其含有正方形阵列（也称为正交阵列）的结构域。

直接的抗AQP4免疫金标记鉴定为AQP4的微晶组装的方阵（Rash

等，1998）。AQP4蛋白在脑的渗透感区域也很丰富，包括视神经核，

其中存在于加压素分泌神经元周围的胶质细胞层中;AQP4在神经元

中尚未确定。因此，在胶质细胞中，AQP4位于与已知谷氨酸转运蛋

白所在的膜相对的膜（图7），并且AQP4在视网膜中与特定钾通道

Kir4.1（Nagelhus等人，1999）共定位。AQP4也被证明存在于骨骼

肌中快速抽搐纤维的肌膜内（Frigeri等人，1999）。

几个线索提供了AQP4在胶质细胞和快速抽搐骨骼肌纤维中的精确

定位的分子机制的见解。AQP4（-Ser-Ser-Val-COOH）的C末端符合

结合PDZ结构域的基序-蛋白质-蛋白质关联结构域，命名为首次

鉴定的蛋白质，PSD-95，DiscsLarge和Z-Occludins（松阳等，1997）。

这表明AQP4的定位可能是由于与细胞骨架蛋白的结合引起的。在

Duchenne肌营养不良患者中发现编码肌营养不良蛋白的人基因中的

突变，并且mdx小鼠是该重要疾病的动物模型。当在mdx小鼠中分

析分布时，成熟动物中AQP4表达严重异常，表明AQP4可能是与肌

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营养不良蛋白相关蛋白复合物的一部分（Frigeri等人，2001）。选择

性免疫沉淀证明，肌营养不良蛋白复合物中的

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α-合成蛋白，PDZ结构域蛋白与AQP4相关（Neely等人2001;Adams

等人，2001）。AQP4也在a-合成蛋白无效小鼠的星形胶质细胞中靶

向靶向。此外，当通过转染到培养的哺乳动物细胞中表达时，全长

AQP4的存活半衰期比缺少末端Ser-Ser-Val的AQP4长三倍。已经显

示AQP4在Duchenne肌营养不良症和某些Becker肌营养不良病例

（i，未发表的观察）的骨骼肌中减少。

AQP4蛋白的生理功能尚不清楚。与钾通道的关联表明，脑中AQP4

的功能可能是为了促进流体跨越细胞膜的转移，以响应在神经刺激后

发生的钾虹吸（Nagelhus等人，1999）。据信AQP4可能允许水穿过

分离实质和血管空间的血脑屏障。虽然大多数证据表明AQP4是组成

型活性的，但一组研究人员已经提出，卵磷脂中的AQP4可能通过磷

酸化作用而被关闭，从而响应于佛波酯处理（Hanetal。1998）。与

此相一致，当存在佛波酯二酯时，培养细胞中的AQP4表现出水渗透

性的小变化（na和，未发表的观察）。如果AQP4

被门控，横跨血脑屏障的流体通道可能不是组成性开放的。对具有针

对性破坏编码AQP4基因的小鼠的分析显示，当用急性低钠血症应激

时，无效动物的相对保留（Manley等，2000）。尽管研究人员建议

抑制AQP4可能是有益的，但相反的情况可能很容易实现，因为脑水

肿的消散对于维持闭合性头部损伤或脑血管意外的患者至关重要。因

此，AQP4在人脑水肿中的重要性尚未确定。

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6、AQP5-分泌腺，肺和眼中的水通道

首先从颌下腺cDNA文库（Raina等人，1995）克隆出来，AQP5已

经定位于多个分泌腺的顶膜，包括泪腺，唾液腺和气道粘膜下腺

（Nielsen等，1997）。这些网站预测，AQP5可能是限制腺体液释

放的速率，正如已经在编码AQP5基因靶向破坏的小鼠的唾液腺和气

道中所证实的（Ma等，1999;Song＆Verkman，2001）。AQP5存在

于大鼠，小鼠和人类的汗腺顶端膜中，并且在AQP5无效小鼠的爪子

中汗液分泌显着减少（Nejsum等人，2002）。这一观察的一般意义

尚待确定，因为其他研究者已经得出结论，AQP5不参与小鼠的汗液

分泌（Songetal.2002）。

AQP5对人类疾病的重要性也可能包括肺和气道的重要疾病。AQP5

已经局限于在大鼠肺内肺泡上的1型上皮细胞的顶端膜（Nielsen等，

1997a）。分布在小鼠肺中更广泛，令人惊讶的是，AQP5无效小鼠

被发现在胆碱能刺激响应中表现出增加的支气管痉挛（Krane等，

2001）。更广泛的AQP5分布也在人肺中显示（Kreda等人2001）。

一些形式的人类哮喘已经与染色体12q相连，该染色体靠近AQP5已

被鉴定的位点（Lee等，1996），但AQP5在人类哮喘中的作用尚未

得到证实。

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AQP5对人眼的生理学很重要。AQP5在眼睛表面的角膜上皮中表达

（Hamannetal.1998），怀疑它有助于上皮水化和透明度，并可能参

与角膜伤口愈合。已经在人眼泪腺中研究了AQP5（Greszetal.2001）。

通过来自6例Sjögren综合征患者的泪腺活组织检查的免疫组织化学

分析注意到细胞运输不良，但在4例非Sjögren干眼症患者（Tsubota

等，2001）中未见。等待这一点的一般意义是因为AQP5的缺陷贩

运已被发现在一些Sjögren患者的唾液腺活检（Steinfeld等人2001），

而不是其他人（Beroukas等人2001）。

7、AQP3,7和9-水分甘油三聚体

AQP3（水和甘油渗透的同源物）的鉴定与水通道蛋白家族的所有成

员仅被水渗透的原则相矛盾（Echevarriaetal.1994;Ishibashietal.1994;

Maetal。1994）。AQP3分布于多个器官，包括肾脏（Ecelbargeret

al.1995），气道（Nielsen等，1997），皮肤（Nejsum等，2002）和

眼（Hamannetal。1998）。甘油渗透已经被仔细记录（Zeuthen＆

Klaerke，1999），但甘油渗透的生理意义仍然不明确（Yangetal。

2001）。在脂肪组织中鉴定出AQP7，并显示出被水加甘油渗透

（Ishibashi等，1997;Kishida等，2000）。AQP9在肝细胞中被鉴定，

并被显示为被水，甘油和各种其他小的不带电荷的溶质渗透

（Tsukaguchi等1998）。AQP7在脂肪细胞中的存在和肝细胞中的

AQP9表明甘油渗透在空腹状态下可能是重要的。甘油三酸酯在脂肪

细胞中降解，其中AQP7可以提供甘油的出口途径，并且AQP9可以

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提供进入糖异生发生的肝细胞。因此，水甘油聚糖作为甘油转运蛋白

的生理作用在空腹或饥饿期间可能是重要的。AQP7和AQP9的功能

谱最近被亚砷酸盐As（OH）3渗透的发现得到加强（Liu等，2002）。

这一令人惊奇的发现与白细胞中AQP9的已知表达强烈地表明，在用

亚砷酸盐治疗早幼粒细胞白血病期间，该蛋白质可能在药理学上是重

要的。

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8、非哺乳动物生物体中的水通道蛋白

虽然超出了本次审查的重点，但必须提及的是，水通道蛋白几乎以所

有生命形式表现，并吸引了大量生物学家的兴趣。早期的昆虫显示

含有消化道水通道蛋白基因家族成员（LeCaherec等人，1996）和脑

（Rao等，1990）。水通道蛋白已经在整个微生物世界中被鉴定出

来，其功能是广泛变化的（Hohmann等人2000）。植物表达水通道

蛋白同源物最大的集合，其功能正在被鉴定（由Johansson等人2000;

Santoni等人2000）。

五、启示与展望

如本综述所概述，水通道蛋白与人类和其他哺乳动物物种的许多生

理和病理过程有关。尽管不可能准确地预测水通道蛋白发挥病理作

用的所有临床疾病，但初步研究表明涉及水通道蛋白的疾病状态列表

将是广泛的。

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水通道蛋白与视力和唾液腺功能障碍的缺陷有关，水视蛋白介导的缺

陷的其他实例预期在视觉和口腔过程中。AQP0中的结构性严重缺陷

引起某些形式的早发性白内障，并且在某些典型的白内障常见的晚期

发现的AQP0多态性可能被鉴定。因此，从这些个体对AQP0基因的

测序可能揭示遗传风险因素。AQP5在多个部位表达，包括角膜

（Hamann等人，1998），其中可能参与角膜伤口愈合。来自一些

Sjögren综合征患者的泪液和唾液腺已经发现AQP5的缺陷靶向

（Tsubota等人，2001;Steinfeld等人，2001;Beroukas等，2001），

表明sicca综合征（干眼和口干）可能是异质的已经在动物研究中使

用的本地基因营救疗法（Delporte等人，1996）对于一些人来说可能

是可行的。水分泌和吸收都预计涉及AQP1，而青光眼已知是由前房

压力的小幅增加引起的。仍未经检验的是水通道蛋白可能导致青光眼

房水不平衡的可能性。

水通道蛋白参与各种其他系统性问题。在汗腺中识别AQP5表明蛋

白质可能会导致某些形式的多汗症或低汗症（Nejsumetal。2002）。

AQP5涉及药物诱导的支气管痉挛（Krane等人，2001）和气道分泌

缺陷（Song＆Verkman，2001）。囊性纤维化跨膜调节剂（CFTR）

与AQP3之间的功能关系表明，囊性纤维化中的调节缺陷可能涉及两

种蛋白质（Schreiber等，1999）。我们对胃肠液分泌和吸收的理解

迄今为止表明水通道蛋白可能参与胰腺（Hurley等人2001）和胆管

细胞液平衡（Marinelli等，1997）以及禁食期间可能的肝脏甘油和酮

体运输。仍然不清楚水通道蛋白是如何参与胃，小肠和结肠的流体

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运动以及水通道蛋白是否参与腹泻疾病。

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预计水通道蛋白参与围产期医学的几个主要问题。哺乳期涉及大量

的液体转移，但分子决定因素尚未定义。气道成熟期水通道蛋白表

达的问题已经从动物研究中得到预测（Yasuietal.1997）。已知通过

皮肤的大量水分损失发生在早产儿，血管和皮肤水通道蛋白必须发挥

作用。AQP1和AQP2在肾血管液体平衡中的作用已经明确确定，但

可能涉及额外的疾病，如先兆子痫或怀孕子痫证据。水通道蛋白的

作用可能为深远的问题提供新的途径。总而言之，结论是，水通道

蛋白故事中还有更多的章节仍然存在。

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