水通道蛋白在哪_水通道蛋白的研究
时间：2020-02-19 09:38:10 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
【中图分类号】Q503；
D919．1
【文献标识码】B
【文章编号】1007 9297(2004)01—0053—03
一
、水通道蛋白的发现
水是生物机体细胞的主要成分，每时每刻有大量的水分子
通过细胞膜进出细胞。在90年代以前，对于水分子的转运机
制，主要有两种理论解释，一种是水分子的简单扩散学说，认为
细胞内外渗透压差是其动力源，需要较高的阿里纽斯活动能
(Arrhenius activation energy，以下简称Ea)，一般Ea> 10 keal／
mol，达到平衡时渗透率(Coefficient of osmotic permeability，简称
Pf)与扩散率(Coefficient of diffusional permeability，简称Pd)趋于
相等，不能被汞等通道蛋白阻断剂所抑制。但水分子简单扩散
理论不能解释一些生理现象，如尿的浓缩、Pf／Pd> 1时水的转
· 法医学理论与实践·
运及有些细胞水转运可被通道蛋白阻断剂抑制等，所以就产生
了另一种理论，认为细胞膜上存在水分子转运的特殊通道，即水
通道学说。水分子通过该通道进出细胞，水通过水通道时需要
的Ea较低，一般Ea<5 kcal／mol。但限于当时的技术条件，一直
未能证实水通道的存在。_1 J1988年Agre等 在纯化人的红细
胞膜上Rh蛋白时，偶然发现了一种新的膜蛋白，分子量约28 kD
左右，属于一种内在膜整合蛋白(Channel forming integral mem—
brane protein，简称CHIP28)。1991年CHIP28的cDNA 分子克
隆成功，并成功地将CHIP28体外转录合成的cDNA转染非洲
爪蟾的卵母细胞，结果发现转染后的卵母细胞在低渗透溶液中
很快膨胀，并最终破裂。[ ， 又将CHIP28嵌入脂质体进行实验，
能明显加快水的转运_8]，从而证实CHIP28对水有特殊通透性：
1993年Arge将这种内在膜整合蛋白正式称为水通道蛋白
(Aquaporins，简称AQPs)。[ ]目前已发现9种水通道蛋白亚型，
· 54 ·
按顺序分别命名为AQPa～AQP9，它们形成一个AQPs家族，考
虑到以前发现的一种膜内在蛋白，又称MIP(major intrinsic protein，
简称MIP)，也对水有一定的通过作用，有些学者把它也归
入水通道蛋白家族中，取名为AQPo：
二、AQPs的结构
AQPs为细胞膜上的一种糖蛋白，分子量为30 kD 左右。
AQPs家族的结构主要是通过对AQPa的疏水性分析研究推测
出来的，AQPa的蛋白结构研究得最清楚，它的一级结构为含6
个螺旋的单肽链，连续跨膜6次，含3个胞外环(A、c、E)和2个
胞内环(B、D)，B环和E环具有疏水性，B环位于细胞内侧，E环
位于细胞外侧，其余3个环为亲水性，它们均存在细胞膜脂质层
中，其氨基端(NH2一)和羧基端(COOH一)位于细胞内，整个
AQP分子前后两部分在序列上相似，呈对称的镜像结构，并且B
环和E环均具有天冬酰氨酸一哺氨酸 丙氨酸基本单元
(APA)，APA为AQP家族的共有特征结构，对水的通透性具有
决定性作用。l6 通过对整合有CHIP28分子的脂质体进行标记重
组、冰冻蚀刻及形态学测量等方法研究，证实AQPs蛋白在细胞
膜上以四聚体形式存在，每个单体单独形成一个水通道，B环和
E环各形成半个水通道，它们在细胞膜脂质分子层中相互重叠形
成一个完整的水通道。L1 n J
有些水通道对含汞试剂敏感，其功能可被汞试剂抑制。这
是因为这些水通道蛋白的NPA前序列中存在189一半胱氨酸残
基，该残基为汞的特异性结合位点，一旦汞试剂与这个位点结
合，就可抑制水通道。在现在已知的AQPs家族中，只有A0P4
和AOP7的NPA前序列不含189一半胱氨酸残基，它们为汞不
敏感性水通道蛋白。_7·lo 3
三、AQPs的功能与调节
AQPs对水有选择性性通透作用，将体外转录合成的水通道
cDNA注入非洲爪蟾的卵母细胞和嵌入脂质体进行实验，证明水
的渗透率(Pf)呈数十倍地增加，C 6-8]从而证实AQPs对水有特殊
通过性。AQPs对各种离子不具有通过性，_1 3_它们的功能不受
温度、质膜成分的影响，但有的研究证实AQP3和AQP7对甘油
和尿素等有机小分子有一定的通过性，并且它们的核苷酸序列
也很相似，[14, ]可据此将AQPs家族分为两个亚家族，即AQP3
和AQP7为一个亚家族，其余AQPs为另一个亚家族。
对AQPs的调节存在长期和短时调节之分。长期调节作用
在核酸转录水平上，主要表现为AQPs的mRNA合成增加，蛋白
表达量增强，如皮质醇类激素可以从该水平上增加AQP1的表达
等。[ ]短时调节主要表现为细胞浆内的囊泡等膜单位短时与细
胞膜融合，它们膜上的AQPs转移到细胞膜上，导致细胞膜单位
面积上AQPs的量短时增加，如当受到加压素的作用时，肾组织
细胞浆中的囊泡与肾脏细胞顶端膜融合，使囊泡中的AQP2转移
到胞膜中发挥作用，一旦刺激消失，又通过形成囊泡载体，AQP2
返回到胞浆中，从而减少细胞膜上的AQP2，水通透性降低，所以
这种短时调节机制又称为“穿梭机制”。
l
四、AQPs的组织分布
水通道蛋白在人类妊娠早期就开始表达，胎儿12周龄时就
可以检测到，36周龄时AQPs表达明显增加，出生时其红细胞和
肾小管中的AQPs表达量就几乎与成人相等，而在小鼠的表达需
出生后1～2个月才趋于高峰并持续。ll
AQPs在大鼠中的分布研究得比较多，也比较清楚，在人体
法律与医学杂志2004年第11卷(第1期)
组织中的研究比较少，但近年来增加较快。
(一)AQf)0
AQPo是一种古老的内在蛋白，又称MIP。有水通道作用．
同时对其它离子及小分子也有通过作用，主要在晶状体内皮细
胞表达。【19
(二)AQP1
AQP]是第一个最先发现并被鉴定的水通道蛋白。
r它在组
织中的分布极其广泛，如血液循环系统中的心肌肉、毛细血管、
淋巴管内皮细胞和红细胞等，[ 。
神经系统中的脑脉络丛上皮细
胞，呼吸系统中的肺泡I型细胞、支气管粘膜下腺细胞和气管腔
上皮，l2 消化系统中的胰腺、胆囊、肝管、胆管和结肠隐窝上皮细
胞等，泌尿系统中的肾近曲小管及髓袢降支细段上皮细胞，以及
唾液腺、泪腺和汗腺等腺体上皮细胞和视网膜_2 一等均有水通道
蛋白AQP1的表达。
(三)AQP2
以前认为AQP2仅在肾脏集合管上皮细胞顶质膜表达，但国
内杨军等研究证实，它在人的涎腺中也有表达。[ 一
(四)AQP3
AQP3在肾脏集合管主细胞的基底侧和气管、鼻咽等上皮细
胞有表达l2 ，在消化系统的结肠、肝脏、胰腺和小肠组织中也有
表达。
(五)AQP4
AQP4主要分布在脑和脊髓中，特别是在神经胶质细胞和室
管膜细胞上表达比较强烈，[24 3在其他组织中也有表达，如肾内髓
集合管上皮细胞，支气管、气管的柱状上皮和鼻咽上皮细胞，胃
粘膜层腺细胞等。
(六)AQP5
AQP5位于肺的I型细胞、上气道的分泌上皮细胞，在一些
分泌性细胞中也有表达，如颌下腺、腮腺上皮细胞等。L2
(七)AQP6
AQP6仅分布于肾脏组织中。
(八)AQP7、AQP8、AQP9
AQP7、AQP8、AQP9在消化系统的唾液腺、食管、胃肠道、肝
胆及胰腺有表达。[27 AQP7在肾脏、心脏、骨骼肌和脑组织中有
表达，[28 AQP8、AQP9在肺组织中有表达，但具体定位不清
楚。[28]
五、AQPs的检测方法及发展前景
AQPs是随着生物学和化学技术的发展而发现的。最早A—
gre等利用电泳技术对红细胞Rh抗原蛋白进行分离、纯化时发
现了AQPa，并测定了它的分子量，[ 又利用标记重组、冰冻蚀刻
和形态测量术等方法证实了它们的核酸序列和空间结构，并用
分子克隆技术对AQP1进行了cDNA克隆o[4,6,1oi
现阶段对AQPs的研究方法主要有：
(一)免疫组化
AQP1～AQP5的单克隆抗体已经研究成功，并且商品化，可
以用于定位、半定量研究AQPs蛋白在组织中的表达o[2t-23~该
方法比较成熟，简单易行，研究用组织块条件比较宽松，可用于
常规固定的新鲜组织。该方法可以比较好地检测到细胞膜上的
AQPs，但对细胞内膜性器官上的AQPs定位不理想。
(二)原位杂交
该方法与免疫组化方法类似。免疫组化检{昊4蛋白质，原位
法律与医学杂志2004年第11卷(第1期)
杂交检测它的DNA。现大鼠、兔和人的水通道蛋白核苷酸序列
已经全部测定，可在世界上各大基因库中查到相关的基因序列，
合成核酸探针，进行原位杂交，从而在核酸水平上测定AQPs的
表达和存在。
(三)免疫电镜
可以很好地定位AQPs在细胞结构中的存在，[ 特别是在
细胞浆内膜性器官上的定位，弥补了免疫组化的不足。该法对
组织块的条件要求很高，组织块要新鲜，用锇酸固定，环氧树脂
包埋，并且进行超薄切片，需专业人员进行操作。
(四)RT—PCR
蛋白质的mRNA丰度很小，比且容易降解。RT—PCR可以
成千上万倍地对mRNA进行扩展，通过电泳扩展产物，可以检测
到AQPs的mRNA。
六、AQPs在法医学上的研究
AQPs的发现比较晚，研究现主要集中在临床、生物学和植
物学领域，本文作者还没有检索到相关法医学方面的研究。本
作者认为只少在以下几个方面值得法医工作者进行探讨研究。
(一)基础研究
AQPs在人体组织内广泛存在，人体机能的运转(不论是正
常生理还是异常病理)均与水有关，说明AQPs或多或少都在发
挥积极作用。在法医学研究中，经常遇到与水转运有关的病理
问题，如各种死因导致的肺水肿、脑水肿、皮肤皮革样化以及角
膜浑浊等，特别是一些不明原因的猝死。通过对AQPs的研究，
对阐明这些疑难疾病、现象的机理有所帮助。
(二)应用研究
在法医学实践中，对于一些具体问题的正确鉴定还存在很
大的模糊性和不精确性。如生前溺死与死后抛尸的鉴定、死亡
时间的推定等，现在都是凭大体病理解剖和经验进行推断，科学
性较差。如果借助于AQPs的理论和技术成果进行相关研究，寻
找它们之间的差别，建立相应的数据库，也许在一些问题的解决
方面会有所突破。
参考文献
[1]Fettiplace R，HaydonDA．Water permeability oflipidmembrane．Physi—
ol Rev．1980，60：510～ 550
[2]Macey R I，Farm er R E L．Inhibition of water and solute permeability in
human red cells Biochem BiophysActa，1970，211：104～ 106
[3]Solomon AK．Water channels across the red blood cell and other biological
membrances．Methods Enzymol，173：192～ 222
[4]Agre P，Gregory M P，Barbara L，et a1．Aquaporin CHIP：the archety—
pal molecular water channe1．Am J Physio1．，1993，265：F463一F476
[5]Bradley M．Denker，Barbara L，Agre P，et a1．Identification，Purifica—
tlon，and Partial Characterization of a Novel Mr 28，000 Integral Mem—
brane Protein from Erythrocytes and Renal Tubules．J Biol Chem ，1988，
263：15634～15642
[6]Preston GM ，Agre P．Isolation of the cDNA for erythrocyte integral
membrane protein of 28 kilodattons：Member of an ancient channel fami—
ly．Proe Natl Acad Sci USA，1991，88(24)：11110～11114
[7]Preston GM，Carroll TP，Guggino WB，et al Appearance of water cban—
nels in Xenopus oocytes expresing red cell CHIP28 protein Science，
1992，256：385～387
[8]zeidel ML，Ambudkar SV，Smith BL，et al Reconstltutlon of functional
water channels in lipo somes containing purified red cell CHIP28 protein
BiochemistrY，1992，31：7436～7440
· 55 ·
[9]Agre P，Sasaki S，Chrispeels MJ Aquaporins：a family of water channe1
proteins Am J Physiol，1993，265：F461
[10]Jung JS，Preston GM ，Smith BL，et al Molecular structure of the water
channel through Aquaporin CHIP：The hourglas mod el J Biol Chem ，
1994，269：14648～ 14654
ll1 jVerbavatz J M，Brown D，Sabolic I，Valenti G，Ausiello D A Water
channels in lipo somes and cell membranes．A freeze— fracture study J
Cell Biol，1993．123：605～618
[12]Zeidel ML，Nielsen S，Smith BL，et a1．Uhrastructure pharmacologic
inhibition，and transport selectivity of Aquapo rin channel—form ing inte—
gral proteinin proteoliposomes Biochemistry ，1994，33：1606～ 1615
[13]Agre P，Lee MD ，Devidas S，et a1．Aquapoilns and Ion Conductance
Science，1997，275：1490～ 1492
[14]Echevarra M，Windhager EE，Findt G Selectively of the renal collect．
ing duct water channel aquapo rin一3．J Biol Chem ，27 1：25079～25082
l15 JYang B X，VerkmanA S．Water and glycerol perm eabilities of aquapor—
ins and M IP determ inde quantitatively by expresion of epitope～tagged
constructs in Xenopus oocytes．J Biol Chem，272(26)：16140～16146
[16]King LS，Nielse S，Agre P．Aquoprin一1 water channel in lung：auto．
geny，steriod— induced expresion，and distribution in rats．J Clin In—
vest，1996，97(10)：2183～2191
l 17 JWintous EM．Water channels and urea transportation．Clin Exp Phoma—
col Physiol，1997，24：1～ 9
[18 J Agre P，Barbara LS，Ruben B，et al Human Red Cell Aquapoiln
CHIP：Expression during Normal Fetal Development and in a Novel
Form of Co ngenital Dyserythropo ietic Anemia．J Clin Invest，1994，
1050——1057
[19]Reizer J，Reizer A，Saier MIL1．The MIP family of integral membrane
channel proteins：Sequence compariso ns，evolutionary relationships，re—
constructed pathway of evolution，and propo sed functional differentiation
of the two repeated halvs of the proteins．Cilt Rev Biochem Mol Biol，
1993．28：235～257
[20]King LS，Agre P．PathophysioIogyofthe aquaporinwater channe1．An—
nu Rev Physio1．1996．58：619～ 648
[21]蕉光字，李尔然，刘冬娟，等．水通道蛋白I在肺组织中的表达中华
内科学杂志，2001，40(1)：45～46
[22]笪彤，朱秀安．水通道蛋白在大鼠眼组织视网膜中的分布眼科研
究，2002．20(1)：27～29
[23]杨军，肖林，孙远，等，人涎腺水通道蛋白的定位．第三军医大学学报，
2002，24(8)：967～969
[24]Terris Y，Eeelbarger C A，Nielsen S，et al Long—term regulation of
water renal aquapoiln in rat．Am J Physiol，1996，271：F414
[25]Ishibashi K，Sasaki S，Saito F，et a1．Structure and chromosomal local—
ization of a human water channel(AQP3)gene．Genomics，1995，27：
352——354
『26]Brown D，Katsura T，Kawashitha M，et al Sabolic一1 Cellular distil—
bution of the aquapo ilns：a family of water channel proteins Histochem
Cell Bio1．，1995，104(1)：1
[27]Koyama Y，Yamamoto T，Tani T，et a1．Expresion and localization of
aquapo ilns in rat gastrointestinal tract．Am J Physiol，1999，276：C621
— — C627
[28]陶军．肺组织水通道蛋白的研究进展．国外医学：生理、病理科学与
临床分册，2000，20(2)：127～130
(收稿：2003—01—14；
修回：2003—11—23)
