肝胆系统水通道蛋白的分析进展

【摘要】 在哺乳动物中克隆出的13种AQPs(水通道蛋白家族)中，已有7种AQPs从肝胆系统中分离出来，资料显示，AQPS可能参与了胆汁分泌，葡萄糖异生、微生物感染及对肝脏功能有影响的病理生理过程. 本文拟对肝胆系统中AQPs的表达，亚细胞定位及其可能的生理和病理生理作用作一阐述.
【关键词】 水孔蛋白类；肝；生理学；病理生理学
　　0引言
　　AQPs(aquaporins)是一种在多个器官和组织上表达的跨膜蛋白，其不仅介导了水的快速转运，而且还能促进甘油、尿素的跨膜转运. 在特殊情况下，对CO2、氨、CL-、嘧啶、嘌呤、多元醇和亚砷酸盐也具有通透性. 至今为止，在哺乳动物体内分离出了13种AQPs，包括最新发现的AQP12［1］，其中AQP0， AQP1， AQP4， AQP5， AQP8， AQP9， AQP11在肝胆系统有表达.
　　1AQPs在肝胆系统的表达，细胞定位和生理意义
　　在肝胆系统中，AQPs表达于肝细胞、胆管细胞、胆囊上皮细胞和血管内皮上.
　　1.1肝细胞上的AQPs大鼠的肝细胞上有3种AQPs，且每种表达数量各异（AQP8&>&>AQP9&>AQP0）. 其中，AQP0和AQP8主要位于细胞内，其次位于小管质膜上，而AQP9则主要位于肝细胞的基底外侧膜. 大部分的AQP0和AQP8在围绕中央静脉的肝细胞上表达，而AQP9则统一分布于肝小叶内［2］.
　　
　　过去认为AQP0只在晶状体的纤维细胞上表达，其功能为低通透性的水通道蛋白和促进细胞与细胞黏附的重要功能蛋白. 现在发现肝脏是其另一个表达器官，AQP0主要位于肝细胞内的囊泡中. 然而，不像AQP8，它的定位不受dcAMP（dibutyryl cAMP）的影响. 其在肝细胞中表达的意义仍不是很清楚［2］.
　　
　　AQP8在多种器官和组织中都有表达；大鼠和小鼠的肝脏是AQP8表达的主要位点，且AQP8在肝细胞中的亚细胞定位随着物种的变化而变化. 在大鼠的肝细胞中，AQP8主要位于细胞内，其次位于小管质膜内［2］. 研究发现，在小鼠的肝细胞中，不同的组别有不同的AQP8分布，它广泛分布于细胞内膜，包括滑面内质网，接近顶质膜的囊泡和线粒体中［3］. 虽然它在质膜上表达强烈，但在细胞内的表达却很微弱［4］.
　　
　　AQP8在肝细胞中的生理功能还在积极地探索中，对分离的大鼠肝细胞，肝细胞偶联体及肝细胞质膜部分做了详细地研究. 研究表明，AQP8参与了跨小管质膜的水转运，其在小管胆汁形成中起到了重要作用. 用离体肝细胞研究显示，基础状态下，AQP8主要位于细胞内的微粒体膜上，水的渗透性转移不受水通道抑制剂的影响；如受到了Bt2cAMP（N5， O2dibutyryladenosine 3′5′cyclic phosphate）等促进胆汁分泌物质的刺激后，肝细胞膜上的AQP8蛋白总量不会发生改变，而是重新分布于小管质膜的表面，以此增加了顶质膜的细胞通透性，促进了渗透性的水转运，且这一效应能够被水通道阻断剂完全阻断，提示由dcAMP引起的渗透性水转运至胆小管是水通道依赖的［2，5］. 与此相反，对野生型和AQP8敲除的大鼠的对比研究发现，从野生型大鼠新鲜分离出的肝细胞对水的通透性很低，且在Bt2cAMP的刺激下通透性并不增加，缺乏AQP8也不出现通透性的明显降低［5］. 除此之外，免疫组化结果显示，在胆汁活跃分泌的情况下， AQP8主要位于大鼠肝脏的肝细胞内［6］，然而，在大鼠和小鼠肝脏中关于AQP8介导水转运的分子机制还需要进一步的研究.
　　
　　最初的研究表明，至少有两种AQP8亚型存在于肝细胞中，其中一种与小管的渗透性水转运有关，另一种在线粒体上表达，可能参与了线粒体容量的稳态调节［6-7］. 研究表明，AQP8介导的线粒体内外的水转运在活性氧化磷酸化和细胞调亡的信号转导的过程中导致线粒体容量改变的调控中有特别重要的作用［7］.
　　
　　AQP9，是一种对甘油、尿素和小分子、不带电的溶质有明显通透性而对水有弱通透性的水甘油通道蛋白，在肝脏中主要分布于肝细胞窦状隙质膜上［2，8-9］. 近来研究发现，AQP9在大鼠肝脏上的表达与性别相关，雄性大鼠在肝脏上的AQP9表达高于雌性大鼠. 但年龄和食谱对AQP9的表达和分布均没有影响. AQP9除了对水通透外，对尿素也有很高的通透性. 肝脏是尿素生成和排出的器官，提示AQP9在肝脏可能是一个尿素通道，并且与尿素的清除有关［9］. 然而AQP9在肝细胞中的具体作用仍不是很清楚. 由于AQP9对甘油和尿素有很高的通透性，它可能是吸收甘油的入口以及尿素和肝细胞产生代谢物的出口［8，10］. 在体研究表明，当大鼠饥饿的时候，肝脏吸收甘油作为糖异生的底物，在大鼠持续禁食24~96 h之后，AQP9在肝脏中的表达水平增加了20倍，而重新进食后AQP9的表达水平逐渐下降［10］. 由此可见，AQP9在肝脏葡萄糖异生中起到了重要作用. 另外，AQP9介导的水转运位于窦状隙血液与肝细胞内部之间. 因此，可能和AQP8共同参与了小管的胆汁分泌［2］.
　　1.2胆管细胞中的AQPs目前的研究显示，在大鼠胆管细胞上表达的AQPs的种类比其他任何类型的细胞多（13种AQPs有7种在胆管细胞上表达： AQP0， AQP1， AQP4， AQP5， AQP8， AQP9， AQP11）［11］. 其中，对AQP1和AQP4的研究比较充分，而对其他五种的研究却很肤浅. AQP1位于胆管细胞的顶质膜和基底外测膜以及细胞内的囊泡部分；然而，AQP1的亚细胞定位却依赖于生理状况［12］. 相反，AQP4只在胆管细胞的基底外测质膜上表达. 这些AQPs与胆管细胞顶质膜和基底外测膜的水通透性有关. AQP1主要促进顶质膜的水转运，而AQP4则主要调节基底外侧膜的水转运［13-14］. 另外研究发现，在分离的肝内胆管的胆管细胞上，用特异性的siRNAs抑制AQP1的表达后，由渗透梯度所引起的胆管上皮的水转运被显著降低了［14］，相反，AQP4在小鼠胆管上皮细胞中的过度表达增加了水的转运［15］. 而在胆管细胞上表达的其他AQPs的亚细胞定位和生理相关性还不清楚，其分子机制也需要进一步的研究.
　　
　　在胆管细胞中，AQP1是一个受多种因素调节的水通道蛋白. 分离的胆管细胞在胰泌素（一种在活体内通过cAMP信号途径调节胆汁分泌的激素）和cAMP的刺激下，导致了AQP1从细胞质的囊泡中正常分离，插入到胆管细胞的分泌端，即顶质膜区［12］. 这个过程促进了胆管上皮细胞屏障之间的水转运，主要是在渗透性活性离子CL-和HCO3-的分泌形成的渗透梯度作用下发生的. 在基础状态下（非刺激性），AQP1，CFTR（囊性纤维化跨膜转导调节器）CL-通道和CL-/HCO3-交换体共同存在于细胞内的囊泡中. 胆管细胞对dAMP的暴露及胰泌素的输注后，使得这3种蛋白重新分布在胆管细胞的质膜上，形成了膜微区转运复合物，从而参与了激素诱导的胆管分泌［16］. 相反，分离的大鼠胆管细胞对胰泌素的暴露并不能改变AQP4在细胞内的分布，这表明了AQP4对胰泌素的调节无效［13］.
　　
　　因此，可见在胆管细胞上的AQPs参与了胆汁的形成，其通过朝两个方向的跨细胞水转运来实现：分泌时，水进入肝内胆管管腔；吸收时，出管腔. 然而，也有报道提示，小鼠中AQP1的敲除不影响胆汁分泌［17］. 故这些假设，还需要进一步的实验证明.
　　1.3胆囊上皮上的AQPS人类和小鼠的胆囊上皮有两种AQPs（AQP1和AQP8）表达. 在人类胆囊颈的上皮细胞内，AQP1同时位于顶质膜和基底外测膜. 在小鼠胆囊的颈部和体部的上皮细胞内，AQP1也同时位于顶质膜和基底外测膜及近顶端的囊泡，然而，AQP8主要位于顶质膜和细胞内［18］.

　　AQPs在哺乳动物胆囊上皮上的生理作用还不清楚，可能参与了胆汁浓缩过程. 胆囊上皮主要是吸收上皮，多种交换体和通道在上面表达，它们向胆囊腔内转运NA+， CL-， 水，共同参与了胆汁的浓缩过程. 除此之外，在特殊的情况下（当NA+， CL-的转运被血管活性肠肽，五羟色胺，胰泌素抑制的时候），当水向胆囊腔被动转运后，胆囊上皮会分泌HCO3-，两种不同的AQPs(AQP1和AQP8)同时出现在胆囊上皮细胞的顶质膜和基底外侧膜中，提示它们共同参与了水的吸收和分泌［18］，然而其具体过程还需要进一步的研究证明.
　　1.4肝脏血管上AQPsAQP1在胆囊周围的血管丛和胆囊血管上高度表达，其呈网眼状分布的血管围绕在肝内胆管周围［3，11］，表明了AQPs在促进水从血浆到胆汁的转运的过程中发挥作用.
　　2在肝胆系统由AQPs介导的水转运的病理生理作用
　　AQPs直接参与肝胆系统紊乱的机制目前还不清楚，仅有少数的研究表明，AQPs参与了肝脏的病理生理过程. 在肝外胆管结扎所致大鼠肝外胆汁淤积模型中，结扎后一天对肝细胞AQP8表达无影响，结扎后3 d和7 d AQP8mRNA表达明显增加，但免疫组化和免疫电镜均证明结扎后肝细胞的细胞内囊泡和细胞膜AQP8蛋白表达明显减少，提示肝外胆汁淤积引起肝细胞AQP8转录后的蛋白水平下调［19］. 连脲霉素诱导糖尿病时，大鼠模型肝脏中的AQP9表达水平增加超过2倍，相反，长期给予胰岛素治疗的小鼠AQP9的数量水平保持在原来的水平［10］. 这个观察表明，在患有胰岛素依赖的一型糖尿病时，AQP9的表达和通过甘油转移到肝细胞导致葡萄糖产生增加这一过程有关.
　　
　　最近有报道显示AQP1可能在细胞内寄生虫侵入胆管细胞的病理生理过程中发挥作用. 小球隐孢子虫，其通过感染大量的上皮细胞，包括胆管细胞，这个侵入过程通常是通过主细胞膜将寄生虫包入囊中. 在小鼠的胆管细胞中，小球隐孢子虫增添了一个SGLT1（NA+依赖性葡萄糖转运体1）和AQP1黏附位点，产生了一个限于葡萄糖驱使的由AQP1介导的水转运. 因此，为集中在主细胞膜的突出后寄生虫的侵入创造了条件［20］.
　　
　　Saadoun等［21］通过研究发现AQP1促进了肿瘤的血管生成，从而加速了肿瘤细胞的迁移和肿瘤的转移. 同时Peter等［22］研究结果表明在HCCs（肝细胞肿瘤）中，AQP1在窦状隙周围微血管上的表达显著上调，另外，在转移性的肝肿瘤和CCs(胆管细胞肿瘤)中也与AQP1的表达密切相关. 目前AQP1作为一个重要的指标已经逐步被用于肝脏肿瘤的检测中.

　　综上，在肝胆系统中同一部位表达多种AQPs，其很可能在胆汁形成，葡萄糖异生和膜重建等大量的细胞生理功能中发挥了重要的作用，一方面提示了AQPs家族功能作用的多样性和复杂性，说明每一正常生理功能的维持都需要多种AQPs的共同作用，同时也为我们的研究提供了新的思路，即从整合水平对AQPs家族在肝胆系统的表达及功能意义进行研究，为其分子机制的研究提供了基础.

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