脑水通道蛋白的分布功能及调控机制

中国组织工程研究第18卷第2期2014–01–08出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchJanuary8,2014Vol.18,No.2P.O.Box10002,Shenyang110180刘健锋，男，1988年生，重庆市人，汉族，兰州大学在读硕士，主要从事高原动物对高原脑水肿的抗性机理研究。通讯作者：邵宝平，博士，副教授，兰州大学生命科学学院，甘肃省兰州市730000doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.02.025[]中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2014)02-00314-08稿件接受：2013-11-19LiuJian-feng,Studyingformaster’sdegree,SchoolofLifeSciences,InstituteofZoology,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,GansuProvince,ChinaCorrespondingauthor:ShaoBao-ping,M.D.,Associateprofessor,SchoolofLifeSciences,InstituteofZoology,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,GansuProvince,ChinaAccepted:2013-11-19脑水通道蛋白的分布、功能及调控机制刘健锋1，丁艳平2，王建林1，邵宝平1(1兰州大学生命科学学院，甘肃省兰州市730000；2西北师范大学生命科学学院，甘肃省兰州市730070)文章亮点：1此问题的已知信息：在哺乳动物脑中主要表达的水通道蛋白是水通道蛋白1、水通道蛋白4和水通道蛋白9，其他的仅为零星表达。2文章增加的新信息：在哺乳动物脑中主要表达的水通道蛋白中，水通道蛋白1除了主要分布于脑室脉络丛顶膜作为跨细胞膜的水通道外，在其他不同类型细胞中其气体小分子CO2，NO，NH3及O2也可通过该通道；水通道蛋白4在不同脑疾病中其表达特征及其作用不尽相同，在水分子的快速跨膜转运中发挥着重要作用；水通道蛋白9除了参与水的代谢外，主要参与神经元的能量代谢。3临床应用的意义：水通道蛋白被认为是对脑中水运输提供关键路径的主要水通道，有关水通道蛋白分布、功能及调控机制的研究对于攻克脑相关疾病起重要作用。尽管，到目前为止，人们对脑中主要表达的水通道蛋白进行了较为深入地探讨，但是，其在维持脑正常生理及相关疾病中表达的调节机制尚未明晰，相关分子信号通路尚待更加深入、系统地研究。关键词：组织构建；组织工程；水通道蛋白1；水通道蛋白4；水通道蛋白9；脑；能量代谢；调节机制；国家自然科学基金主题词：水通道蛋白质1；水通道蛋白质4；脑；能量代谢；综述基金资助：国家自然科学基金项目(31000190，31060141)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(lzujbky-2012-102)摘要背景：在哺乳动物脑中主要表达的水通道蛋白是水通道蛋白1、水通道蛋白4和水通道蛋白9，其他的仅为零星表达。目前国内外尚未见到系统分析维持脑正常生理功能的水通道蛋白分布、功能及其调节机制的综述报道。目的：综述近年国内外维持脑正常生理功能的水通道蛋白分布、功能及其调节机制的研究进展。方法：应用计算机检索1980年1月至2013年7月PubMed数据库、中国期刊全文数据库有关脑正常生理功能维持中水通道蛋白分布、功能及其调节机制的文章，英文检索词“AQP1,AQP4，AQP9,function,brain,adjustingmechanism”；中文检索词“水通道蛋白，功能，脑，调节机制”。共检索到163篇相关文献，85篇文献符合纳入标准。结果与结论：近年来，有大量学者对脑水通道蛋白的表达、功能及其调节机制进行了较深层次的研究，具体归纳为如下3个方面：①水通道蛋白1主要表达于脑室脉络丛参与脑脊液的形成；在其他类型的细胞中，气体小分子CO2，NO，NH3及O2也可通过水通道蛋白1。②水通道蛋白4主要表达在胶质细胞足突、胶质界膜以及室管膜中，帮助水进出脑组织，并加速胶质细胞迁移及改变神经活动。③水通道蛋白9主要分布于星形胶质细胞及儿茶酚胺等神经元中，主要功能是参与脑内能量代谢。水通道蛋白被认为是对脑中水运输提供关键路径的主要水通道，有关水通道蛋白分布、功能及调控机制的研究对于攻克脑相关疾病起重要作用。水通道蛋白在维持脑正常生理及相关疾病中表达的调节机制尚未明晰，相关分子信号通路尚待更加深入、系统地研究。刘健锋，丁艳平，王建林，邵宝平.脑水通道蛋白的分布、功能及调控机制[J].中国组织工程研究，2014，18(2):314-321.Distribution,functionandregulationmechanismofaquaporininthebrainLiuJian-feng1,DingYan-ping2,WangJian-lin1,ShaoBao-ping1(1SchoolofLifeSciences,InstituteofZoology,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,GansuProvince,China;2SchoolofLifeSciences,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,GansuProvince,China)AbstractBACKGROUND:Theaquaporin(AQP),mainlyAQP1,AQP4andAQP9,areexpressedinmammalianbrain,whiletheothersaresporadicallyexpressed.Thereisnoevidenceconcerningthedistribution,functionandregulationmechanismofAQPinthebrain.OBJECTIVE:Tocomprehensivelyanalyzetheresearchprogressofthedistribution,functionandregulation刘健锋，等.脑水通道蛋白的分布、功能及调控机制ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH315“AQP1,AQP4,AQP9,function,brain,adjustingmechanism”inEnglishandChinese.Atotalof163paperswerescreenedoutand85ofthemmettheinclusivecriteria.RESULTSANDCONCLUSION:Theexistingstudiesabouttheexpression,functionandregulatingmechanismofAQP1,AQP4andAQP9inthebraincanbesummarizedasthefollowingthreeaspects:(1)AQP1isexpressedinthechoroidplexusandparticipatesinformingcerebrospinalfluid;inothertypesofcells,gasmicromoleculesCO2,NO,NH3andO2alsocrossthroughAQP1.(2)AQP4ismainlyexpressedintheastrocytes,ependymalfootprocessandgelatinmembranes,whichcanhelpthewaterinandoutofthebraintissue,accelerateglialcellmigrationandchangeneuralactivity.(3)AQP9ismainlydistributedinastrocytesandcatecholamineneurons,themainfunctionisinvolvedinenergymetabolisminthebrain.Therefore,AQPisthekeyforwatertransportinthebrain.Understandingthedistribution,functionandregulationmechanismofAQPwillplayanimportantroleinthetreatmentofbraindiseases.TheregulatorymechanismontheexpressionofAQPsinnormalpathologyandrelateddiseaseremainsunclearandrelatedmolecularsignalpathwayneedsfurtherexploration.Subjectheadings:aquaporin1;aquaporin4;brain;energymetabolism;reviewFunding:theNationalNaturalScienceFoundationofChina,No.31000190,31060141;FundamentalResearchFundsfortheCentralUniversities,No.lzujbky-2012-102LiuJF,DingYP,WangJL,ShaoBP.Distribution,functionandregulationmechanismofaquaporininthebrain.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiu.2014;18(2):314-321.0引言Introduction水是活细胞中参与生理、生化过程的重要分子，它通过细胞质膜中水通道蛋白迅速扩散，该类通道蛋白的分布极其广泛。1988年，PeterAgre发现了第1个水通道蛋白，而在2003年获得诺贝尔化学奖[1]。从被发现至今，水通道蛋白家族成员的数量一直在增加，发现在哺乳动物机体中有13种水通道蛋白表达，其脑中主要表达水通道蛋白1、水通道蛋白4和水通道蛋白9，而在低等生物中却已超过300种。此外，2006年Gorelick等[2]应用免疫组织化学及Westernblot方法对小鼠脑部水通道蛋白11进行了研究，结果表明水通道蛋白11在鼠小脑Purkinje细胞、海马CA1区和CA2区神经元及大脑皮质神经元中也有表达。同年，Shin等[3]在鼠的脑脉络丛中发现并证实了水通道蛋白7的表达，同时推测在鼠发育过程中水通道蛋白7参与脑脊液的形成。最近有文献报道，在哺乳动物脑中还有水通道蛋白3、水通道蛋白5和水通道蛋白8的零星表达[4]，但还尚未见其相关功能具体的研究报道。最近，有研究表明，水通道蛋白具有广泛的通透性，其包括气体(CO2和NO)和其他小分子溶质(如甘油、尿素等)，这些分子可以透过细胞膜脑中水通道蛋白的发现对脑内物质跨膜转运和细胞内外环境平衡调节机制的研究及临床脑疾病的发现、认识和治疗，具有划时代的意义。迅速扩散[5]。目前，根据其序列同源性和通透性将水通道蛋白家族划分为水通道蛋白、水甘油通道蛋白和超水通道蛋白，其中水通道蛋白1和水通道蛋白4属于水通道蛋白；而水通道蛋