水通道蛋白1與腫瘤

胡 科綜述 楊繼元審校

水通道蛋白家族是位于生物膜上具有快速水轉(zhuǎn)運(yùn)及離子轉(zhuǎn)運(yùn)功能的一族蛋白質(zhì)。水通道蛋白1(Aquaporin-1,AQP1)是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的水通道蛋白,研究發(fā)現(xiàn)其不僅能介導(dǎo)水及離子轉(zhuǎn)運(yùn),還對(duì)細(xì)胞內(nèi)外氣體交換、腫瘤血管的生成及細(xì)胞遷移產(chǎn)生重要影響。本文就AQP1的研究進(jìn)展作一綜述。

1 AQP1的生物學(xué)特征及調(diào)節(jié)機(jī)制

1.1 AQP1的生物學(xué)特征

20世紀(jì)80年代,研究者們?cè)趯?duì)紅細(xì)胞膜上的Rh抗原進(jìn)行分離、純化時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)分子量為28k Da的膜蛋白,由于該蛋白的一些物理特性與跨膜通道蛋白相似,因此被暫時(shí)命名為類似通道的膜整合蛋白28(CHIP28)。1992年,Preston等[1]將體外合成的CHIP28 cRNA注入非洲爪蟾的卵母細(xì)胞,使其表達(dá)CHIP28蛋白,首次證明了CHIP28具有水通道功能。隨著越來(lái)越多CHIP28類似物的發(fā)現(xiàn),水通道蛋白這一名稱即被作為水通道家族的總稱,而CHIP28則被AQP1所取代。

AQP1以四聚體形式存在于細(xì)胞膜上,其單體亞單位是由268個(gè)氨基酸組成的一個(gè)“沙漏型”結(jié)構(gòu),氨基末端和羧基末端均位于細(xì)胞質(zhì)側(cè),有6個(gè)跨膜螺旋結(jié)構(gòu)以及連接這6個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)的5個(gè)環(huán)袢,包括位于細(xì)胞外的A、C、E袢及位于細(xì)胞內(nèi)的B、D袢。在B袢和E袢上存在高度保守的天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸(NPA)串聯(lián)重復(fù)序列,兩個(gè) NPA結(jié)構(gòu)在細(xì)胞膜脂質(zhì)雙層內(nèi)并置,形成了“沙漏型”結(jié)構(gòu)中的單水孔道,與一個(gè)水分子大小相當(dāng)[2]。AQP1基因定位于人染色體7p14處,基因序列包括4個(gè)外顯子、3個(gè)內(nèi)含子,研究發(fā)現(xiàn)AQP1基因在人類多種組織中均有表達(dá),如腎近曲小管、毛細(xì)血管、纖毛、晶狀體、肝膽管、膽囊、脈絡(luò)叢等[3]。不僅如此,目前已發(fā)現(xiàn)多種不同類型的人腫瘤也有AQP1的表達(dá),包括肺腺癌、膽管癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤、喉癌、血管瘤、腎癌等[4,5]。

1.2 AQP1的調(diào)節(jié)機(jī)制

目前對(duì)AQP1的調(diào)節(jié)機(jī)制知之甚少,已知的機(jī)制包括兩種:(1)通過(guò)調(diào)節(jié)AQP1的表達(dá)量對(duì)其功能進(jìn)行控制。微陣列分析表明雌激素能夠上調(diào)AQP1基因表達(dá),進(jìn)而使血管內(nèi)皮的通透性增加[6]。如King等[7]發(fā)現(xiàn)AQP1啟動(dòng)子中存在糖皮質(zhì)激素反應(yīng)元件,能夠增加成年鼠和新生鼠肺中AQP1的表達(dá),表明激素可對(duì)AQP1的表達(dá)進(jìn)行調(diào)節(jié);(2)通過(guò)環(huán)核苷酸或蛋白激酶C途徑進(jìn)行調(diào)節(jié)。研究表明AQP1是環(huán)化鳥(niǎo)苷酸(cGMP)依賴的門控離子通道,環(huán)化腺苷酸(cAMP)也能夠間接作用于AQP1,增加細(xì)胞膜上水及陽(yáng)離子的轉(zhuǎn)運(yùn)[8,9]。而Zhang等[10]則發(fā)現(xiàn)蛋白激酶 C能夠使AQP1上的第157位和第239位絲氨酸發(fā)生磷酸化,進(jìn)而使通道開(kāi)放,從而調(diào)節(jié)AQP1介導(dǎo)的水及離子的細(xì)胞內(nèi)外傳導(dǎo),并且這一途徑是獨(dú)立于環(huán)核苷酸途徑的AQP1活化途徑。

2 AQP1與腫瘤血管生成

腫瘤血管對(duì)于實(shí)體瘤的生長(zhǎng)具有重要意義,Folkman[11]曾提出如果通過(guò)抑制腫瘤血管生長(zhǎng)來(lái)阻斷腫瘤的血供,使其得不到營(yíng)養(yǎng)及氧氣供應(yīng),則可抑制腫瘤生長(zhǎng)。腫瘤新生血管的形成主要包括三個(gè)步驟:(1)基質(zhì)降解;(2)內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移、分化;(3)血管周細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞整合。其中任何一個(gè)步驟被干擾,即會(huì)影響血管生成。

AQP1在人類和鼠類的腫瘤微血管及雞胚尿囊膜上均有較高表達(dá)。Pan等[12]的研究表明在子宮內(nèi)膜癌中,AQP1與腫瘤內(nèi)的微血管密度成正相關(guān),而且AQP1/微血管密度比值與血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)的表達(dá)也成正相關(guān)。Yang等[13,14]的研究也顯示卵巢上皮癌中AQP1及AQP5的表達(dá)與腫瘤微血管密度、腹水形成成正比;Kaneko等[15]將人視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細(xì)胞培養(yǎng)于乏氧環(huán)境中,發(fā)現(xiàn)AQP1 mRNA及蛋白表達(dá)水平均顯著增加,抑制VEGF信號(hào)并不影響AQP1的表達(dá),而同時(shí)抑制VEGF信號(hào)及干擾AQP1表達(dá)能顯著抑制腫瘤血管生長(zhǎng)。Saadoun等[16]將AQP1基因敲除的黑色素瘤細(xì)胞行小鼠皮下種植,并與未行干預(yù)的移植瘤進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)AQP1基因敲除小鼠移植瘤內(nèi)的血管生成被顯著抑制,并且腫瘤體積和生長(zhǎng)速度與對(duì)照組相比也明顯減慢,因而認(rèn)為AQP1能夠促進(jìn)腫瘤的血管生成和腫瘤生長(zhǎng)。除此之外,他們還將AQP1基因敲除小鼠的主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞與正常小鼠主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)比較,發(fā)現(xiàn)AQP1基因敲除的小鼠主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞的遷移能力明顯下降,而在細(xì)胞形態(tài)、生長(zhǎng)速度、黏附力方面二者并無(wú)明顯差別。目前有兩種機(jī)制解釋AQP1對(duì)細(xì)胞遷移的作用:(1)AQP1能夠促進(jìn)跨膜水轉(zhuǎn)運(yùn),使細(xì)胞體積和形狀發(fā)生改變,以利于其在細(xì)胞外空間的遷移;(2)肌動(dòng)蛋白解聚以及遷移細(xì)胞頂端的離子流入(Na+/H+交換)使細(xì)胞頂端滲透壓升高,由于AQP1聚集于細(xì)胞頂端,水流在滲透壓作用下快速進(jìn)入細(xì)胞頂端胞漿內(nèi),造成頂端細(xì)胞膜伸展,形成偽足,其余部位細(xì)胞膜發(fā)生皺縮,此時(shí)肌動(dòng)蛋白重新聚合于此,以維持偽足形態(tài)穩(wěn)定和細(xì)胞移動(dòng)[17]。由此推測(cè),AQP1可能通過(guò)血管內(nèi)皮細(xì)胞遷移而促進(jìn)腫瘤血管新生。

AQP1對(duì)于腫瘤血管新生具有特異性。無(wú)論對(duì)于胚胎生長(zhǎng)還是腫瘤生長(zhǎng),血管新生均至關(guān)重要,然而Saadoun等[16]的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),AQP1基因敲除小鼠的胚胎發(fā)育和血管生成并未受到明顯影響,相比之下,AQP1基因敲除的腫瘤其血管生成卻受到顯著抑制,說(shuō)明AQP1在病理?xiàng)l件下可促進(jìn)腫瘤血管網(wǎng)與微環(huán)境的異常變化。有研究者認(rèn)為這種作用與腫瘤血管的高通透性及間質(zhì)高壓有關(guān)[18]。由于腫瘤血管的高通透性導(dǎo)致細(xì)胞間質(zhì)內(nèi)流體靜壓以及膠體滲透壓升高,使血管內(nèi)外壓力基本平衡,跨血管壁的液體對(duì)流隨之減少,進(jìn)而阻礙治療藥物通過(guò)壓力方式向瘤內(nèi)傳遞,使一些化療藥物的治療效果下降。不僅如此,腫瘤血管的高通透性使血漿蛋白外滲,為遷移中的內(nèi)皮細(xì)胞建立起暫時(shí)性支架,使其能夠順利進(jìn)入其后的血管生成步驟。

3 AQP1對(duì)氣體交換和放療的作用

3.1 AQP1與細(xì)胞內(nèi)外氣體交換

Nakhoul等[19]將AQP1 cRNA注入爪蟾卵母細(xì)胞使其細(xì)胞膜上能夠表達(dá)AQP1,發(fā)現(xiàn)表達(dá)AQP1的卵母細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)CO2比對(duì)照組快了40%。但AQP1在哺乳動(dòng)物細(xì)胞是否也有這種作用尚無(wú)定論。在小鼠,AQP1的缺失并不影響紅細(xì)胞或者肺對(duì)CO2的通透性[20]。但是,AQP1缺失的人紅細(xì)胞,對(duì)CO2的通透性比正常紅細(xì)胞減少了60%[21]。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為O2是通過(guò)自由擴(kuò)散方式通過(guò)細(xì)胞膜的,但是近年來(lái)有研究表明細(xì)胞膜脂質(zhì)雙層對(duì)O2的通透性比之前預(yù)想的低了幾個(gè)數(shù)量級(jí),因此有研究者提出在細(xì)胞質(zhì)膜上存在一種O2通道,以滿足細(xì)胞在高氧耗或者低氧情況下對(duì)O2的攝入[22],哺乳動(dòng)物的快速氣體交換細(xì)胞(如紅細(xì)胞、微血管內(nèi)皮細(xì)胞)具有較高的AQP1表達(dá)量[23,24],都為AQP1作為氣體交換孔道提供了證據(jù)。但由于AQP1基因敲除小鼠并未出現(xiàn)呼吸窘迫或者肺和紅細(xì)胞CO2轉(zhuǎn)運(yùn)障礙,使得一些研究者對(duì)這一觀點(diǎn)持反對(duì)意見(jiàn)。支持者們對(duì)此的解釋是,可能有其它的AQP彌補(bǔ)了AQP1缺失所致的氣體交換障礙,才沒(méi)有出現(xiàn)以上現(xiàn)象。

Echevarría等[25]將穩(wěn)定轉(zhuǎn)染了 AQP1的哺乳動(dòng)物細(xì)胞置于乏氧環(huán)境中,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的O2流失增加,導(dǎo)致乏氧誘導(dǎo)因子-1(HIF-1)的快速穩(wěn)定及HIF-1依賴性基因的表達(dá)上調(diào)。而在含氧量正常的內(nèi)皮細(xì)胞,敲除AQP1后會(huì)造成乏氧誘導(dǎo)基因的上調(diào)。除此之外,他們還發(fā)現(xiàn)在乏氧條件下,動(dòng)物肺組織中AQP1表達(dá)量會(huì)顯著升高。這些結(jié)果均表明AQP1具有氧通透性,能夠介導(dǎo)O2的跨膜擴(kuò)散。

3.2 AQP1與放射治療

放射治療是一種通過(guò)放射線破壞腫瘤細(xì)胞DNA,導(dǎo)致細(xì)胞死亡的治療方法。包括X射線或γ射線在內(nèi)的任何形式的輻射,生物體吸收后都有可能直接與其細(xì)胞DNA發(fā)生作用,使DNA中的原子被電離或激發(fā),從而啟動(dòng)一系列生物效應(yīng)(即輻射的直接作用)。高傳能線密度射線(高LET射線)主要通過(guò)這種直接作用殺傷腫瘤細(xì)胞。射線還能與細(xì)胞內(nèi)水分子相互作用,形成水合電子和自由基,自由基可通過(guò)擴(kuò)散方式到達(dá)靶部位并損傷DNA,在有O2存在的情況下,O2與自由基作用形成有機(jī)過(guò)氧基(RO2),并最終在靶分子DNA上形成ROOH,使靶分子DNA損傷被固定下來(lái),即O2對(duì)放射線的損傷起了“固定”作用,是重要的放療增敏劑[26]。然而,乏氧是實(shí)體瘤內(nèi)微環(huán)境的重要特點(diǎn)之一,并且乏氧細(xì)胞對(duì)放射線相對(duì)耐受,從而導(dǎo)致射線殺傷效應(yīng)下降。而AQP1作為細(xì)胞膜上介導(dǎo)O2跨膜運(yùn)輸?shù)闹匾鞍?對(duì)腫瘤細(xì)胞增加O2攝取可能存在重要作用,如果其表達(dá)升高,將使腫瘤細(xì)胞攝O2增加,使其對(duì)射線作用更為敏感,從而提高放射治療的效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

AQP1作為AQP家族的一員,近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注,尤其是其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中作用的發(fā)現(xiàn),為抗腫瘤治療提供了新的策略。頭頸部腫瘤放療后致唾液分泌功能減退造成患者生活質(zhì)量下降,為解決這一問(wèn)題,Baum等[27]將AQP1 cDNA轉(zhuǎn)染至鼠及豬的因放療損傷的腺體中,成功恢復(fù)了腺體的分泌功能,并且發(fā)現(xiàn)這一基因治療策略的毒副作用小,目前該療法已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。隨著各種分析檢測(cè)技術(shù)的提高,相信其在人類疾病中所發(fā)揮的作用會(huì)被不斷揭示,為疾病的治療帶來(lái)益處。

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