雞水通道蛋白研究進展

王秀霞,劉 爽,付 璐,張文慧,關松磊,張林波

(吉林農業大學生命科學學院,吉林 長春 130118)

水通道蛋白(Aquaporin,AQP)是細胞膜上能高效選擇性地轉運水分子的特異性孔道[1]。迄今為止已經發現了13個不同類型的水通道蛋白(AQP0-AQP12),在結構上,AQPs是整合膜水轉運蛋白小分子混合物(～30 kDa)。組織定位和調節研究表明,AQPs在生理上涉及液體分泌和吸收的細胞中表達,例如在眼睛,中樞神經系統,外分泌腺,腎臟和脂肪組織中[2]。AQPs根據功能可分為三類[3]：(a)只轉運水的AQPs,(AQP0,AQP1,AQP2,AQP4,AQP5,AQP6,AQP8)；(b)對水、甘油、尿素或其他小溶質具有通透性的AQPs(AQP3,AQP7,AQP9,AQP10)；(c)超級水通道蛋白亞家族(AQP11,AQP12)[4],主要在細胞的內膜系統表達,參與某些消化酶的共同分泌[5]。

AQPs幾乎存在于所有的生物體中,包括真核生物和原核生物[6]。在植物中,如玉米[7]和大豆[8]等,已有30多種植物水通道蛋白的全基因組被鑒定及分類。在動物中,AQPs在哺乳動物中廣泛分布,且相關報道居多,如大鼠[9],小鼠[10]的腎臟、胃腸道和肺氣道等。近年來,研究人員發現,在非哺乳脊椎動物中AQPs也廣泛表達,比如雞[11],蟾蜍[12]等,并且隨著外界因素刺激,AQPs在體內的表達量也會發生變化[13],但是相關報道較少。本文對雞水通道蛋白研究進展進行概述。

1 雞不同部位的AQPs研究進展

雞屬于鳥綱雞形目雉科,其生理結構不同于哺乳動物,首先雞沒有膀胱,尿液被排到泄殖腔中,這是生殖、胃腸道、泌尿系統的共同終點。其次雞具有嗉囊,食物在嗉囊里經過潤濕和軟化,再被送入前胃和砂囊,有利于消化。雖然其結構與哺乳動物相比有差異,但已經有研究人員報道[14],雞體內不同位置表達不同種類的水通道蛋白,且水通道蛋白與雞組織病變也有密切聯系。

1.1 雞泌尿系統的AQPs及其功能 最近在禽類腎臟中報道了AQP1、AQP2、AQP4的存在[15-16-17],與哺乳動物相似,AQP2在水份缺失或施加精氨酸血管舒緩素(AVT)后AQPs基因表達量增加[18],然而關于AQPs的生理學作用及其在雞類腎臟中基因表達調控的信息仍然有限[15]。Sugiura K.等[19]通過RT-PCR等方法確定了 AQP1、AQP2、AQP3、AQP4、AQP7 存在于幼雛雞腎中,此外該研究首次報道了AQP9也存在于雞腎中。后續研究顯示,除了AQP7以外,AQPs的表達可以被高滲刺激選擇性誘導和調節,而AQP7并沒有明顯變化,說明AQP7在雞腎臟水轉運中不具有關鍵性作用。由于涉及雞體內水分子平衡機制尚不明確,因此Orlowski S. 等[16]檢測了AQP2、AQP3、AQP4在不同種類的雞中腎及全血中的表達,該研究首次顯示,水通道蛋白和核糖核酸酶III家族酶以限水條件依賴于群體的差異性調節,它們在循環中的表達可以為涉及適應性水分脅迫應激的新分子標志開辟新的前景。

1.2 雞消化系統的AQPs及其功能 消化系統是除腎臟以外體液吸收和分泌量最大的器官系統,因此水通道蛋白在消化生理中可能扮演重要角色。禽類的腸道具有吸收腎臟產生的大量流體的能力。Ramírez-Lorca R.等[19]通過Northern測定分析3種ck-AQP mRNA在哈伯德雞的腎和胃腸道系統中的表達情況。其中ck-AQP2的轉錄物僅在腎中被鑒定,ck-AQP4 mRNA在腎和胃中較低程度表達,ck-AQP5mRNA在空腸和回腸中被發現,在直腸中發現較少程度ck-AQP5 mRNA。從空腸到結腸,ck-AQP5 mRNA和蛋白的表達水平逐漸降低。總之,ck-AQP5在雞胃腸道中可能具有一定作用,但是其是否受荷爾蒙或神經肽控制有待于進一步研究。Casotti G.等[15]在麻雀腎臟、腸胃、近端、遠端直腸及下腸道中分離出971 bp AQP1的完整cDNA。這一發現具有重要意義,因為AQP1的組織分布表明,水通道蛋白在禽類水份保存中具有重要的生理作用,而且由于禽類下腸的平滑肌處于持續收縮狀態,允許輸尿管尿液在下腸中運動,且其收縮速度慢,不太可能積累乳酸,因此AQP1在腸平滑肌的功能作用可能與其哺乳動物骨骼肌不同。

1.3 生殖系統的AQPs及其功能 Yang等[14]確定了AQP3在雞輸卵管中高度表達,此外AQP3表達隨著雌激素的影響呈依賴性改變,AQP3 mRNA表達隨著雌激素濃度的降低而降低(P＜0.001),在患有卵巢癌的蛋雞中,AQP3表達增加(P＜0.001)。以上結果表明,AQP3不是簡單的將水輸入或輸出細胞,而是似乎密切參與由雌激素調節的輸卵管的發育。總之,AQP3是一種激素誘導的雞輸卵管發育調節因子,也可以成為預測上皮細胞衍生的卵巢癌發展的潛在新生物標志物。Socha J.K.等[21]用他莫昔芬(TMX,雌激素受體調節劑)處理母雞直至其停止產卵,通過實時PCR和免疫印跡檢測雞輸卵管中AQP4的基因和蛋白表達變化,結果表明,用TMX處理的母雞輸卵管中AQP4的mRNA和蛋白水平降低。免疫組織化學證實了AQP4在輸卵管壁中的組織和細胞中呈依賴性定位。以上結果表明,AQP4參與調節雞輸卵管中卵形成所需的水份運輸,此外,雌激素作用與AQP4基因和蛋白表達之間的關系也具有研究前景。Nowak M.等[22]研究了AQP4在雞卵巢中的表達與卵泡發育的關系,通過實時PCR和蛋白質印跡分析,在所檢查的卵巢區室中分別檢測到AQP4 mRNA和蛋白質。AQP4的相對表達取決于濾泡的大小和毛囊壁的層次。隨著排卵最大卵泡的接近,顆粒層中AQP4蛋白水平逐漸降低(內膜≥外膜 ＞顆粒)。以上結果表明,AQP4可能參與調節雞卵巢卵泡發育所需的水份運輸。Tiwari A.等[23]確定了AQP5在雞卵巢腫瘤中的定位,揭示了AQP5在卵巢腫瘤組織中的COVCAR細胞與正常卵巢表面上皮的NOSE細胞相比的差異分布。說明AQP5在卵巢腫瘤細胞的增殖和侵襲性中的具有潛在作用。

1.4 其他部位的AQPs及其功能 雞胚絨毛尿囊膜(CAM)通常同于研究體內血管生成,Domenico等[24]通過蛋白質印跡和免疫組化法研究了雞CAM中AQP1的發育表達,結果顯示,AQP1在外胚層、內胚層上皮細胞、血管內皮細胞中明顯表達。由于AQP1在正常或病理狀態下的血管生成過程中報道較少,該數據可作為進一步研究AQP1在CAM試驗中刺激或抑制血管生成作用的基礎。AQP4是水通道家族的成員之一,具有高透水性,Yoshimura K.等[11]通過蛋白質印跡分析表明,在腦、前胃、腸、胸肌、腎和輸尿管中存在AQP4條帶,腦部的免疫組化結果顯示,腦、血管周圍的AQP4反應性最高,說明雞的大腦是AQP4主要表達部位。同年,Saito N.等[13]研究了水份剝奪對雞AQP4表達的影響,通過RT-PCR定量分析顯示,脫水后AQP4表達顯著增加,這說明AQP4可能在雞腦滲調節中起關鍵作用。Goodyear M.J.等[25]首次研究證明,小雞視網膜中存在AQP4蛋白并且將內視網膜中AQP4表達與視覺剝奪和最快軸向伸長時間聯系起來。實驗組在快速生長期AQP4表達量增加,說明AQP4的表達在功能上與軸性屈光不正的發展有密切關系。

2 展望

在哺乳動物中,AQPs在身體的大多數組織和器官中表達以提供各種功能,例如水,尿液和甘油的轉運,也能作為腎臟中尿液濃度的調節劑[26]。然而,鳥類AQPs的組織特異性表達報道較少,研究表明,AQP2,AQP4分別在雞的腎、腦中特異性表達。在雞的卵巢和輸卵管等大部分器官中檢測到AQP1和AQP3的表達。綜上所述,雞水通道蛋白的分布及功能大部分與哺乳動物中報道的相一致(AQP7除外),而隨著分子生物學技術的發展,水通道蛋白的結構與功能已經逐漸揭開面紗,它不僅僅是轉運水和一些小分子的膜蛋白,還能夠通過參與機體的一些復雜病理和生理,從而對疾病產生重要的影響。因此開發水通道蛋白相關抑制劑和激動劑或許可以有望給尿崩癥、腹瀉、卵巢癌、腫瘤等疾病提供新的治療前景。