肺水通道蛋白与支气管哮喘

2013-04-16 15:46 来源:国际呼吸杂志 作者:张 君 等
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支气管哮喘(简称哮喘)是由多种细胞和细胞组分参与的气道慢性炎症性疾病。哮喘患者支气管黏膜中存在以嗜酸粒细胞(eosinophil EOS )为主的炎症细胞浸润,浸润的EOS 迁移时体积和外形都会发生变化,这就需要细胞内外水的快速跨膜转运。在肺部水转运过程中起重要作用的物质为水通道蛋白(aquaporins AQPs )。现将肺部AQPs 与哮喘的关系综述如下。

1 AQPs 结构及其在肺组织中的分布

1.1 AQPs 的来源 AQPs 是一组与水通透有关的介导水跨膜转运的细胞膜转运蛋白。主要介导自由水被动跨生物膜转运,能显著增加细胞膜水通透性,对保持细胞内外水平衡起重要作用。它广泛存在于生物组织的内皮细胞和表皮细胞膜上。早在19 世纪中叶就有人提出细胞膜上可能有介导水转运的通道,直到1957 年,Sidce Solom an 才发现细胞膜的高效水通透性由水选择性通道介导。在1991 Agre 等完成了第一个AQPs cDNA 的分子克隆和功能鉴定,证实了在哺乳动物的细胞膜上存在特异转运水的通道-AQPs ,从而使水代谢的研究进人了一个崭新的阶段。AQPs 广泛分布于全身各组织,定位于染色体18q11-12 ,迄今已在哺乳动物体内发现13 AQPs AQPO-AQP12 ),称为AQPs 家族。

1.2 AQPs 的结构 AQP 是一种相对分子质量约30 000 糖蛋白,其一级结构由2 个分别位于肽链两侧的重复部分构成,每个分子包括6 个跨膜区域和5 个环(A B C D E ),其中A 环有N- 连接糖基化位点;E NPA 序列前的半胱氨酸是AQPs 的汞抑制部位。AQP 整个分子前后两部分在序列上相似,在膜上呈180 度对称镜像结构,接近氨基酸和羧基端的B 环和E 环各有由3 个氨基酸(天冬酰氨- 脯氨酸- 丙氨酸)组成的基元,这是该蛋白家族成员共有的高度同源的特征性结构。AQPs 的二级结构由40% α- 螺旋和42% 43% β- 片层及转角构成,它的三级结构以四聚体形式存在,每一个单体都是独立的功能性水通道。水通道的立体结构主要来源于对AQP1 的分子结构研究,AQP1 属于糖蛋白,在质膜中形成四聚体。在四个单体的中空部分含有独立的孔道,每一个孔道的大小约为一个单水分子,孔道中间部位的正电荷阻止带电荷的质子和其他离子通过。

1.3 AQPs 的分布 目前已鉴定出6 种肺AQPs ,分别是AQP1 AQP3 AQP4 AQP5 AQP8 AQP9 ,其中AQP1 AQP3 AQP4 AQP5 与肺组织液体转运关系尤为密切,在肺泡毛细血管间的水跨膜转运中发挥重要作用。AQPs 在组织分布上有一个显著特点,即在同一细胞定位上,没有两种以上AQPs 重迭分布,进而显示出每种AQP 的特殊地位和作用。上呼吸道中AQP1 AQP3 AQP4 AQP5 均有表达,而下呼吸道中主要是AQP1 AQP5 分布。这样的分布使得肺脏树枝型结构的各个层面均有不同的AQPs 的表达,便于其参与肺脏不同部位的水分子运动。

AQP1 主要表达于肺组织的血管内皮细胞、气管腔上皮细胞顶膜面和支气管黏膜下腺上皮细胞,肺泡Ⅱ型上皮细胞顶膜面,另外在胸膜脏层周围毛细血管内皮细胞腔膜面、基侧膜面以及胸膜脏层的间皮细胞也有表达。

AQP3 存在于大气道表面上皮细胞和腺泡细胞基底膜及小气管上皮细胞顶质膜,此外AQP3 在肾脏集合管主细胞的基底侧和气管、鼻咽等上皮细胞也有表达。

AQP4 分布于大小气道上皮、肺泡内皮细胞、Ⅰ型肺泡上皮细胞、纤毛管及腺泡细胞的基缘膜、支气管、气管柱状上皮。AQP4 在脑主要分布于脑表面的软脑膜,脑室系统的室管膜,靠近蛛网膜下腔和位于血管周围的星形胶质细胞,视上核和室旁核。此外在鼻咽上皮细胞等也有表达。

AQP5 位于肺泡Ⅰ型细胞的顶膜面、上气道的分泌上皮细胞,Kreda 等用原位杂交和免疫荧光技术发现AQP5 在呼吸道上皮表层的柱状上皮细胞顶膜和黏膜,下腺腺泡细胞顶膜也有表达,同时在一些分泌性细胞中也有表达,如颌下腺、腮腺上皮细胞等。

AQP8 AQP9 在肺组织中也有表达,但其细胞定位还不清楚。研究表明:AQP8 在呼吸道黏膜下腺表达,此外AQP8 在哺乳动物的胃肠道、睾丸、心脏、肾和气管中都有广泛的表达。AQP9 除在肺部外,在垂体前叶、中枢神经系统,视网膜、甲状腺、胃肠道、肝和精巢等部位都有分布。

2 AQPs 的生理功能

肺是气体交换的场所,对保持肺泡和毛细血管间水的平衡、肺泡内相对干燥的环境,维持正常的气体交换功能具有重要的意义。水的跨膜转运有两种基本方式:穿越膜脂质双层的简单扩散和通道介导的水转运,但主要方式是通道介导的水转运。AQPs 功能均不受温度和脂质膜成分影响,而且不存在开放和关闭的功能状态,只要有渗透压梯度就有水分子顺渗透压梯度通过水孔通道。在生理情况下,水通道基本上处于激活状态;水经水通道向高渗方向的转运,一般不需要门控或其他调节。肺泡内水的转运主要有两条途径,一是伴随Na+ 的主动转运,二是经肺泡上皮上的AQPs AQPs 表达的不重性和复杂的模式为AQPs 在肺和气道的生理功能提供了间接的证据。

AQPs 功能包括参与出生时肺泡液体的吸收及急性、亚急性肺损伤时肺水容量的调节及吸入气体的湿化、气道表面液体容量的调节、气道液体的吸收等方面。Umenishi 通过对兔的研究发现AQPs 表达水平的变化提示某些水通道可能参与出生早期肺内液体的快速转运,这对于尽早恢复正常呼吸功能可能具有重要意义。

3 AQPs 与哮喘的联系

哮喘以气道炎症浸润、气道高反应性、黏液高分泌、气道重塑为主要病理特征,其发病机制较为复杂,目前尚未明确,现在被大多学者所接受是气道慢性炎症学说。该学说认为哮喘大多是由敏感个体对环境中正常抗原的异常免疫应答产生,这种异常的免疫应答主要由CD4+T 辅助细胞中的Th2 细胞引起。大量研究表明Th2 分泌的细胞因子(如IL-4 IL-5 IL-13 等)在起始和维持气道慢性炎症级联反应中发挥关键性的调节作用。其中IL-13 是近年来较受关注的Th2 细胞因子,它可刺激B 细胞的增殖和IgE 的合成,IgE 通过与肥大细胞、嗜碱粒细胞相互作用可诱发哮喘的急性发作。近来发现气道重塑,即气道结构发生改变也成为哮喘的病理改变。

呼吸系统普遍存在着液体的分泌、吸收和转运等复杂的生理和病理过程,通过研究发现,哮喘发作时,气道黏液大量产生和分泌,气道黏液中的黏蛋白相对量增多或者黏蛋白/ 水盐比例失衡会形成较高的黏滞性使其较难被清除。呼吸道的多种上皮通道蛋白Na+ Cl- 和水通道可通过控制水盐跨膜转运来调节气道表面液体成分、厚度及黏液- 纤毛摆动速率。气道黏液减少或者稀薄将有利于黏液的排出,现已公认水分子运动在哮喘发作时的气道阻塞中起重要的作用。由此可见,在肺水转运过程中起重要作用的肺AQPs 与哮喘的发作也存在着密切的联系。研究发现,不同的肺AQPs 在哮喘的发作过程中发挥着不同作用。

3.1 AQP1 AQP1 是肺组织主要的AQPs ,是肺组织水转运功能中液体快速转运的通道。AQP1 主要负责清除支气管和脉管周围组织内的水分,促进支气管上皮和血管周围组织的水分的转运。分布于肺微血管内皮的AQP1 ,对维持血管与问质之间水运动的平衡有重大意义,对维持正常肺组织的通气和换气功能起重要作用。King 等研究发现,用生理盐水静脉灌注后,在先天缺乏AQP1 基因的个体中,血管壁增厚20% ;而正常个体血管壁却增厚44% ,表明AQP1 在肺血管通透性中有重要作用。这是首次分析AQPs 在人肺中的生理功能研究。Verkman 等研究发现如果小鼠肺毛细血管内皮缺乏AQP1 ,肺泡毛细血管间水的渗透力可下降90% ,表明呼吸道中水通过毛细血管运输主要由AQP1 介导,AQP1 可以使水快速通过毛细血管内皮细胞进入周围的组织液中,调控细胞间液体量和血管容积的流体静压与胶体膨胀压,对维持气道正常生理功能具有重要作用。

研究表明,多数炎症细胞的细胞膜都存在AQP1 的表达,它为细胞迁移提供了一条水分子快速进入细胞的途径,并以此促进细胞运动。AQP1 的过度表达,可使气道内水分明显增多,促进气道的高反应性,加重炎症细胞的渗出,增加气道黏液的分泌。唐顺广等研究发现,哮喘急性期AQP1 的过度表达与炎症反应、水分泌与交换增多相一致,提示AQP1 参与了哮喘急性炎症期的发病机制,在哮喘急性期炎症渗出、液体异常流动中起重要作用。此外,肉芽组织新生血管的增生过程中,AQP1 的高表达对血管的再生速度有显著的提高,提示AQP1 可能加速血管内皮细胞的迁移,形成紊乱的新生血管网。研究间接提示,AQP1 可能在导致气道重塑的过程中有一定的作用。

3.2 AQP3 AQP3 广泛分布于各组织细胞,其表达的量、对水的转运及其在各部位所起作用的大小受很多因素的调节。近来用原位杂交和免疫荧光技术检测显示,在小气道中AQP3 被确定,在肺泡上皮,AQP3 位于Ⅱ型细胞。AQP3 在呼吸道上皮的表达参与了AQPs 在气道的复杂的网络组成,经这种网络来调节和保持气道表面的液体平衡且对防止细菌入侵过程中起着非常重要的作用。对于这种液体平衡是怎样在气道中维持并湿化吸入的气流,多数学者认为是与黏膜下血管和腺体上的AQPs 分布相关,使水从血管向气道腔侧转运。但是,Krane 等研究结果发现,AQP3 在保持气道湿度,气道表面液体的水合作用及液体的吸收中作用很小。Zeuthen 所发现的AQP3 的功能受pH 值调节,使AQP3 的调节可能更复杂。在肺部,通过这种复杂的AQPs 网络调节呼吸道跨上皮的水转运机制还得进一步研究。在Cao 等的研究中指出:AQP3 表达于人体的皮肤的肌纤维母细胞上,当人体伤口愈合时,加速肌纤维母细胞从伤口周围向伤口迁移,促进修复伤口,这表明AQP3 有可能与气道重塑相关。

3.3 AQP4 AQP4 分布于大小气道上皮、肺泡内皮细胞、Ⅰ型肺泡上皮细胞、纤毛管及腺泡细胞的基缘膜,是目前为止发现的惟一一种在支气管上皮顶部细胞上表达量较为丰富的AQPs 。正常的支气管上皮细胞虽然表达AQP4 但不分泌黏液。研究发现AQP4 基因敲除小鼠中则黏液分泌量较少。在野生型哮喘小鼠肺中出现水,AQP4 表达下调,结果提示:AQP4 可能参与了哮喘条件下黏液分泌的调控作用,即AQP4 能够促进哮喘条件下的黏液分泌,造成黏液过分泌;AQP4 下调或缺失则可抑制哮喘条件下的黏液分泌,减轻哮喘症状。此外,小气道的上皮细胞化生成杯状细胞是哮喘发生的一个重要标志,正常大鼠支气管中的杯状细胞中并没有AQP4 的表达,提示我们,AQP4 可能在上皮细胞向杯状细胞转化的过程中起到促进作用。

3.4 AQP5 AQP5 位于肺泡Ⅰ型细胞的顶膜面、支气管纤毛柱状上皮细胞的顶膜面、黏膜下腺体、肺泡上皮细胞,通过AQP5 蛋白表达部位可以看出AQP5 在肺内与腺体分泌、气道及肺内液体清除、正常呼吸道气道表面液体的形成均有密切关系。AQP5 是黏膜下腺体液体分泌的主要参与者,黏膜下腺AQP5 的减少可以导致气道液体分泌的减少和黏蛋白浓度增加。

石志红等的研究发现,AQP5 的表达强度与FEV1/FVC ,、FEV1 预计值呈正相关关系,即AQP5 表达可能与患者气流受限的严重程度呈负相关关系,AQP5 表达越弱,引起气流受限程度越重,反之越轻,说明AQP5 表达改变引起的患者气道黏液分泌异常导致气流受限的形成和发展。

AQP5 广泛分布于肺泡Ⅰ型上皮细胞的腔顶面,近来研究提示,IL-13 可以改变AQP5 的表达使上皮细胞的内环境稳态发生变化,进而加重哮喘气道炎症,其机制可能是哮喘时气道分泌大量的炎症介质和细胞因子,导致气道损伤,引起上皮细胞的脱落和破坏,导致AQP5 的降低而进一步加重哮喘的病程。

AQP5 与气道高反应性有关,Krane 等研究表明:AQP5 缺失鼠与野生型鼠相比,其气道对乙酰胆碱或乙酰甲胆碱反应更敏感,更容易引起支气管痉挛,但AQP5 所致气道高反应性的机制仍不清楚。通过研究发现,AQP5 在小鼠Ⅰ型肺泡顶膜上高表达,小鼠Ⅰ型肺泡是目前为止发现的水通透性最高的细胞之一。AQP5 如何引起气道超敏反应其具体机制还不清楚,King 推测,AQP5 可能在调节气道水稳态中起作用,肺内区域性水分布发生变化,会加剧气道收缩,而这又会导致黏膜弯曲变形,加剧黏液向腔内的排放,引起黏液聚集。

4 展望

随着对AQPs 的深入研究,人们逐渐对AQPs 在生理、病理状态下的作用,AQPs 与相关疾病的发病机制有了进一步的认识。通过对肺部AQPs 与哮喘的作用联系的研究,我们发现,AQP1 参与了肺部水的转运和哮喘急性炎症期的发病机制,AQP3 可能在保持气道表面的液体平衡并且对防止细菌入侵、气道重塑等起着重要的作用,AQP4 可能参与了哮喘条件下黏液分泌的调控,AQP5 与气道高反应性、气流受限、调节气道水稳态有关,对于其他的通道我们虽然还没有更为深入细致的研究,但是这些为我们探索治疗哮喘的新途径提供了新的方向和思路。

编辑: tianyusheng

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