水通道蛋白9的研究进展

张婧敏，张春雷，陈 宏，房兴堂＊

（1.上海农林职业技术学院，上海 松江 201600；2.江苏师范大学生命科学学院，江苏 徐州 221116）

水通道蛋白（Aquaporin，AQP）又叫水孔蛋白，它是存在于细胞膜上快速转运水的特异性孔道，已发现的水通道蛋白有AQP0～AQP12［1］，共13个成员。水通道蛋白普遍存在于微生物、植物及动物界。整个家族在水解平衡中起着关键性的作用。水通道蛋白分子家族成员的一级结构中都含有一种高度保守的特征性序列，即天冬酰胺－脯氨酸－丙氨酸（NPA）序列。其二级结构包含6个跨膜的疏水α－螺旋和5个包含NPA环区的反向平行β－折叠，即包括6个跨膜结构域的疏水性膜内在蛋白和分别在膜两侧形成的五个环结构。这些β－折叠片伸入到磷脂双层中，从而在质膜上形成孔道。它们结构的任何变异都会改变其水通道活性。其空间结构是由单体肽链跨越细胞膜6次而围绕形成的腔型结构（图1），中间是直径约为6埃的水分子通道［3］，该结构被称为特征性的“沙漏”晶体模型［4，5］。

按照对物质转运的专一性将水通道蛋白分为两个亚家族，一类为经典的水通道蛋白，它们只允许水分子通过，另一类为水－甘油通道蛋白（Aquaglyceroporin），主要有AQP3、AQP7、AQP9和AQP10，除对水分子通透外，对中性小分子如尿素、嘌呤、甘油等成分也具有通透性，尤其是甘油。水－甘油通道蛋白在脂肪组织、肝脏、脑组织、皮肤等不同部位参与脂类代谢，其缺失会引发肥胖、糖尿病等。

图1 水通道蛋白的分子结构（引自参考文献［2］）

1 AQP9基因的结构特点

AQP9是1997年Kuriyame等［6］在进行人类脂肪组织基因序列系统分析过程中发现的，其分子结构以及对水的通透性与其他的水通道蛋白类似。人AQP9基因由6个外显子，5个内含子组成，大小约为25个kb。人AQP9基因外显子、内含子数目与AQP3、AQP7基因相同，但AQP9基因内含子的大小从1.5kb到10kb以上，比AQP3、AQP7基因的内含子大90至3 500bp。外显子6含有一个终止密码和一个聚腺苷酸信号（AATAAA）。以牛AQP9基因为例，其位于牛的第10号染色体上，长度为48 678bp，也包含6个外显子，编码295个氨基酸（图2）。

图2 牛AQP9基因结构（引自NCBI数据库）

2 AQP9的分布与功能

AQP9在神经、消化和生殖系统等多种器官组织中都有分布，其分子结构和对水的通透性与其他的水通道蛋白类似。

2.1 AQP9与神经系统

AQP9在哺乳动物脑内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，对脑内水的转运和脑脊液循环具有重要作用。Amiry等［7］通过实验推测 AQP9可能与帕金森病中易受损的神经有关。研究表明，AQP9与脑水肿的形成密切相关，并且AQP9与水电解质平衡调节和能量代谢调节有关［8］。通透性试验表明，AQP9对水、尿素、甘油、甘露醇、山梨糖醇、嘌呤、嘧啶、乳酸、β－羟基丁酸以及氨都具有一定的通透性，AQP9还可以促进类金属材料的运输，可能是哺乳动物细胞摄取亚酸盐的主要途径［9］。

2.2 AQP9与消化系统

通过克隆鼠肝细胞的原位杂交实验显示，AQP9在肝细胞的表达较强，主要分布在肝细胞的基膜面和血窦面，而在胆小管面的质膜上无表达［10］。在胆汁的分泌中水需要跨细胞转运至胆管，而AQP9是至今知道的唯一窦状隙的水通道，因此AQP9对胆汁的转运起到重要作用［11］。有研究显示，肝细胞表面甘油的摄入过程是由AQP9来完成的。当脂肪分解在细胞膜之间形成甘油浓度梯度时，AQP9开始转运甘油。脂肪细胞中脂肪动员产生的甘油由AQP7将其输送到血液，再由AQP9来完成甘油从血液到肝脏的摄取过程，从而作为糖异生的原料补充血糖。因此认为，AQP7和AQP9共同协调完成了甘油从脂肪细胞到肝脏的运输过程。AQP9的功能异常将影响糖异生而导致低血糖的出现，并且与胰岛素抵抗也密切相关［12］。AQP9除了对水和甘油通透以外，对尿素也有很高的通透性。肝脏是尿素生成和排出的主要器官，因此AQP9在肝脏可能同时是一个尿素通道，并且与尿素的清除有关。通过免疫组化检测AQP9在大鼠消化道的分布情况，发现在大鼠消化道，AQP9在近端小肠、远端小肠、近端结肠呈高表达，AQP9分布及表达强度与各部位吸收分泌功能及水电解质转运活跃程度有一定关系［13］。

2.3 AQP9与生殖系统

Pastor［14］等研究发现，AQP9大量表达在附睾和雄性生殖系与分泌和重吸收有关的上皮细胞的顶膜。在受精和胚胎发生过程中，AQP9在胚泡内被测出高表达［15］。AQP9在生殖系统内环境的水和溶质的转运过程中发挥重要作用。通过定量PCR检测发现，大鼠前列腺组织中AQP9的表达受雄激素的调控［16］。

2.4 AQP9与脂肪代谢

通过高脂高能膳食建立不同肥胖易感大鼠模型，观察肥胖合并胰岛素抵抗敏感组织（肾周脂肪、肝脏和骨骼肌）中AQP7和AQP9mRNA的表达情况，实验结果表明，不同肥胖易感大鼠肾周脂肪AQP7mRNA表达水平一致，骨骼肌AQP7和肝脏AQP9mRNA表达水平存在差异［17］。已知AQP7和AQP9共同协调完成甘油从脂肪细胞到肝脏的运输。对AQP9基因敲除的小鼠进行研究，发现甘油进出肝细胞受损，脂肪代谢障碍，出现了糖尿病［18］。因此认为，AQP9参与体内甘油的转运，与脂肪代谢、脂类在组织中的沉积有很大关系。

2.5 AQP9与其他组织

Northenr分析显示人类AQP9mRNA在外周白细胞和聚集白细胞的组织包括脾和骨髓均有表达。在脾脏，AQP9主要分布于红髓的白细胞，白髓中没有表达［19］。黄德亮［20］通过荧光免疫测定出AQP9在小鼠内耳组织中有分布，且主要存在与内淋巴密切相关的组织结构中。AQP9在肺组织中也有表达，但其细胞定位还尚不清楚。

3 结语

目前，随着分子生物学及基因工程技术的迅速发展，研究人员对AQP9的基因、分子结构和生理学功能的研究已经相当深入。这不仅为许多的生理现象作出了科学的分子解释，并且为相关疾病的临床治疗提供理论依据。水通道蛋白9参与体内甘油的转运，与脂肪代谢、脂类在组织中的沉积有很大关系。已有研究显示，AQP9基因的多态性与家畜的生长性状有显著的相关性。因此，对该基因的研究还将有助于阐明畜禽生长性状的分子机制，对提高动物生产性能和维护动物机体健康等都具有很高的实际应用价值。

［1］ Damiano AE.Review：water channel proteins in the human placenta and fetal membranes［J］.Placenta，2011，2：207－211.

［2］ Jung JS，Preston GM，Smith BL，et al.Molecular structure of the water channel through aquaporin CHIP.The hourglass model［J］.J Biol Chem，1994，269：14648－14654.

［3］ Ren G，Cheng A，Melnyk P，et al.Polymorphism in the packing of aquaporin－1tetramers in 2－Dcrystals［J］.J Struct Biol，2000，130（1）：45－53.

［4］ Sui HX，Han BG，Lee JK，et al.Structural basis of waterspecific transport through the AQP1water channel［J］.Nature，2001，414（6866）：872－878.

［5］ 隋海心，任罡.水分子通道蛋白的结构与功能［J］.化学进展，2004，16（2）：145－152.

［6］ Kuriyama H，Kawamoto S，Ishida N，et al.Molecular cloning and expression of a novel human aquaporin from adipose tissuewith glycerol permeability［J］.Biochem Biophys Res Commun，1997，241（1）：53－58.

［7］ Li C，Hirooka Y，Honda R，et al.Distribution of aquaporin－9 in the rat：an immunohistochemical study［J］.International Journal of Tissue Reactions，2005，27（2）：51－58.

［8］ 邵宝平，余华晟，王建林.AQP9在脑疾病中的研究进展［J］，动物医学进展，2012，33（1）：87－91.

［9］ 刘健锋，丁艳平，王建林，等.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）：314－320.

［10］ Elkjaer M，Vajda Z，Nejsum LN，et a1.Immunolcoalization of AQP9in liver，epididymis，testis，spleen，and brain［J］.Bicohem Biophys Res Commun，2000，276（3）：11l8－1128.

［11］ 李娥琼，王正平.AQP8和AQP9在胆汁转运中的作用研究进展［J］.国际消化病杂志，2013，33（5）：307－310.

［12］ 郭晓强.水甘油通道蛋白与甘油运输研究进展［J］.军事医学科学院院刊，2007，31（5）：487－489.

［13］ 秦佳敏，梅浙川.AQP9在大鼠消化道不同部位的分布及差异［J］.重庆医学，2009，38（4）：405－407.

［14］ Pastor－Soler N，Isnard－Bagnis C，Herak－Kramberger C，et al.Expression of aquaporin 9in the adult rat epididymal epithelium ismodulated by androgens［J］.Biology of Reproduction，2002，66（6）：1716－1722.

［15］ 何荣环.水通道在生殖领域的研究进展［J］.国外医学计划生育／生殖健康分册，2006，25（2）：64－67.

［16］ 王建伯，宋希双，丹司望，等.雄激素对大鼠前列腺组织中AQP9水通道蛋白表达的影响［J］.大连医科大学学报，2008，30（3）：224－226.

［17］ 赵健亚，王晓珂，刘天娥.水通道蛋白7、9在不同肥胖易感大鼠组织中差异表达［J］.扬州大学学报（农业与生命科学版），2013，34（4）：18－22.

［18］ 陈丽.水通道蛋白与脂肪代谢的研究进展［J］.国际妇产科学杂志，2008，35（6）：418－422.

［19］ 骆世芳，孙善全.AQP9在组织中的分布和功能［J］.解剖科学进展，2004，10（3）：253－256.

［20］ 黄德亮.小鼠内耳水通道蛋白的定位及其意义［J］.中华耳鼻咽喉科杂志，2001，36（1）：7－9.