水通道蛋白相关研究成果
10生物科学B班1050802025梁水英
摘要：
分子生物学这门学科是一门进展非常快的学科，不断有新的研究成果被陆续发表出来，面对生物科学的迅速发展，作为一名本科生，我们现在需要做的就是学好课堂上的知识，并利用课余时间多接触生物科学最新的研究成果，让自己不断受到新的科学、新的技术、新的发现的熏陶，培养自己发现问题、解决问题的能力。我将以课程论文为载体，简单介绍下在水通道蛋白方面最新的一些研究成果。
关键词：水通道蛋白、AQP1、AQP4、细胞运动
水通道蛋白是体细胞中非常重要的一种通道蛋白，其对于生命体的作用非常巨大。近年来，在水通道蛋白方面的研究越来越多，涉及的面也越来越广，涉及到各类疾病等。
一、水通道蛋白的重要性
水是活细胞的主要组成部分。在活细胞中, 水的比例占总重量的70%左右。大多数的细胞生化反应都是在水环境中进行的。水分子的跨膜输运是如何实现的是生命科学中一个非常重要的基本问题。水分子虽然可以以简单渗透扩散方式通过细胞膜, 但是扩散速度非常缓慢。科学研究证明, 水分子跨越细胞膜的快速输运是通过细胞膜上的一种水通道蛋白( aquaporin,AQP) 实现的。一个AQP1水通道蛋白分子每秒钟可以允许30 亿个水分子通过。水通道蛋白大量存在于动物、植物等多种生物中。在哺乳动物中, 水通道蛋白大量存在于肾脏、血细胞和眼睛等器官中, 对体液渗透、泌尿等生理过程非常重要。在植物当中, 水通道蛋白直接参与根部水分吸收及整个植物的水平衡。由于水通道蛋白的存在, 细胞才可以快速调节自身体积和内部渗透压。由此可见, 水通道蛋白对于生命活动至关重要。
二、水通道蛋白的结构与机理
AQP1 在细胞膜中以四聚体形式存在。每个单聚体( 即一个AQP1 分子) 是一个独立功能单元, 中心存在一个通道管。它由6个贯穿膜两面的长a螺旋构成基本骨架, 其中间有两个嵌入但不贯穿膜的短a螺旋几乎顶对顶地放置着。在两个短螺旋相对的顶端各拥有一个在所有水通道家族蛋白中都保守存在Asn-Pro-Ala (NPA) 氨基酸组单元。它们使得这种顶对顶结构得以稳定存在。从两个螺旋的顶端分别延生出一条氨基酸残基松散链条分别回绕,走向各自的膜面。事实上,这种结构单元不仅存在于水通道蛋白中, 还在其他小分子或离子通道蛋白中起关键作用。水通道蛋白的通道管部分长约20A。参与构成通道管的是6个贯穿膜的长a螺旋中靠近四聚体中心的4个螺旋,以及上面所提到的由两个对顶短a螺旋所延生出的两个松散链条。通道管由4个贯穿膜的长a螺旋参与构成的部分多为非极性氨基酸组成,而由两个松散链条参与构成的部分多为极性氨基酸组成。如果从中间将之纵劈为两半,通道管可视为一半亲水,而另一半疏水。整体看来,通道管不具有很好的亲水性。
三、细胞运动中的水通道蛋白
大量研究表明，迁移中的细胞主要通过细胞前端伪足和后端胞体中不同的骨架机制实现其有效的移动，而在细胞迁移中处于极性分布的细胞膜离子通道(如后部质膜上的对机械敏感的钙通透性阳离子通道、K+通道、Cl-通道等)和离子转运体(前部伪足质膜上的Na+/H+交换体NHE1、阴离子交换体AE2、Na+ -HCO3-共转运体NBC1等)，可以通过调节胞浆中的钙离子浓度和调节细胞体积变化两种途径协助细胞的移动。离子通道和离子转运体的功能与肌动蛋白骨架密切相关。
一方面，离子通道和离子转运体受肌动蛋白丝状态的调节。这在肿胀和皱缩的细胞通过激活离子通道和离子转运体来恢复其正常细胞体积的调控中尤其重要。另一方面，细胞体积变化本身反过来也会影响肌动蛋白骨架。细胞肿胀通常伴随着肌动蛋白丝的解聚，而细胞皱缩则伴随肌动蛋白丝的组装。
肌动蛋白丝和细胞体积的相互依赖关系表明，由细胞膜离子通道和离子转运体活性调控的细胞体积变化在严格依赖肌动蛋白丝快速更新的细胞迁移活动中发挥重要作用。因此推测，细胞膜离子通道和离子转运体通过设定正确的细胞体积创造出细胞骨架机制最佳运转所需的细胞内环境。Saadoun 等2005 年4月发表于《自然》杂志上的一项研究给出了肯定的答案。该项研究应用水通道AQP1敲除小鼠和细胞培养体系，首次证明细胞膜水通道蛋白在血管生成和细胞迁移中发挥重要作用。
1.水通道3452促进血管内皮细胞迁移血管新生和肿瘤生长
2.细胞膜水通道的功能性极性表达是促进细胞迁移的重要分子机制
3．水通道基因功能研究进入新阶段
四、水通道蛋白3和水通道蛋白9在结肠黏膜的表达及意义
在结肠内, 升结肠内容物为稀便,横结肠内容物为软便,而降结肠内容物为成型便, 因此, 结肠有吸收水分的功能。目前,结肠内水转运机制尚不十分清楚。由于水通道蛋白(aquaporins,AQPs)在水转运过程中发挥着重要作用,因此一些学者开始对哺乳类动物消化道AQPs进行研究。研究表明,哺乳类动物消化系统内存在不同的AQP亚型,其中AQP3和AQP9在结肠内有较高的表达。
由于水通道蛋白参与水分的吸收和黏液的分泌，它的异常表达或缺失可导致疾病的发生与水代谢紊乱疾病,其中AQP3位于9p13,而AQP9位于15q22-1~22-2,它们的基因均有4个外显子和3个内含子,一个大的外显子编码N 端分子,三个小的外显子编码C端分子。研究发现结肠全段均有AQP3的表达,提示结肠AQP参与结肠重要生理功能之一,即对肠腔内的水分的吸收。
五、水通道蛋白4对成年CD1小鼠脑内神经再生的调节作用
AQP4是成年动物脑内表达量最丰富、水通透效率最高的水通道业型，主要分布于星形胶质细胞、室管膜细胞以及成体神经干细胞(adult neural stem cell，ANSCs ) 。AQP4对水分子具有双向通透的特性，使其能够在生理及病理状态下快速调节细胞内外水分子的重分布。在细胞毒性脑水肿中，AQP4可促进水分子进入星形胶质细胞，加剧脑水肿;在血管源性脑水肿中，AQP4可加速水肿液从脑实质向脑脊液与血管的外排，减轻脑水肿。星形胶质细胞是脑内数量最多的细胞，参与细胞外离子缓冲、神经递质传导、生长因子释放以及神经免疫调节。应用AQP4基因敲除鼠的研究显示，AQP4不仅是脑内一种特异性的水转运孔道，而且调控星形胶质细胞功能，并广泛参与脑内微环境稳态的维持、神经传导等重要脑生理功能的调节。近年来的研究发现，AQP4高度表达十SVZ, SGZ等神经再生显著的脑区，并且在鼠、猪及人类神经干细胞和神经祖细胞均有AQP4的表达。
参考文献：
[1]孔辉.水通道蛋白4对成年CD1小鼠脑内神经再生的调节作用[J].环境科学进展，1998，6(4)：75～79
[2]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)
[3]杨会锋,袁维堂.水通道蛋白3和水通道蛋白9在结肠黏膜的表达及意义[J].医药论坛杂志.2007.28(6)
[4]刘军,石琳琳,杨红等，细胞运动中的水通道蛋白[J].生物化学与生物物理进展.1976，6(1)：67～73.
水通道蛋白相关研究成果
10生物科学B班1050802025梁水英
摘要：
分子生物学这门学科是一门进展非常快的学科，不断有新的研究成果被陆续发表出来，面对生物科学的迅速发展，作为一名本科生，我们现在需要做的就是学好课堂上的知识，并利用课余时间多接触生物科学最新的研究成果，让自己不断受到新的科学、新的技术、新的发现的熏陶，培养自己发现问题、解决问题的能力。我将以课程论文为载体，简单介绍下在水通道蛋白方面最新的一些研究成果。
关键词：水通道蛋白、AQP1、AQP4、细胞运动
水通道蛋白是体细胞中非常重要的一种通道蛋白，其对于生命体的作用非常巨大。近年来，在水通道蛋白方面的研究越来越多，涉及的面也越来越广，涉及到各类疾病等。
一、水通道蛋白的重要性
水是活细胞的主要组成部分。在活细胞中, 水的比例占总重量的70%左右。大多数的细胞生化反应都是在水环境中进行的。水分子的跨膜输运是如何实现的是生命科学中一个非常重要的基本问题。水分子虽然可以以简单渗透扩散方式通过细胞膜, 但是扩散速度非常缓慢。科学研究证明, 水分子跨越细胞膜的快速输运是通过细胞膜上的一种水通道蛋白( aquaporin,AQP) 实现的。一个AQP1水通道蛋白分子每秒钟可以允许30 亿个水分子通过。水通道蛋白大量存在于动物、植物等多种生物中。在哺乳动物中, 水通道蛋白大量存在于肾脏、血细胞和眼睛等器官中, 对体液渗透、泌尿等生理过程非常重要。在植物当中, 水通道蛋白直接参与根部水分吸收及整个植物的水平衡。由于水通道蛋白的存在, 细胞才可以快速调节自身体积和内部渗透压。由此可见, 水通道蛋白对于生命活动至关重要。
二、水通道蛋白的结构与机理
AQP1 在细胞膜中以四聚体形式存在。每个单聚体( 即一个AQP1 分子) 是一个独立功能单元, 中心存在一个通道管。它由6个贯穿膜两面的长a螺旋构成基本骨架, 其中间有两个嵌入但不贯穿膜的短a螺旋几乎顶对顶地放置着。在两个短螺旋相对的顶端各拥有一个在所有水通道家族蛋白中都保守存在Asn-Pro-Ala (NPA) 氨基酸组单元。它们使得这种顶对顶结构得以稳定存在。从两个螺旋的顶端分别延生出一条氨基酸残基松散链条分别回绕,走向各自的膜面。事实上,这种结构单元不仅存在于水通道蛋白中, 还在其他小分子或离子通道蛋白中起关键作用。水通道蛋白的通道管部分长约20A。参与构成通道管的是6个贯穿膜的长a螺旋中靠近四聚体中心的4个螺旋,以及上面所提到的由两个对顶短a螺旋所延生出的两个松散链条。通道管由4个贯穿膜的长a螺旋参与构成的部分多为非极性氨基酸组成,而由两个松散链条参与构成的部分多为极性氨基酸组成。如果从中间将之纵劈为两半,通道管可视为一半亲水,而另一半疏水。整体看来,通道管不具有很好的亲水性。
三、细胞运动中的水通道蛋白
大量研究表明，迁移中的细胞主要通过细胞前端伪足和后端胞体中不同的骨架机制实现其有效的移动，而在细胞迁移中处于极性分布的细胞膜离子通道(如后部质膜上的对机械敏感的钙通透性阳离子通道、K+通道、Cl-通道等)和离子转运体(前部伪足质膜上的Na+/H+交换体NHE1、阴离子交换体AE2、Na+ -HCO3-共转运体NBC1等)，可以通过调节胞浆中的钙离子浓度和调节细胞体积变化两种途径协助细胞的移动。离子通道和离子转运体的功能与肌动蛋白骨架密切相关。
一方面，离子通道和离子转运体受肌动蛋白丝状态的调节。这在肿胀和皱缩的细胞通过激活离子通道和离子转运体来恢复其正常细胞体积的调控中尤其重要。另一方面，细胞体积变化本身反过来也会影响肌动蛋白骨架。细胞肿胀通常伴随着肌动蛋白丝的解聚，而细胞皱缩则伴随肌动蛋白丝的组装。
肌动蛋白丝和细胞体积的相互依赖关系表明，由细胞膜离子通道和离子转运体活性调控的细胞体积变化在严格依赖肌动蛋白丝快速更新的细胞迁移活动中发挥重要作用。因此推测，细胞膜离子通道和离子转运体通过设定正确的细胞体积创造出细胞骨架机制最佳运转所需的细胞内环境。Saadoun 等2005 年4月发表于《自然》杂志上的一项研究给出了肯定的答案。该项研究应用水通道AQP1敲除小鼠和细胞培养体系，首次证明细胞膜水通道蛋白在血管生成和细胞迁移中发挥重要作用。
1.水通道3452促进血管内皮细胞迁移血管新生和肿瘤生长
2.细胞膜水通道的功能性极性表达是促进细胞迁移的重要分子机制
3．水通道基因功能研究进入新阶段
四、水通道蛋白3和水通道蛋白9在结肠黏膜的表达及意义
在结肠内, 升结肠内容物为稀便,横结肠内容物为软便,而降结肠内容物为成型便, 因此, 结肠有吸收水分的功能。目前,结肠内水转运机制尚不十分清楚。由于水通道蛋白(aquaporins,AQPs)在水转运过程中发挥着重要作用,因此一些学者开始对哺乳类动物消化道AQPs进行研究。研究表明,哺乳类动物消化系统内存在不同的AQP亚型,其中AQP3和AQP9在结肠内有较高的表达。
由于水通道蛋白参与水分的吸收和黏液的分泌，它的异常表达或缺失可导致疾病的发生与水代谢紊乱疾病,其中AQP3位于9p13,而AQP9位于15q22-1~22-2,它们的基因均有4个外显子和3个内含子,一个大的外显子编码N 端分子,三个小的外显子编码C端分子。研究发现结肠全段均有AQP3的表达,提示结肠AQP参与结肠重要生理功能之一,即对肠腔内的水分的吸收。
五、水通道蛋白4对成年CD1小鼠脑内神经再生的调节作用
AQP4是成年动物脑内表达量最丰富、水通透效率最高的水通道业型，主要分布于星形胶质细胞、室管膜细胞以及成体神经干细胞(adult neural stem cell，ANSCs ) 。AQP4对水分子具有双向通透的特性，使其能够在生理及病理状态下快速调节细胞内外水分子的重分布。在细胞毒性脑水肿中，AQP4可促进水分子进入星形胶质细胞，加剧脑水肿;在血管源性脑水肿中，AQP4可加速水肿液从脑实质向脑脊液与血管的外排，减轻脑水肿。星形胶质细胞是脑内数量最多的细胞，参与细胞外离子缓冲、神经递质传导、生长因子释放以及神经免疫调节。应用AQP4基因敲除鼠的研究显示，AQP4不仅是脑内一种特异性的水转运孔道，而且调控星形胶质细胞功能，并广泛参与脑内微环境稳态的维持、神经传导等重要脑生理功能的调节。近年来的研究发现，AQP4高度表达十SVZ, SGZ等神经再生显著的脑区，并且在鼠、猪及人类神经干细胞和神经祖细胞均有AQP4的表达。
参考文献：
[1]孔辉.水通道蛋白4对成年CD1小鼠脑内神经再生的调节作用[J].环境科学进展，1998，6(4)：75～79
[2]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)
[3]杨会锋,袁维堂.水通道蛋白3和水通道蛋白9在结肠黏膜的表达及意义[J].医药论坛杂志.2007.28(6)
[4]刘军,石琳琳,杨红等，细胞运动中的水通道蛋白[J].生物化学与生物物理进展.1976，6(1)：67～73.