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水通道蛋白4在中枢神经系统中的分布及其调节.pdf

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水通道蛋白!在中枢神经系统中的分布及其调节孙国柱 张庆俊#王 浩(河北医科大学第二医院神经外科,河北 石家庄$%$)关键词&(!;脑;脊髓;解剖定位;调节因素中图分类号!#$%&;#$;()#%#!文献标识码!*!文章编号!+,-.$+$($+()+&-+&+/-+#北京大学人民医院神经外科作者简介:孙国柱(#)*)+),男,医学博士,副主任医师,主要从事脑水肿以及脊髓空洞症的基础及诊治研究。水通道蛋白!(,-.,/0123!,&(!)是#)!年 4.56 等利用水通道蛋白家族的同源性克隆分离出来的,在中枢神经系统分布最为丰富,参与了脑脊液的重吸收、渗透压调节。近期研究证实&(!参与了脑挫伤、肿瘤、炎症、脑血管病所引起的一系列脑水肿病理过程。现对&(!在中枢神经系统的定位及其调节机制作一综述。!&()分子结构和遗传特性&(!是由!个独立具有活性的亚单位组成的四异聚体,其氨基端和羧基端均位于胞内,整个分子前后两部分在序列上相似,呈#7$8定位的正面对称结构。每个亚单位含有*条疏水性的跨膜!右手螺旋结构,均有独立转运水的孔道。各亚单位间有%个长度不同的连接环(&、9、:、;和 环),&、:、环为胞外环,9、;环为胞内环。&、:、;环为=个不同长度的连接环;9、个功能性的长环,分别含=个主要为天冬+脯+丙氨酸(?(&)的氨基酸,这些?(&环从双分子层相对的面折叠入膜中,在双分子层中线处交叉重叠就形成了狭窄的开放水孔道,且周围被*条跨膜的螺旋所包绕。分子重组体研究证实其每个单位的孔道呈“沙漏”模型。&(!第#7)位氨基酸残基不是半胱氨酸,不能与汞结合堵塞水通道,又称汞不敏感性水通道蛋白。&(!基因由!个外显子组成,分别编码#、%、)位氨基酸序列,其间有=个内含子,其长度分别为$A 7、$A=和%A BC。&(!基因定位于人的染色体#7-#A 与-#A#之间的连接处。$!&()在脑内的分布及其功能&(!主要分布在星形胶质细胞膜,至于是否还存在于神经元和其他类型胶质细胞膜仍有争论。D05EF,等#实验发现&(!3G?&在大鼠星形胶质细胞内有表达,而在神经元、少突胶质细胞、小胶质细胞和脑膜成纤维细胞内未见表达。HE5E10等的实验结果发现&(!主要分布于星形胶质细胞膜表面,而在神经细胞上分布是有选择性的,主要分布于细胞体较集中的神经核团或神经细胞层的胞体上。一般认为,&(!是大脑的主要水通道蛋白,广泛分布于前脑、间脑、中脑、小脑、脑干等部位。其中,主要分布于星形胶质细胞、软脑膜、室管膜、脉络丛、脑血管的内皮细胞、下丘脑的视上核和室旁核=,!:对于星形胶质细胞,其分布具有极性,突出是靠近蛛网膜下腔、位于血管周围的星形胶质细胞表面和星形胶质细胞的终足紧密包绕毛细血管壁形成的一层胶质界膜上表达强烈%,可能由于此界膜构成血脑屏障的第二道隔膜,起调节水运输的作用。#脑表面的软脑膜、脑室系统的室管膜细胞、脉络丛上皮细胞的&(!分布与脑脊液分泌和重吸收部位一致,脑脊液可能通过这些组织细胞上的&(!分泌和被重吸收*。$内皮细胞两侧表达的量没有差别,&(!与细胞内陷相关。%还有学者发现&(!在下丘脑的视上核和室旁核神经元细胞膜上也有分布7,这些核团的神经大分泌细胞对细胞膨胀等容量变化十分敏感,渗透压改变#I 即可通过合成和释放抗利尿激素(&H()调节肾脏水的排泄。这一现象提示&(!可能作为渗透压感受器或受体,通过加强对微小渗透压变化产生迅速而敏感的细胞容量改变,而在下丘脑的&(!调节渗透压,参与全身的水代谢。&分布于海马、小脑、脑干神经核团和部分皮质神经元上的&(!主要参与调节细胞外间隙大小以及细胞外间隙中的 JK浓度。&(!在脑组织的分布随发育而变化。LE5 等)在大鼠生后发育过程中检测了脑&(!表达水平,发现&(!在生后第#周含量较低,在第 周明显增加,由生后 F 的 I 增到生后#!F 的%I。&(!表达时间过程及模式显示:从发育的第 周开始,&(!已经开始对脑内水和 JK体内平衡起重要作用。还有研究发现&(!在从神经干细胞开始分化为胶质细胞的初期和胶质细胞分化周期的 M$、M#期均有表达,推测&(!参与了血脑屏障的功能,并与脑发育密切相关#$。#!&()在脊髓的分布及其功能 有关&(!在脊髓表达和功能的研究有限。NOP20#应用免疫胶体金技术证实&(!在脊髓分布于灰质和邻近脊髓血管上皮细胞的胶质细胞突起。H2QERR,10+S.TT,1ERR0 等#发现在灰质,&(!除高度表达于星形胶质细胞形成的血管周围终足外,还广泛弥散于神经毡,只有神经元胞浆不着色,着色的浓度最密集存在后角的和(板层,自背侧到腹侧存在梯度递减变化,但中央管周围区域和胸段的中间外侧柱着色仍高。在白质,&(!免疫活性集中在起自灰质并向脊髓表面放射的传导束上,可能为细胞在郎飞(氏)结动作电位传播时发挥的缓冲释放 JK的辅助作用。国内石向群等#=观察到&(!除表达于胶质细胞细胞膜外,还大量表达于脊髓前角运动神经元胞膜,至于其功能尚不清楚。*$7中国老年学杂志$年!月第 卷万方数据!#$%也表达于脊髓组织&脑脊液接触的部位(,)。与中央管和蛛网膜下腔脑脊液接触的沿室管膜和软膜排列的胶质细胞#$%表达丰富,室管膜细胞有微弱着色,主要位于基底膜。与其他上皮组织不同,室管膜细胞没有基底膜,取而代之的为其下胶质细胞的胶质膜形成基底膜。同样的解剖结构也存在脊髓表面的软膜和神经胶质膜之间的连接。这些解剖特点提示#$%在调节脊髓和周围的脑脊液之间水的转运可能起重要作用。!*+,-./01&2344/0-.1 等(还发现围产期脊髓灰质和白质的#$%表达水平特别低,并且在产生后第(周增加。这一点与脑组织的发育中#$%表达相似。!#$!功能的调控机制!#$%的调控可发生在基因水平包括 567 转录,也可发生在分子水平包括蛋白质量的变化和功能活性的变化,甚至分子结构以及亚细胞定位改变。!#$!#$%的短时程调节!#$%的短时程调节主要是通过蛋白质磷酸化。#$%上含有大量蛋白激酶 ($8)、钙9 钙调素依赖蛋白激酶!(:/;8!)、蛋白激酶:($8:)、酪蛋白激酶!(:8!)磷酸化位点。#$%上的-0 残基是钙调节蛋白磷酸化和$8 磷酸化的位点,磷酸化后会增加#$%的通透性。而$8:激活后下调#$%表达,是通过 残基磷酸化。抗利尿激素(*$)可以通过:/;8!磷酸化增加#$%表达,导致低渗透压条件下的细胞水肿,而且这种作用可被$8:抑制剂所抑制%。孙国柱等?发现在脊髓空洞前状态发病中$8:活性增加的同时伴有#$%及其 567 表达的降低,认为$8:激活后降低了#$%基因表达和蛋白含量,而且还可对低表达的#$%进行磷酸化使其功能丧失。/5/51,1 等A则发现改变$8:活性,可以明显改变胶质细胞#$%及其 567 表达水平,而且这一效应可以被$8:抑制剂所逆转,但是蛋白合成抑制剂并不改变 B$对胶质细胞#$%的影响。C/D 等E使用$8:活化剂降低了转染#$%基因的卵母细胞在低渗状态下细胞肿胀程度,同时发现卵母细胞内磷酸化#$%比例明显升高,提示了蛋白激酶活化剂具有导致#$%磷酸化、活性消失的作用。#$%与血浆蛋白相互作用可以阻止$8:依赖的 磷酸化,却有利于:/;8!作用的 也观察到了同样的现象,孟淑珍等(在活体动物脑星形胶质细胞上得到了证实。其原因在于低氧诱导因子(CJG)在#$%基因启动区有结合位点,低氧时触发了#$%转录。与之相反,/5/51,1 等A利用局灶脑缺血模型发现梗死灶周围皮质#$%567 表达增加,唐玲等(和鲁宏等()在局灶脑缺血模型中也发现梗死灶周围半暗带脑组织#$%及其 567 明显增加。尸体解剖发现人梗死大脑#$%免疫反应也有增加。唐宇平等(%发现急性脑出血血肿周围组织#$%及其 567 也增高。!最近有国外研究认为:型尿钠肽(:7$)可能是#$%的神经调控因子。;+K/H+5/等(?发现在培养的星形胶质细胞中加入:7$可通过 L:&M 使#$%567 的表达增强。7/N/O/5/等(A还发现一种$8:激活剂乙酸豆寇佛波酯(B$)可导致#$%567 急剧减少,并且这种减少作用可能是由$8:介导的。另外,L3 等(E发现睾酮可以提高#$%及其 567 在培养的星形胶质细胞中的表达水平,改善星形胶质细胞高渗环境的渗透脆性,且该作用可被 B$削弱。!#&!#$%受亚结构定位变化和其膜锚定蛋白#&FKD,01PO+D 的调节!通过改变#$%在细胞内亚结构的定位,同样可以导致其生物效应的变化。7/N/O/5/等(=研究结果显示#$%:端第(EA Q(=的?个氨基酸对于#$%在细胞膜上的固定起着重要作用,他们的突变或缺失将导致#$%不能固定在细胞膜上,从而进一步影响其生物学效应。!#$%在胶质细胞上的极性表达主要依赖于与#&FKD,01PO+D之间的相互作用。;RS 大鼠缺乏#&FKD,01PO+D,#$%在星形胶质细胞足板上的表达明显减少。缺乏血影蛋白的大鼠,其血管周围的星形胶质细胞胞膜上也缺乏#$%表达。与之相反,星形胶质细胞胞膜其他区域上的#$%得以保留甚至上调。将#&FKD,01PO+D 基因敲除的大鼠进行免疫细胞化学染色发现脑血管周围星形胶质细胞#$%表达明显减少。定量分析发现,#&FKD,01&PO+D 敲除引起了#$%错误定位,而不是#$%丢失。#$%的错误定位,可以被看作是#$%表达缺乏极性。而小脑颗粒层、新皮质软脑膜下的足板细胞和视上束和其他调节渗透压相关的器官上表达#$%与#&FKD,01PO+D 无关。总之,依据与#&FKD,01&PO+D 的关系,脑星形胶质细胞分为)类:最多的是#$%中等量表达在非足板细胞膜表面的而大量表达在足板细胞膜表面的胶质细胞;第二类是位于新皮质表面和小脑皮质深部的,足板细胞膜依赖#&FKD,01PO+D 表达#$%,但与第一类不同的是非足板细胞膜在#&FKD,01PO+D 敲除后,持续甚至#$%表达增强;第三类是与渗透压调节有关的器官中特殊星形胶质细胞。这些细胞表达#$%与#&FKD,01PO+D 无关。内皮细胞与室管膜细胞在#&FKD,01&PO+D 敲除后#$%表达没有变化。!#!其他因素!T+等(I发现低渗环境可导致星形胶质细胞水肿和生存能力下降,#$%567 和蛋白表达增强,证实了#$%的表达与渗透压直接相关。由甘露醇诱导的高渗环境可以增加#$%和#$I 的表达,颅内注入甘露醇可以增加大鼠皮质#$%和#$I 的表达,软脑膜和血管周围的表达均增加,0+5/等)认为甘露醇诱导的高渗环境引起#$%上调的机制与$)=;$8 信号通路有关;星形胶质细胞和脑片体外培养于高氨环境出现细胞肿胀,肝性脑病动物模型也有同样发现,#$%蛋白表达上调可能参与了这一过程;在内皮细胞与星形胶质细胞共培养体系中免疫荧光染色发现#$%出现明显地重新定位)。与胶质细胞单独培养比较,与内皮细胞接触紧密的胶质纤维酸性蛋白(LG$)染色阳性的细胞,#$%染色明显增加。主要是胞膜着色,细胞内没有或着色很淡。胶质细胞岛也表现为膜着色。说明内皮细胞令胶质细胞中#$%表现出一定的极E=孙国柱等!水通道蛋白%在中枢神经系统中的分布及其调节!第=期万方数据性分布。共培养体系中!#$的定位变化,是受内皮细胞诱导的细胞分化所致,或两种细胞间生理性的相互作用。%此外,多巴胺能下调肾上皮的!#$,但相关的多巴胺受体还不详。!#$对很多重金属不敏感,但是铅可以引起!#$增加,而且急性铅中毒可以引起脑水肿&。!结语和展望%虽然对!#$在中枢神经系统的定位、功能和调节进行了诸多研究,但仍处于起步阶段。可以肯定!#$参与了脑水肿、脊髓水肿的发生,但机制不详,且有许多现象难以解释,例如在何种状态下!#$介导水自星形胶质细胞胞浆内外流,何时向内流,此时其空间构像如何,其机制如何;再有,国内外实验报道出血性脑血管病、缺血性脑血管病!#$的表达得出相反结论的原因何在,等等。而颅脑疾病引起的脑水肿以及外伤、炎症等导致脊髓水肿对生存率及致残率至关重要,因此!#$定位、功能和调控这些靶点将是治疗脑水肿和脊髓水肿的关键所在。事实将证明,随着!#$定位、功能和调控研究的进一步深入,也将距攻克这些难关为时不远。#参考文献$()*+,-.,(-/-/)0)1,!2-3.4 5+678-03)*)9-:7-;);+223)*3*-20)?0+2 A 4 B-3*5+2 C)8 B-3*5+2,DDE;FG(E=):G$=ED4%H+*+)AI,H3J7+CI,K87*,-3*!,!#$4 L+0-38+,8)?-83J-03)*)9-:7-=;)3*=$/+22+*6+51!3*0M+N1O:;+9+;+223)*3*;+3P+*=03?78-)6-*2 A 4 1+7)2?3+*?+,EGGG;G$(E):&G=QD4&H+*+)AI,H3J7+0+CI,C-?M-,)!,!#$4!:7-;)3*2 3*0M+?+*0-8*+P=)72 220+/A 4#)6 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0M)76M-;&F/30)6+*=-?03P-0+,;)=0+3*Y3*-2+=,+;+*,+*0;-0MX-3*-0-20)?0+2 A 4 A B3)8 NM+/,DD&;_F($Q):$QQ=&$4&$13?M3-T,13?)B,N-/-22-IC,!#$4 UM+)8+)9-:7-;)3*,+P+8);=/+*0 3*0M+R8),=R-3*R-3+-*,3*0+630:?7807+/),+82 A 4 1+7)=2?3+*?+,DD$;EG($):G&Q=$Q4&%T7*-+M780 T,B-073*-T,!#$4 I+-,3*,7?+2 3*?+-2+,X-=0+;+/+-R3830 3*-20;+223*6-:7-;)3*=$A 4 1+7)2?3+*?+,DDQ;E&S(E):EDQ=E$4DDS=D_=ED 收稿%DDS=D_=_ 修回(编辑%章%木)万方数据水通道蛋白4在中枢神经系统中的分布及其调节水通道蛋白4在中枢神经系统中的分布及其调节作者:孙国柱,张庆俊,王浩作者单位:孙国柱,王浩(河北医科大学第二医院神经外科,河北,石家庄,050000),张庆俊(北京大学人民医院神经外科)刊名:中国老年学杂志英文刊名:CHINESE JOURNAL OF GERONTOLOGY年,卷(期):2007,27(8)参考文献(32条)参考文献(32条)1.Yoneda K;Yamamoto N;Asai K Regulation of aquaporin-4 expression in astrocytes外文期刊 2001(1-2)2.Venero JL;Vizuere ML;Ilundain AA Detailed localization of aquaporin-4 messenger RNA in theCNS:preferential expression in periventricular organs外文期刊 1999(01)3.Venero JL;Vizuete ML;Machado A Aquaporins in the central nervous system外文期刊 2001(03)4.彭雪华;孙善全 水通道蛋白-4在大鼠大脑中的定位研究期刊论文-解剖学报 2004(02)5.Manley GT;Fujimura M;Ma T 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Zhong-fang.YUAN Fang 脑内水通道蛋白4表达调节的研究进展期刊论文-中国康复理论与实践2007,13(8)本文链接:http:/
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