水通道在雄性生殖系統(tǒng)表達(dá)的研究進(jìn)展

1、    水通道在雄性生殖系統(tǒng)表達(dá)的研究進(jìn)展        摘要 水通道屬于主體內(nèi)在蛋白家族成員，分布廣泛，參與細(xì)胞液體代謝過程，其基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)單肽鏈，含有特征性的重復(fù)串聯(lián)序列。至少有兩種水通道在睪丸的曲細(xì)精管中有豐富的表達(dá)，提示水通道在生精過程及至受精過程中的重要作用。睪丸輸出小管的非纖毛細(xì)胞的刷狀緣和基底膜及附屬性腺上皮存在水通道表明：水通道在生精小管原初分泌液體的重吸收方面有作用，也對(duì)精子的成熟與濃縮產(chǎn)生間接的影響。另外，水通道也可能參與了雌激素對(duì)大鼠輸出小管液體吸收功

2、能以及輸出小管和睪丸網(wǎng)進(jìn)一步生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)節(jié)過程。 關(guān)鍵詞 水通道 睪丸 精細(xì)胞水是活細(xì)胞及其周圍環(huán)境的重要組成部分，水的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)具有重要的生物學(xué)和生理學(xué)意義。例如：腎對(duì)滲透壓和水代謝的調(diào)節(jié)；胃腸道、呼吸道和生殖道上皮細(xì)胞液體的分泌和吸收；腦脊液的形成；汗液的分泌等，在參與上述過程細(xì)胞的細(xì)胞膜上都有水通道的表達(dá)。水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)使人們重新認(rèn)識(shí)水轉(zhuǎn)動(dòng)的生理和病理生理過程。本文對(duì)近年來水通道的研究進(jìn)展，特別是其在生殖系統(tǒng)表達(dá)的研究作一綜述。一、水通道家族成員水通道屬于主體內(nèi)在蛋白家族（major intrinsic protein,MIP），迄今為止，已在細(xì)菌、酵母、植物、昆蟲和脊椎動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)至少5

3、0余種水通道。世界上第一個(gè)哺乳動(dòng)物的水通道是由Agre等于1988年發(fā)現(xiàn)的，1991年確定了其反向轉(zhuǎn)錄脫氧核糖核酸（cDNA）順序1，隨后進(jìn)行了功能鑒定，證明了其協(xié)助細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)水的作用。AQP0（MIP26）2主要表達(dá)在眼晶狀體，其基因變異可導(dǎo)致白內(nèi)障。AQP1（CHIP28）3分布極其廣泛，在腎、肺、眼、血管、生殖道、消化道等上皮都有表達(dá)。AQP24只局限于腎集合管主細(xì)胞內(nèi)，并受血管加壓素的調(diào)節(jié)。AQP35在腎等多種組織有表達(dá)，其特點(diǎn)是不僅能夠轉(zhuǎn)運(yùn)水，也能轉(zhuǎn)運(yùn)甘油。AQP46主要表達(dá)在腦，但在腎及呼吸道等多種組織亦有表達(dá)。AQP57只見于唾液腺、淚腺等腺體組織。AQP68其水通道活性類似AQP

4、0，但選擇性表達(dá)在腎。AQP7和AQP89，10主要見于睪丸中處于不同生長(zhǎng)階段的精子細(xì)胞中。AQP911見于人外周血白細(xì)胞、肝臟、肺臟和脾臟等，但未見于胸腺。二、水通道分子結(jié)構(gòu)及生化特性AQP家族的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)單肽鏈（1），含有6個(gè)跨膜區(qū)域及5個(gè)環(huán)，B、D環(huán)及羥基、氨基末端均在細(xì)胞內(nèi)A、C、E環(huán)定位于質(zhì)膜外側(cè)。B、E環(huán)顯著疏水，A環(huán)有N-連接糖基化部位。整個(gè)分子為兩個(gè)重復(fù)部分，在序列上是相似的，在膜上特此呈180º中心對(duì)稱排列，水通道的這種結(jié)構(gòu)或許可以解釋其在水的吸收與分泌兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上所起的作用。B、E環(huán)含有Asn-Pro-Ala(NPA)重復(fù)串連序列，這是該蛋白家族成員所共同具

5、有的、高度同源的特征性序列，E、B環(huán)的任何變異都會(huì)引起水通道活性的下降。定位在AQP1的E環(huán)NPA序列前有一半胱氨酸（C-189），被認(rèn)為是AQP1的汞抑制部位。汞離子和有機(jī)汞可以通過與C-189結(jié)合而堵塞這個(gè)孔或破壞這個(gè)孔，在汞不敏感的AQP4的相應(yīng)部位則無(wú)半胱氨酸的存在12，13。1 AQP家族基本結(jié)構(gòu)模式2 AQP1晶體的三維結(jié)構(gòu)模式 水通道是由4個(gè)對(duì)稱排列的圓筒狀亞基包繞而成的四聚體，已證明這4個(gè)亞基作為水通道的作用都是獨(dú)立的，但四聚體的結(jié)構(gòu)對(duì)于維持單個(gè)亞基的位置是重要的。利用高分辨率電鏡，人們計(jì)算出AQP1晶體的三維結(jié)構(gòu)為沙漏（hour glass）模式：分別位于細(xì)胞內(nèi)外的B、E環(huán)向

6、上及向下行，使NPA在漿膜處析疊形成一個(gè)單水孔道（2）。這一結(jié)構(gòu)模型已被最新的電子晶體學(xué)所提供的質(zhì)膜平面所證實(shí)14，15。在整個(gè)發(fā)育和成熟階段，睪丸內(nèi)生殖細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和代謝都要經(jīng)歷復(fù)雜的變化，特別是精子細(xì)胞膜有較強(qiáng)的水通透性，它在形成過程中存在活躍的物質(zhì)代謝及液體交換。附睪具有重吸收、分泌和濃縮的功能，水及相關(guān)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)是非常重要的。因此，水通道在睪丸、附睪及其附屬性腺的存在是可以理解的，但出人預(yù)料的是，在睪丸內(nèi)生殖細(xì)胞存在兩種水通道：AQP7和AQP8的表達(dá)。（一）睪丸內(nèi)的水通道 Ishibashi小組在1997年利用Northern分析和免疫組化等研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠睪丸內(nèi)生殖細(xì)胞存在兩種水通道

7、蛋白：AQP7和AQP8（附表）。隨后又報(bào)道了人和小鼠AQP7的表達(dá)。AQP7和AQP8都具有該家族蛋白特征性NPA序列，人與大鼠AQP7氨基酸同源性約68%，人AQP7基因包含6個(gè)外顯子，共6.5kb,內(nèi)含子大小與AQP3類似，內(nèi)含子與外顯子交界處的核酸序列也與AQP3一致，并位于同一染色體9p13處。AQP7與AQP3的蛋白同源性最高，可達(dá)到48%，也能夠協(xié)助轉(zhuǎn)運(yùn)甘油和尿素，故認(rèn)為AQP7與AQP3屬同一亞家族。AQP7與AQP8均在睪丸的曲細(xì)精管中有豐富的表達(dá)，但兩種類型的水通道結(jié)構(gòu)和功能有所不同，二者的分布也略有差異：曲細(xì)精管內(nèi)AQP7的表達(dá)與生精過程處于不同階段有關(guān)，多分布于生精過程

8、晚期的生殖細(xì)胞中，提示其表達(dá)可能是時(shí)間依賴性的；而AQP8則是持續(xù)表達(dá)的水通道蛋白，見于每個(gè)曲細(xì)精管內(nèi)從初級(jí)精母細(xì)胞到精子細(xì)胞的各級(jí)細(xì)胞，提示兩種蛋白的不同作用。在睪丸中發(fā)現(xiàn)有兩種水通道的存在，表明了睪丸內(nèi)生殖細(xì)胞成熟、分化和代謝的復(fù)雜性，也提示水通道在生精過程乃至受精過程中的重要作用。Ma也報(bào)道，除睪丸外，AQP8在小鼠的胃腸道、胎盤和心臟有很強(qiáng)的表達(dá)，在腎、肺、腺、腦等多種組織中也有發(fā)現(xiàn)，說明AQP8分布極其廣泛9，10，16。目前，尚無(wú)支持細(xì)胞水通道表達(dá)的研究報(bào)道。值得注意的是，支持細(xì)胞除營(yíng)養(yǎng)生殖細(xì)胞外，還參與形成血睪屏障，使曲細(xì)精管的基底小室和管腔小室間維持一定的滲透梯度，以利于生精上

9、皮產(chǎn)生的液體向管腔方向排泌；支持細(xì)胞本身也分泌大量的管腔液，這些似乎都應(yīng)該與水通道相關(guān)，或許是支持細(xì)胞上存在另外的水通道蛋白？這些問題還需進(jìn)一步研究探討。附表 大鼠AQP7和AQP8比較名 稱AQP7AQP8氨基酸數(shù)269263mRNA(kilobase)1.51.5汞敏感性-+睪丸中表達(dá)晚期及成熟的精子細(xì)胞從初級(jí)精母細(xì)胞到精子細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)功能水、尿素、甘油水（二）附睪、輸精管及附屬性腺的水通道Brown7利用Western分析和免疫細(xì)胞化學(xué)方法發(fā)現(xiàn)雄性生殖道中輸出小管的非纖毛細(xì)胞的刷狀緣和基底膜存在AQP1，在漿膜、輸精管壺腹部上皮、精囊腺、前列腺上皮可見AQP1的表達(dá)，而在曲細(xì)精管上皮、附睪和

10、輸精管遠(yuǎn)端上皮則未見表達(dá)，這提示水通道在生精小管原初分泌液體的重吸收方面有作用，也對(duì)精子的成熟與濃縮產(chǎn)生間接的影響。AQP1可能是輸出小管和生殖道其他具有吸收和分泌功能的上皮細(xì)胞跨膜水轉(zhuǎn)運(yùn)的主要介導(dǎo)者。近幾年對(duì)這些部位水通道有了更詳細(xì)的研究。最新報(bào)道表明，在鼠輸精管和曲細(xì)精管上皮發(fā)現(xiàn)AQP2表達(dá)。這一發(fā)現(xiàn)是出乎意料的。因?yàn)檫^去一直認(rèn)為只有腎集合管上皮才表達(dá)AQP2，說明雄性生殖系統(tǒng)水通道表達(dá)是很復(fù)雜的18。由于雌激素在調(diào)節(jié)輸出小管液體吸收方面可能起著重要作用，F(xiàn)isher19等研究了雌激素對(duì)不同年齡段雄性大鼠和猴的輸出小管上皮細(xì)胞AQP1的影響。他們發(fā)現(xiàn)，從出生晚期、青春期到成年，在輸出小管上

11、皮細(xì)胞刷狀緣AQP1均有很強(qiáng)的表達(dá)，一旦這些上皮細(xì)胞分化，則只有非纖毛上皮細(xì)胞表達(dá)AQP1。當(dāng)抑制促性腺激素分泌時(shí)，出生18 d和25 d大鼠輸出小管AQP1表達(dá)未見變化；而給與雌激素樣物質(zhì)（DES）后，在出生后10 d,AQP1表達(dá)開始減少，25 d明顯減少，出生后35 d減至最少。與水通道表達(dá)減少相伴隨的是輸出小管和睪丸網(wǎng)的顯著擴(kuò)張以及液體重吸收的減少。值得注意的是，在各年齡段，DES處理的大鼠輸出小管上皮細(xì)胞呈立方狀而不是高柱狀。這些結(jié)果表明，雌激素可能參與調(diào)節(jié)新生鼠輸出小管液體吸收功能以及輸出小管和睪丸網(wǎng)進(jìn)一步生長(zhǎng)發(fā)育，而AQP1可能作為重要因素介導(dǎo)了這一過程。這些研究為人類了解生殖生

12、理和病理生理，特別是精子的成熟、代謝過程，提供了有益的參考。由于水通道在生殖系統(tǒng)的研究還剛剛開始，它在生殖細(xì)胞及生殖細(xì)胞輸出管道的表達(dá)仍有許多不太清楚的地方。包括人類在內(nèi)的哺乳動(dòng)物精子的水通透性是很高的（即滲透系數(shù)很大），可能同大鼠一樣，精子細(xì)胞也有兩種或兩種以上的水通道表達(dá)。由于人類精子細(xì)胞的水通透性是汞不敏感的，因此，如果人類精子細(xì)胞也存在類似大鼠AQP8一樣的水通道的話，一定是半胱氨酸被替換了的水通道或者有第三種類型的水通道表達(dá)。參考文獻(xiàn)1 Preston GM,Agre P.Proc Natl Acad Sci USA,1991;88:1110-11142 Pisano MM,Chep

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