水通道蛋白\\(Aquaporin,AQP\\)又叫水孔蛋白,它是存在于細胞膜上快速轉運水的特異性孔道,已發現的水通道蛋白在哺乳動物體內有13個成員,分別命名為AQP0-AQP12。按照其對物質轉運的專一性分為兩個亞家族,一類為是經典的水通道蛋白,它們只允許水分子通過,另一類為水-甘油通道蛋白\\(Aquaglyceroporin\\),除對水分子通透外,對中性小分子如尿素、甘油等成分也具有通透性,主要有AQP3、AQP7和AQP9等。近年來國內外對水-甘油通道蛋白基因的研究多集中在人和鼠上的基因表達、組織分布、相關生理病理功能、甘油運輸和脂肪代謝等方面,而對其遺傳多樣性及其與動物生長發育性狀相關的研究較少。最新研究表明,水-甘油通道蛋白的表達與動物體內的脂肪沉積密切相關,本文對水-甘油通道蛋白基因的結構特點、在甘油運輸和脂肪代謝中的重要作用以及基因遺傳多態性與體脂性狀相關性的研究進展進行綜述,供同行參考。
1 水-甘油通道蛋白基因的結構特點
AQP3是第1個被發現的水-甘油通道,1994年最早從大鼠腎臟集合管中分離克隆出來的。人的AQP3基因定位于第9號染色體\\(9p13\\),是以一種單克隆形式存在,它包含6個外顯子分布超過7kb大,編碼蛋白質全長292個氨基酸。這6個外顯子的大小分別為:171,127,138,119,218,1035bp,而且其內含子大小約:3530,300,350,330,90bp。AQP3的5’端區域有1個TATA盒,2個SP1序列,以及一些保守序列如包括AP2位點?，F已測定其轉錄起始點位于第一個ATG密碼子上游64bp處。牛的AQP3基因定位于第8號染色體上,長度為5956bp,編碼292個氨基酸,含有一段37bp的5’UTR,879bp的CDS區和一段839bp的3’UTR\\(圖1\\)?！緢D1.略】
AQP7最 早 是 從 人 類 脂 肪 組 織 中 克 隆 成 功,故AQP7又稱為脂肪水通道。人的AQP7基因位于9號染色體p13區,編碼342個氨基酸,包含有水通道蛋白家族中特有的高度保守的NPA元件,由8個外顯子組成,基因組全長18kb。鼠的AQP7基因定位于4號染色體,基因組全長12kb。人的AQP7基因的氨基酸序列同小鼠、大鼠相比,相似率分別為68%和67%。牛的AQP7基因定位于第8號染色體上,長度為30875bp,編碼330個氨基酸,含有一段265bp的5'UTR,993bp的CDS區和一段77bp的3'UTR\\(圖2\\)?！緢D2.略】
AQP9是1997年Kuriyame等在進行人類脂肪組織基因序列系統分析過程中發現的,其分子結構以及對水的 通 透 性 與 其 他 的 水 通 道 蛋 白 類 似。人AQP9基因由6個外顯子,5個內含子組成,大小約為25個kb。人AQP9基因外顯子、內含子數目與AQP3、AQP7基因相同,但AQP9基因內含子的大小從1.5kb到10kb以上,比AQP3、AQP7基因的內含子大90至3500bp。外顯子6含有一個終止密碼和一個聚腺苷酸信號\\(AATAAA\\)。牛AQP9基因位于第10號染色體上,長度為48678bp,也包含6個外顯子,編碼295個氨基酸\\(圖3\\)?！緢D3.略】
2 水-甘油通道蛋白在甘油運輸和脂肪代謝中的重要作用
AQP3是研究最早的水-甘油通道蛋白。多年來,研究人員發現,在哺乳動物中AQP3在很多組織器官都有表達,在不同組織的表達部位和表達量都不相同。
AQP3在皮膚、腎臟、呼吸道和消化道上皮、膀胱上皮、內淋巴囊等組織中表達量較多,而在骨骼肌、眼、前列腺、子宮、胎盤上也有少量表達。
對AQP3在皮膚角質層細胞中的甘油運輸作用研究的結果顯示AQP3介導的甘油運輸與皮膚水化作用有相。
Hara等研究發現敲除小鼠的AQP3引發其介導的水和甘油運輸異常,引起小鼠皮膚的水化作用降低、彈性下降和屏障作用減弱,從而導致皮膚細胞內部的物質代謝異常。研究顯示,AQP3可通過轉運水和甘油,保證皮膚的水含量,來保持動物表皮的水化功能,這進一步證實了AQP3的甘油轉運功能對機體的生理作用具有重要意義。
1997年,AQP7首先在人脂肪細胞中克隆成功,因此被稱為脂肪水通道蛋白。
AQP7除在脂肪細胞中表達外,還可在胃腸道、骨骼肌、睪丸和腎臟等器官廣泛表達,而且多種因素都可調節AQP7mRNA的表達。如在禁食、胰島素缺乏等脂肪水解加速的情況下,糖異生作用加強,AQP7的表達上調,相反情況下,則AQP7表達下調,從而維持了血糖濃度的恒定。由此證實了AQP7與脂肪代謝的關系密切。
研究還發現,脂肪細胞中AQP7的數量與甘油的含量成正比,這也表明AQP7在甘油運輸中起到重要的作用。
Maeda等研 究 發 現,脂 肪 細 胞 膜 上 的AQP7只選擇性轉運甘油而不運輸脂肪酸,說明AQP7主要介導了甘油從脂肪細胞中的輸出過程。
AQP7缺陷小鼠的脂肪細胞中AQP7功能異常導致甘油無法有效輸出,一方面使糖異生受阻,另一方面由于甘油的積累,使脂肪生成增加,出現肥胖特征。
該研究進一步證實了AQP7在脂肪細胞中的甘油運輸功能,以及與糖代謝的緊密聯系。研究人員對肥胖者和體瘦者腹部皮下脂肪中AQP7的表達量進行分析,結果發現肥胖者的表達量比體瘦者的表達量明顯要少,推測可能由于AQP7的功能障礙使得甘油釋放量減少從而導致肥胖。這個初步結果說明,AQP7的表達差異,可能是導致肥胖發生的一個重要原因。由此可見,AQP7介導的甘油轉運是連接脂肪代謝和糖代謝的關鍵所在,同時將甘油轉運和肥胖的發生有機地結合起來,對全面解釋人類肥胖的機制具有十分重要的意義\\(圖4\\)?！緢D4.略】
Hibuse等研究發現心臟作為機體的重要臟器,不僅需要葡萄糖和脂肪酸提供能量,還需要甘油提供能量。他們在AQP7基因敲除的小鼠身上發現其心臟的甘油利用率比正常要低,而出現左心室肥厚的比例升高,這是因為AQP7表達缺失導致心肌細胞甘油釋放受阻,甘油在心肌細胞內蓄積,導致心肌細胞肥大,同時心臟可利用的甘油卻減少,導致心肌供能不足,這些因素都有可能導致心室肥厚的發生。最近的研究顯示動脈粥樣硬化與AQP7表達障礙也相關。脂肪細胞AQP7表達障礙會導致三酰甘油的蓄積,脂肪細胞出現功能障礙,進一步會激活ROS系統,促進炎癥細胞釋放炎癥因子,同時引起血管內皮細胞遷移增多,血管內皮增厚,最終導致動脈粥樣硬化的形成。
此外,腎臟中AQP7對于甘油的重吸收也具有重要意義,AQP7基因敲除后,甘油重吸收明顯減少,說明在腎臟中,主要由AQP7來調節甘油的重吸收。研究發現,PPARγ,C/EBP和SREBP是存在AQP7基因啟動子區的調控脂肪分化的轉錄因子,因此進一步確定了該水-甘油通道與脂肪分化、代謝有關。
AQP9是1997年Kuriyame等在進行人類脂肪組織基因序列系統分析過程中發現的,之后在白細胞、肝臟、睪丸、脾和腦等器官也有發現,在人體多種組織均有表達,其分子結構和對水的通透性與其他的水通道蛋白類似。而且觀察到AQP9增強了脂肪細胞甘油通透能力,所以認為當脂肪分解在細胞膜之間形成甘油濃度梯度時,AQP9開始轉運甘油。
另有研究顯示,肝細胞表面甘油的攝入過程是由AQP9來完成的。脂肪細胞中脂肪動員產生的甘油由AQP7將其輸送到血液,再由AQP9來完成甘油從血液到肝臟的攝取過程,從而作為糖異生的原料補充血糖。因此研究認為,AQP7和AQP9共同協調完 成 了 甘 油 從 脂 肪 細 胞 到 肝 臟 的 運 輸 過 程。
AQP9的功能異常將影響糖異生而導致低血糖的出現,并且與胰島素抵抗也密切相關。
3 水-甘油通道蛋白基因遺傳多態性與體脂性狀相關性研究
水-甘油通道蛋白基因在各項生理功能尤其在甘油轉運和脂肪形成過程中起著至關重要的作用,對其進行遺傳多態性與體脂性狀相關的研究無疑是非常有意義的。
目前,對AQP7基因的研究主要集中在人與鼠上。對豬、牛、羊等家畜的相關研究不多,2007年Prudente等通 過 對977個 高 加 索 白 種 人 的AQP7基因的研究發現,其啟動子區域存在一個堿基突變,使得突變型基因的轉錄活性降低,從而表明AQP7基因的下調會導致肥胖的發生。王麗霞等研究了豬的AQP7基因的多態性及其在組織的表達,結果顯示:在AQP7基因內含子上檢測到6個SNPs,而且在肝臟中表達最高,可見甘油三酸酯形成過程中AQP7基因起著非常重要的作用。劉繼豐等對西門塔爾和夏洛來牛AQP7基因遺傳多態性進行研究,在第2外顯子、第3外顯子上發現2個SNPs,且都與一些精液品質指數有顯著相關,可以作為提高種公牛精液品質和數量與的候選基因。
2008年,王麗霞等對大白、長白、梅山以及大梅F2代資源家系豬的AQP7基因多態性與其脂肪沉積性狀相關性進行研究,發現豬AQP7基因第4內含子序列存在G/A的突變。進行突變位點與性狀相關性分析,發現該位點與背膘厚、瘦肥比率和內脂率等脂肪沉積性狀顯著相關\\(P<0.05\\),進而為瘦肉型豬的標記輔助選擇提供了的理論依據。以上的數據說明,AQP7基因的多態性與動物體內的脂肪代謝和沉積有關的,這可能是因為該突變與AQP7表達的調控有關,從而影響機體內脂肪的正常代謝過程。
結合國內外研究進展,盡管在維持個體生理系統正常發育及介導體內甘油轉運等相關內容上對AQP3、9基因的研究較多,但現階段對AQP3、9基因多態性以及與體脂性狀相關性研究的研究報道仍較為罕見,有待于進一步的研究。
4 展望
隨著分子生物學及基因工程技術的迅速發展,AQPs基因在機體中組織器官的特異性分布情況及在蛋白分子生物學遺傳、結構方面的研究也日漸深入,已成為眾多學者關注的焦點,在臨床也有了較廣泛的應用。水-甘油通道蛋白參與體內甘油的轉運,與脂肪代謝、脂類在組織中的沉積有很大關系。
已有資料顯示AQP7基因的多態性與豬脂肪沉積性狀的關系,發現該基因對豬的生長發育具有顯著的影響,是一個較理想的標記位點。因此,對水-甘油通道蛋白的研究將有助于闡明畜禽生長性狀、肉質性狀的分子機制,對提高動物生產性能和維護動物機體健康等都具有很高的應用價值和現實意義,也有助于為標記輔助選擇\\(MAS\\)奠定堅實的基礎。
