水通道蛋白_依赖性细胞迁移的研究进展

水通道蛋白－依赖性细胞迁移的研究进展

缪

睿李昌煜

，

（浙江中医药大学，浙江杭州310053）

doi ：10．3969/j．issn．1001－1978．2011．05．003

文献标识码：A 文章编号：1001－1978（2011）05－0601－0505；R329. 2；R329. 24；R341；R73-37中国图书分类号：R-摘要：水通道蛋白（AQPs ）是一类介导跨膜水运输的内在蛋AQP 具有介导细胞迁移的白。近年来，一些研究成果证实，功能。该文综述了各种不同类型的AQPs －依赖性细胞迁移（AQPs-dependent cell migration ）：AQP1促进内皮细胞迁移；AQP4促进星形胶质细胞迁移；AQP3促进角膜上皮细胞、肠AQPs 还能促进上皮细胞、皮肤角质形成细胞的迁移。此外，肿瘤细胞的迁移，增加肿瘤细胞的转移潜能。AQPs 介导的细胞迁移与许多疾病有着内在联系，调控AQP 的表达是一种尚待开发的治疗手段。

关键词：水通道蛋白；细胞迁移；血管生成；星形胶质细胞；肿瘤转移；板状伪足

所谓水通道即指存在于哺乳动物和植物细胞膜上转运水的特异孔道。该孔道是由一系列具有同源性的内在膜蛋白家族成员所组成，称为水通道蛋白（aquaporins ，AQPs ），其作用为介导不同类型细胞的跨膜水转运。一般认为该孔道只通透水，对甘油和尿素也有一定的选择性。

自1988年Agre 等在鉴定人类Rh 血型抗原时偶然发现了一种红细胞膜上的新28ku 蛋白，即为后来被命名的AQP1以来，随着研究的不断深入，不断有新的AQPs 被发现，迄今AQPs 家族已经被认为是一个拥有13个成员的蛋白质为止，

群体，分别为AQP0 AQP12。这13种AQPs 在通透水的功能上有着相似共同之处，但由于表达部位及含量的不同，因而又各自发挥着特异的生理功能。近几年来，一些学者通过表型分析揭示了一些预料之外的新功能。AQPs 的这些新功能与尿浓缩机制、腺体的液体分泌、脑肿胀、神经元兴奋等有着很大的相关性。AQPs-依赖性细胞迁移就是其中的一种新功能。11．1

AQP 与细胞迁移细胞迁移

迁移是细胞的一种基本性质，广泛发生于

其大致可分为4步：①细胞前端形成迁移是一个动态过程，

板状伪足（lamillipodia ）；②板状伪足与胞外基质形成新的细胞黏着；③细胞体收缩；④细胞尾端和周围基质黏着解离。在细胞迁移过程中，细胞骨架蛋白的组装、细胞与胞外基质之间黏着的动态变化等牵涉到复杂的信号调节过程。其中黏着斑（focal adhension ）、整合素（integrin ）、黏着斑激酶（focal adhension kinase ，FAK ）及RHO 家族蛋白在细胞迁移的信号调节机制中发挥着重要作用。

除此信号调节机制外，大量研究表明

［1］

处于极性分布的

Cl 通道等）和离子转运体（Na +/细胞膜离子通道（K 通道、

H +交换体NHE1、Na +-HCO 3－共转运体NBC l 等），可通过调节胞浆中的Ca 浓度和调节细胞体积变化以上两种途径协助细胞移动。离子通道和离子转运体的功能与肌动蛋白骨架密切相关：离子通道和离子转运体受肌动蛋白丝状态的调节，然而细胞体积变化本身反过来也会影响肌动蛋白骨架。以上研究结果显示，由细胞膜离子通道和离子转运体活性相关的细胞体积调控机制是细胞迁移的重要组成部分。1．2

AQP-依赖性细胞迁移

在细胞迁移的过程中，细胞经

［2］

历了快速的形态变化：类似板状伪足（Lamellipodium ）的细胞膜凸出物快速形成和回缩。Verkman 等

研究发现某些生

理病理变化过程中的细胞迁移是由AQPs 介导的。在光学显微镜下可以观察到中国仓鼠（Chinese Hamster Ovary ，CHO ）卵巢细胞的质膜凸起形状有着明显的改变，并持续几秒至几分钟；而体内细胞形状的变化则更为明显，迁移的细胞需要挤压通过细胞间隙。这种细胞的快速形变同样伴随着细胞体积的变化，而在细胞体积的变化也伴随着跨膜水流的出入。

细胞体积的变化可能与细胞形状的改变无关，但也可能通过增强肌动蛋白介导的迁移机制而使得细胞迁移加速。Jaeger 等［3］将细胞置于具有离子浓度梯度的溶液中，细胞两端的水分子进出的不平衡就能产生足够的动力推动细胞向低浓度的方向移动，其迁移过程并不需要肌动蛋白的参与。根据以上的一些研究结果，提示AQPs 介导的跨膜水运输在细胞迁移的过程中具有两个重要作用：①促进细胞形状的改变；②推动细胞前进。2等

AQP1介导的内皮细胞迁移

［2］

各种生理病理的变化过程之中，如：胚胎的器官形成、受损的组织修复、炎症反应、新血管的形成以及癌症的扩散。细胞

收稿日期：2011－03－03，修回日期：2011－03－21基金项目：国家自然科学基金资助项目（No C190705）作者简介：缪

E-睿（1986－），男，硕士生，研究方向：中药药理学，mail ：miaojiafei19860127@163．com ；

李昌煜（1965－），男，教授，博士生导师，研究方向：中药Tel ：0571-86613537，E-mail ：lm159@si-药理学，通讯作者，na．com

除了中枢神经系统之外，

AQP1在全身的血管内皮细胞中都有表达［4－5］。Saadoun

将黑色素瘤细胞皮下注射到AQP1缺失的小鼠中，发现AQP1缺失的小鼠能明显抑制肿瘤的生长。其原因是AQP1的缺失明显减少瘤床血管生成，导致肿瘤组织坏死。同时，研究者发现AQP1-缺失小鼠主动脉内皮细胞的迁移速度要远慢于正常组。此外，受损伤后两者内皮细胞的迁移速率不同也导致了伤口的愈合速率不同，正常组的愈合速率要远快

AQP4介导迁移机制以及该机制的各种生理病理学内涵，使得AQP4能成为研究和治疗众多神经疾病（如：阿尔采末病、帕金森病）的良好工具。4

AQP-依赖性细胞迁移对肿瘤扩散的促进作用

迁移是肿瘤扩散的关键环节，包括局部细胞浸润和转移。肿瘤转移是一个肿瘤组织与正常组织相互作用的一个复杂过程。肿瘤细胞转移的限速步骤

［19－20］

于AQP1-缺失组。镜检迁移中的细胞发现绿色荧光标记的AQP1向细胞的前端聚集并且促进板状伪足的形成，提示AQPs 在血管内皮细胞迁移的过程中有着重要的作用。AQP1在各种不同肿瘤组织的微血管内皮细胞表达［2］。从AQP1基因的敲除能明显减少瘤床血管上述实验研究得知，

生成，导致肿瘤组织坏死。因此AQP1抑制剂具有治疗肿瘤的潜在应用前景。

上述研究结果表明AQP1在血管内皮细胞的迁移过程中的重要作用，笔者认为AQP1可以作为动脉粥样硬化相关研究的切入点。在动脉粥样硬化的血管重建过程中，血管内增殖，从而启动血管重建，促皮细胞和平滑肌细胞将会迁移、使动脉粥样斑块形成

［6－7］

如下：活性肿瘤

细胞穿越内皮屏障并穿透基底膜，而肿瘤细胞与基底膜的相互作用又包含了3个步骤：①肿瘤细胞附着；②基质溶解；③肿瘤细胞迁移

［19－21］

。当肿瘤细胞粘附于基底膜表面时，其

表面的整联蛋白与非整联蛋白受体能特异性识别基底膜上的糖蛋白。在肿瘤细胞的迁移过程中，伪足凸起的形成是至关重要。研究者将AQPs 表达组肿瘤细胞与AQPs 缺失组进发现前者具有更大的转移和局部浸润的趋势和潜行对比，能。Hu 等

［14］

。因此，从AQP1的角度深入研究

动脉粥样硬化斑块形成中细胞迁移的分子机制，有助于探索动脉粥样硬化的新型药物靶点和治疗途径。3

AQP4介导的星形胶质细胞迁移

AQP4在星形胶质细胞周足处高表达，正常脑组织中，调控水分子进出入脑组织，因此在脑水肿的形成和消退的各个阶段起着重要作用

［8－10］

研究发现AQPs 与肿瘤的扩散和转移具有很大

的相关性。仓鼠在静脉注射B16F10黑色素瘤细胞6h 后，肺AQP1-部的外渗物明显增加。注射3周后，表达的仓鼠其黑结果证明AQP1-表达的肿瘤色素瘤细胞在肺部的分布较广，

细胞具有更快的迁移速率。黑色素瘤病理切片同样显示AQP1-表达的肿瘤细胞具有更强的侵染能力。

以上研究成果表明了AQPs 与肿瘤扩散联系密切。在AQPs 的表达都有上调许多人类的癌症中，

的表达量与肿瘤的分级有关联

［24－25，27－33］

［22－25，27］

。大脑受到损伤后，中枢神经系统

中的活性星形胶质细胞在AQP4的协助下向受损的部位迁移并形成胶质瘢痕

［11］

。Saadoun ［12］等观察发现体外AQP4

缺失的星形胶质细胞迁移明显减慢，并延缓了体内胶质瘢痕的形成。同时，迁移中的星形胶质细胞前端凸起程度与AQP4的聚集程度相一致。

星形胶质细胞在浓度梯度中的迁移速度随着渗透压浓迁移速率加快；离子浓度的高低而变化：倘若离子浓度降低，度升高，迁移速率减慢

［13］

，且AQPs

。伴随着肿瘤的恶

性程度的提升，肿瘤细胞内某类AQP 的表达量递增，同时其AQP4在弥漫细胞也因迁移速率的增加而具侵染力。例如，

性星形胶质细胞瘤的组织中表达明显提高，尤其在多数IV AQP4的表达量非常高级的恶性胶质细胞瘤，性价值5

［34－35］

［24－25］

。提示细胞迁移伴随着水流进入

AQP4-缺失的星形胶质细胞与正常细胞前端。在生物体内，

组星形胶质细胞之间迁移的差异则更为明显。同时，星形胶质细胞AQP4的正常表达促进细胞向伤口移动，细胞的形态更为修长，具有明显的迁移特征。在中枢神经系统中，胶质瘢痕的形成是神经再生主要障碍

［14］

。因此，

一些学者认为肿瘤组织中AQPs 的表达量具有诊断和预后

。

AQP 介导的上皮细胞迁移

自从发现了AQP1介导内皮细胞迁移后，其他AQP-依赖性细胞迁移也逐渐得以发现：Shusaku 等

［36］

。研究表明AQP4的缺

提示AQP4抑制剂可通失减缓了脑外伤后胶质瘢痕的形成，

过减少星形胶质细胞迁移而抑制胶质瘢痕形成，并有助于促进大脑轴突发芽和突触发生。神经胶质瘢痕的减少可以增并促进移植的神经细胞融入患加脑损伤后神经元的可塑性，者的中枢神经系统。

Eric 等然而，

［15］

发现在大鼠胃

AQP1具有非常关键的作用。上皮细胞的创伤修复过程中，

AQP1敲除的RGM1（大鼠胃上皮细胞系）较之正常RGM1，板状伪足的形成明显减慢，从而阻碍了伤口的正常愈合，提示AQPs 可作为研究各种胃肠道疾病的病理学的一个新的工具。

Hara-Chikuma 等［37］等采用急性肾损伤缺血/再灌注模型来研究AQP1的缺失对近端小管细胞迁移所造成的潜在AQP1缺失障碍。结果显示：在缺血再灌注之后3至5小时，

的小鼠肾脏较之于野生型小鼠，肾小管的损伤明显较为剧烈，且肾细胞肌动蛋白解体的现象也更严重。进一步研究表AQP1能促进肾脏近端小管及亨利氏袢降支上皮细胞迁明，

在不同原因所引发的肾损伤的修复过程中具有重要意移，

AQP1-义。然而，依赖性细胞迁移对于肾脏形态的影响很小。至于AQP1是否能促进急性肾小管损伤之后肾功能的恢复，尚有待于进一步的研究。

Cong 等［38］研究表明，AQP3在体外培养的人皮肤成纤维细胞中表达。皮肤成纤维细胞在伤口愈合过程中从周围

的研究结果却截然相反：在典型脑胶质

AQP4在一定程度上增加细胞的黏附性（与液体分泌瘤中，

有关），因而减缓细胞的迁移。对于AQP4是否与细胞的粘Hua 等稠性有关，

［16］

开展了细胞黏附的相关实验，发现在阳

性对照组的上皮细胞钙粘蛋白明显增强了细胞的粘附性，而AQP4的高水平表达并未影响到质膜小泡的聚集，因此推断AQP4在细胞粘附的生理过程中并未起到明显的作用。

神经细胞迁移发生异常时会导致多种神经疾病的产生

［17］

［18］

，一部分癫痫也是因神经细胞迁移异常而造成。对

于某些严重神经退行性病变可采用细胞移植进行治疗，如何将这些细胞引导到所需部位是移植的关键问题。可知AQP4与星形胶质细胞迁移具有密切联系，提示AQP4可能成为控制神经细胞迁移的作用靶点。期待进一步的研究能明晰

组织向伤口迁移并以此促进伤口黏合。表皮生长因子（Epi-dermal growth factor ，EGF ）可促进成纤维细胞迁移，同时能诱并呈现出时间和剂量依赖性。AQP3抑导AQP3的高表达，NiCl 2以及Mn 制剂如CuSO 4、

AQPs-依赖性细胞迁移的分子机制的研究报道数量很少。Elena 等

［48］

发现AQP1在细胞骨架的构建以及细胞粘

迁移过程中起到了关键作用，其分子机制可能是通过与附、

Lin7蛋白、β-连环蛋白的相互作用来增强细胞骨架的稳定性。其明确的分子机制尚有待于进行大量的研究工作

。

、Co

等可抑制EGF 对人成

纤维细胞迁移的诱导作用。采用RNA 干涉沉默AQP3基因同样可以抑制EGF 对AQP3和细胞迁移的诱导作用。进一步研究表明EGF 受体激酶抑制剂PD153035同样可以抑制EGF 所诱导的AQP3的表达和细胞迁移。此外，MEK （MAPK /ERK）/ERK抑制剂和PI3K （磷酸肌醇3激酶）抑制剂同样可以抑制EGF 所诱导的AQP3的表达和细胞迁移。EGF 能诱导人皮肤成纤维细胞中AQP3的表达并综上所述，

PI3K 以及ERK 信号转促进细胞迁移，其作用机制与EGFR 、导通路有密切联系。

Verkman 等［39］通过解剖研究AQP3缺失的转基因小鼠，发现其AQP3与肾脏集合管细胞上皮细胞的迁移和增殖有AQP3的表达促进角质形成细胞的迁移与关。表皮受损后，增殖

［40］

。在角膜损伤后，AQP3能加速角膜上皮细胞迁移和

［41］

Fig 2

Model of interaction of AQP1with the cytoskeleton ［48］

增殖，从而促进其上皮的再生并使角膜缺口得以修复结肠疾病所引发的肠道损伤

［42］

。

总结

AQPs 与细胞迁移有着密切的联系。尽管本综上所述，

AQP4促进星形胶质文中提及AQP1促进内皮细胞的迁移、

细胞的迁移，但并非所有种类的AQPs 都参与细胞的迁移。此外，某些亚型的AQPs 被证实为加速细胞迁移，但同样有研究结果显示AQPs 减缓了该过程。AQPs 的不同亚型以及不同的表达环境，都会对细胞迁移产生不同的影响。迄今为AQP 家族中的其它成员是否加速细胞迁移仍未被人们止，

所了解，尚等待进一步的研究。

AQP 与细胞迁移的相关性研究具有相当的重要意义，但其意义并不只在于迁移机制的本身，而是在于研究成果具有潜在的临床运用前景：AQP4抑制剂可用于减小胶质瘢痕，并防止恶性胶质细胞瘤的扩散；AQP1抑制剂可抑制肿瘤生长；AQP3活化剂可用于康复（各类组织的伤口愈合）。现AQP 的相关药物正处于研发阶段。期待在不久的将来，今，

这些药物能应用于临床治疗相关疾病，为患者带来福音。参考文献：

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AQP3同样也加快大鼠结肠上皮细胞迁移和增殖，修复各种

。提示局部组织AQP3表达

的调节是一种有待开发的新型治疗手段，用于修复不同原因引起的角膜上皮、皮肤上皮及结肠上皮的损伤。6

AQP-依赖性细胞迁移的分子机制

AQP-依赖性细胞迁移的分子机制正处于研究之中，学RNA 干涉等不同手段来研究AQPs 与细者们运用基因敲除、胞迁移的联系。Crane 等

［43］

运用单粒子成像的方法观察到

迁移细胞中的AQP1迅速向前段的细胞膜移动并聚集。在AQP4聚集于星形胶质细胞周体内迁移的星形胶质细胞中，足处

［44－45］

，而培养液中的星形胶质细胞中却未发现AQP4

的聚集。

现今，较为公认的一种细胞迁移机制如下：①肌动蛋白离子向胞内运输，细胞前端的渗透压增加；②水流穿透解聚，

AQP 在细胞膜使得局部静水压升高，细胞膜形成局部凸起，细胞前端极性表达并协助水流进入细胞；③肌动蛋白重聚。由此可见，迁移的过程与水流进出入细胞密切相关。因此可以通过控制胞外介质的渗透压来控制细胞的迁移速度，即高

［14，46，47］

。渗加快迁移，低渗减慢迁移

Fig 1

Proposed mechanism of AQP-dependent cell migration ［12］，showing water influx at the tip of lamellipodium

93：825－33．

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·605·

◇论著◇

靶向hTERT 的特异性siRNA 抑制SMMC-7721

肝癌细胞增殖机制研究

李海霞，韩晶晶，张

云，张振中

（郑州大学药学院，河南郑州450001）

doi ：10．3969/j．issn．1001－1978．2011．05．004

文献标识码：A 文章编号：1001－1978（2011）05－0605－05中国图书分类号：R329. 24；R329. 25；R342. 2；R394. 2；R735. 702. 2摘要：目的

筛选有效抑制肝癌细胞hTERT 表达的小干扰

RNA （siRNA ）序列，并检测其对hTERT 蛋白表达、细胞凋亡的影响。方法

设计并合成针对hTERT 的6条siRNA 双链

及一条阴性对照siRNA ，以Lipofectamin 2000转染至肝癌

SMMC-7721细胞。用磺基罗丹明B 法（sulforhodamine B 法，SRB 法）测定干扰后细胞增殖的变化，RT-PCR 测定hTERT mRNA 的表达，筛选出有效序列。有效序列转染后，进一步Annexin 采用Western blot 法检测hTERT 蛋白水平的变化，V-FITC /PI双染、流式细胞术检测细胞凋亡情况。结果

以

SRB 和RT-PCR 法筛选出的两条有效siRNA ：siRNA-2和siRNA-6，7721细胞增殖，能明显抑制肝癌SMMC-对细胞的38. 2%，抑制率分别为45. 3%、能高度沉默hTERT mRNA 的75%。二者还能明显下调hTERT 基因，沉默率分别为80%、蛋白表达（P ＜0. 05），明显增加凋亡，凋亡率分别为

收稿日期：2011－01－19，修回日期：2011－03－09基金项目：国家自然科学基金资助项目（No 30973482）

作者简介：李海霞（1973－），女，博士，副教授，研究方向：抗肿瘤及

Tel ：0371-67781908，Fax ：0371-67781908，E-心血管药理学，

mail ：lihx1024@zzu．edu．cn ；

张振中（1964－），男，博士，教授，研究方向：肿瘤靶向给67781910，Fax ：0371-药系统，通讯作者，Tel ：0371-67781908，E-mail ：zhangzhenzhong@zzu．edu．cn

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The research progress of AQP-dependent cell migration

MIAO Rui ，LI Chang-yu

（Zhejiang Chinese Medical University ，Hangzhou 310053，China ）

Abstract ：The aquaporins （AQPs ）are small ，integral membrane proteins that selectively transport water across cell plasma mem-branes．Several unanticipated AQP functions have been discov-ered recently．One of these non-fluid-transporting functions is that AQPs facilitate cell migration．In this paper ，the recent evi-dence of AQP-dependent cell migration has been reviewed．There is evidence for involvement of AQP1in endothelial cell mi-gration ，of AQP4in the migration of active astrocytes ，of AQP3

in corneal epithelial cells ，enterocytes ，and skin keratinocytes．Besides ，AQPs might enhance the migration and metastatic po-tential of tumor cells．AQP-dependent cell migration has wide implications in some events ，suggesting AQP modulation as a po-tential therapy．

Key words ：AQP ；cell migration ；angiogenesis ；astrocyte ；tumor metastasis ；amellipodium