水通道在雄性生殖系统表达的研究进展
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国外医学计划生育分册 1999年8月第18卷第3期
水通道在雄性生殖系统表达的研究进展
白求恩医科大学生殖病理生理研究室(130021)
王蔚东综述 赵雪俭审校
摘要 水通道属于主体内在蛋白家族成员，分布广泛，参与细胞液体代谢过程，其基本结构是一个单肽链，含有特征性的重复串联序列。至少有两种水通道在睾丸的曲细精管中有丰富的表达，提示水通道在生精过程及至受精过程中的重要作用。睾丸输出小管的非纤毛细胞的刷状缘和基底膜及附属性腺上皮存在水通道表明：水通道在生精小管原初分泌液体的重吸收方面有作用，也对精子的成熟与浓缩产生间接的影响。另外，水通道也可能参与了雌激素对大鼠输出小管液体吸收功能以及输出小管和睾丸网进一步生长发育的调节过程。
关键词 水通道 睾丸 精细胞
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水是活细胞及其周围环境的重要组成部分，水的跨膜转运具有重要的生物学和生理学意义。例如：肾对渗透压和水代谢的调节；胃肠道、呼吸道和生殖道上皮细胞液体的分泌和吸收；脑脊液的形成；汗液的分泌等，在参与上述过程细胞的细胞膜上都有水通道的表达。水通道蛋白的发现使人们重新认识水转动的生理和病理生理过程。本文对近年来水通道的研究进展，特别是其在生殖系统表达的研究作一综述。
一、水通道家族成员
水通道属于主体内在蛋白家族(major intrinsic protein,MIP)，迄今为止，已在细菌、酵母、植物、昆虫和脊椎动物中发现至少50余种水通道。世界上第一个哺乳动物的水通道是由Agre等于1988年发现的，1991年确定了其反向转录脱氧核糖核酸(cDNA)顺序[1]，随后进行了功能鉴定，证明了其协助细胞转运水的作用。
AQP0(MIP26)[2]主要表达在眼晶状体，其基因变异可导致白内障。AQP1(CHIP28)[3]分布极其广泛，在肾、肺、眼、血管、生殖道、消化道等上皮都有表达。AQP2[4]只局限于肾集合管主细胞内，并受血管加压素的调节。AQP3[5]在肾等多种组织有表达，其特点是不仅能够转运水，也能转运甘油。AQP4[6]主要表达在脑，但在肾及呼吸道等多种组织亦有表达。AQP5[7]只见于唾液腺、泪腺等腺体组织。AQP6[8]其水通道活性类似AQP0，但选择性表达在肾。AQP7和AQP8[9，10]主要见于睾丸中处于不同生长阶段的精子细胞中。AQP9[11]见于人外周血白细胞、肝脏、肺脏和脾脏等，但未见于胸腺。
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二、水通道分子结构及生化特性
AQP家族的基本结构是一个单肽链(图1)，含有6个跨膜区域及5个环，B、D环及羟基、氨基末端均在细胞内A、C、E环定位于质膜外侧。B、E环显著疏水，A环有N-连接糖基化部位。整个分子为两个重复部分，在序列上是相似的，在膜上特此呈180º中心对称排列，水通道的这种结构或许可以解释其在水的吸收与分泌两个运动方向上所起的作用。B、E环含有Asn-Pro-Ala(NPA)重复串连序列，这是该蛋白家族成员所共同具有的、高度同源的特征性序列，E、B环的任何变异都会引起水通道活性的下降。定位在AQP1的E环NPA序列前有一半胱氨酸(C-189)，被认为是AQP1的汞抑制部位。汞离子和有机汞可以通过与C-189结合而堵塞这个孔或破坏这个孔，在汞不敏感的AQP4的相应部位则无半胱氨酸的存在[12，13]。
图1 AQP家族基本结构模式图
, http://www.100md.com 图2 AQP1晶体的三维结构模式图
水通道是由4个对称排列的圆筒状亚基包绕而成的四聚体，已证明这4个亚基作为水通道的作用都是独立的，但四聚体的结构对于维持单个亚基的位置是重要的。利用高分辨率电镜，人们计算出AQP1晶体的三维结构为沙漏(hour glass)模式：分别位于细胞内外的B、E环向上及向下行，使NPA在浆膜处析叠形成一个单水孔道(图2)。这一结构模型已被最新的电子晶体学所提供的质膜平面图所证实[14，15]。
在整个发育和成熟阶段，睾丸内生殖细胞的结构和代谢都要经历复杂的变化，特别是精子细胞膜有较强的水通透性，它在形成过程中存在活跃的物质代谢及液体交换。附睾具有重吸收、分泌和浓缩的功能，水及相关物质的转运是非常重要的。因此，水通道在睾丸、附睾及其附属性腺的存在是可以理解的，但出人预料的是，在睾丸内生殖细胞存在两种水通道：AQP7和AQP8的表达。
(一)睾丸内的水通道 Ishibashi小组在1997年利用Northern分析和免疫组化等研究发现，在大鼠睾丸内生殖细胞存在两种水通道蛋白：AQP7和AQP8(附表)。随后又报道了人和小鼠AQP7的表达。AQP7和AQP8都具有该家族蛋白特征性NPA序列，人与大鼠AQP7氨基酸同源性约68%，人AQP7基因包含6个外显子，共6.5kb ,内含子大小与AQP3类似，内含子与外显子交界处的核酸序列也与AQP3一致，并位于同一染色体9p13处。AQP7与AQP3的蛋白同源性最高，可达到48%，也能够协助转运甘油和尿素，故认为AQP7与AQP3属同一亚家族。
, 百拇医药
AQP7与AQP8均在睾丸的曲细精管中有丰富的表达，但两种类型的水通道结构和功能有所不同，二者的分布也略有差异：曲细精管内AQP7的表达与生精过程处于不同阶段有关，多分布于生精过程晚期的生殖细胞中，提示其表达可能是时间依赖性的；而AQP8则是持续表达的水通道蛋白，见于每个曲细精管内从初级精母细胞到精子细胞的各级细胞，提示两种蛋白的不同作用。在睾丸中发现有两种水通道的存在，表明了睾丸内生殖细胞成熟、分化和代谢的复杂性，也提示水通道在生精过程乃至受精过程中的重要作用。Ma也报道，除睾丸外，AQP8在小鼠的胃肠道、胎盘和心脏有很强的表达，在肾、肺、腺、脑等多种组织中也有发现，说明AQP8分布极其广泛[9，10，16]。
目前，尚无支持细胞水通道表达的研究报道。值得注意的是，支持细胞除营养生殖细胞外，还参与形成血睾屏障，使曲细精管的基底小室和管腔小室间维持一定的渗透梯度，以利于生精上皮产生的液体向管腔方向排泌；支持细胞本身也分泌大量的管腔液，这些似乎都应该与水通道相关，或许是支持细胞上存在另外的水通道蛋白？这些问题还需进一步研究探讨。
, 百拇医药
附表 大鼠AQP7和AQP8比较
名 称
AQP7
AQP8
氨基酸数
269
263
mRNA(kilobase)
1.5
1.5
汞敏感性
-
+
, 百拇医药
睾丸中表达
晚期及成熟的精子细胞
从初级精母细胞到精子细胞
转运功能
水、尿素、甘油
水
(二)附睾、输精管及附属性腺的水通道
Brown[7]利用Western分析和免疫细胞化学方法发现雄性生殖道中输出小管的非纤毛细胞的刷状缘和基底膜存在AQP1，在浆膜、输精管壶腹部上皮、精囊腺、前列腺上皮可见AQP1的表达，而在曲细精管上皮、附睾和输精管远端上皮则未见表达，这提示水通道在生精小管原初分泌液体的重吸收方面有作用，也对精子的成熟与浓缩产生间接的影响。AQP1可能是输出小管和生殖道其他具有吸收和分泌功能的上皮细胞跨膜水转运的主要介导者。
, 百拇医药
近几年对这些部位水通道有了更详细的研究。最新报道表明，在鼠输精管和曲细精管上皮发现AQP2表达。这一发现是出乎意料的。因为过去一直认为只有肾集合管上皮才表达AQP2，说明雄性生殖系统水通道表达是很复杂的[18]。
由于雌激素在调节输出小管液体吸收方面可能起着重要作用，Fisher[19]等研究了雌激素对不同年龄段雄性大鼠和猴的输出小管上皮细胞AQP1的影响。他们发现，从出生晚期、青春期到成年，在输出小管上皮细胞刷状缘AQP1均有很强的表达，一旦这些上皮细胞分化，则只有非纤毛上皮细胞表达AQP1。当抑制促性腺激素分泌时，出生18 d和25 d大鼠输出小管AQP1表达未见变化；而给与雌激素样物质(DES)后，在出生后10 d,AQP1表达开始减少，25 d明显减少，出生后35 d减至最少。与水通道表达减少相伴随的是输出小管和睾丸网的显著扩张以及液体重吸收的减少。值得注意的是，在各年龄段，DES处理的大鼠输出小管上皮细胞呈立方状而不是高柱状。这些结果表明，雌激素可能参与调节新生鼠输出小管液体吸收功能以及输出小管和睾丸网进一步生长发育，而AQP1可能作为重要因素介导了这一过程。这些研究为人类了解生殖生理和病理生理，特别是精子的成熟、代谢过程，提供了有益的参考。
, 百拇医药
由于水通道在生殖系统的研究还刚刚开始，它在生殖细胞及生殖细胞输出管道的表达仍有许多不太清楚的地方。包括人类在内的哺乳动物精子的水通透性是很高的(即渗透系数很大)，可能同大鼠一样，精子细胞也有两种或两种以上的水通道表达。由于人类精子细胞的水通透性是汞不敏感的，因此，如果人类精子细胞也存在类似大鼠AQP8一样的水通道的话，一定是半胱氨酸被替换了的水通道或者有第三种类型的水通道表达。
参考文献
1 Preston GM,Agre P.Proc Natl Acad Sci USA,1991;88:1110-1114
2 Pisano MM,Chepelinsky AB.Genomics,1991;11:981-990
3 Verkman AS.Van Hoek AN,Ma T et al.Am J Physiol,1996;270:C12-30
, 百拇医药
4 Fushimi K,Uchida S,Hara Y et al.Nature,1993;36:1549-1552
5 Ishibashi K,Sasaki S,Fushimi K et al.Proc Natl Acad Sci USA,1994;91:6269-6273
6 Hasegawa H,Ma T,Skach W et al.J Biol Chem,1994;269:5497-5500
7 Raina S,Preston GM,Guggino WB et al.J Biol Chem,1995;270:1908-1912
8 Ma T,Yang B,Kuo WL et al.Genomics,1996;35:543-550
9 Ishibashi K,Kuwahara M,Gu Y et al.J Biol Chem,1997;272:20782-20786
, 百拇医药
10 Ishibashi K,Kuwahara M,Kageyama Y et al.Biochem Biophys Res Commun,1997;237:714-718
11 Ishibashi K,Kuwahara M,Gu Y et al.Biochem Biophys Res Commun,1998;244(1):268-274
12 Agre P,Preston GM,Smith BI et al.Am J Physiol,1993;265:F463-476
13 Preston GM,Jungs JS,Guggino WB et al.J Biol Chem,1993;268:17-20
14 Jungs JS,Prestone GM,Smith BL et al.J Biol Chem,1994;269:14648-14654
, 百拇医药
15 Walz T,Smith BL,Zeidel ML et al.J Biol Chem,1994;269:1583-1586
16 Ma T,Yang B,Verkman AS.Biochem Biophys Res Commun,1997;240:324-328
17 Brown D,Verbavatz JM,Valenti G et al.Eur J Cell Biol,1993;61:264-273
18 Nelson RD,Stricklett P,Gustafson C et al.Am J Physiol,1998;275:C216-226
19 Fisher JS,Turner KJ,Fraser HM et al.Endocrinology,1998;139:3935-3945
(收稿日期：1999-02-01)
校对时间：99-12-09 白艳萍, http://www.100md.com
白求恩医科大学生殖病理生理研究室(130021)
王蔚东综述 赵雪俭审校
摘要 水通道属于主体内在蛋白家族成员，分布广泛，参与细胞液体代谢过程，其基本结构是一个单肽链，含有特征性的重复串联序列。至少有两种水通道在睾丸的曲细精管中有丰富的表达，提示水通道在生精过程及至受精过程中的重要作用。睾丸输出小管的非纤毛细胞的刷状缘和基底膜及附属性腺上皮存在水通道表明：水通道在生精小管原初分泌液体的重吸收方面有作用，也对精子的成熟与浓缩产生间接的影响。另外，水通道也可能参与了雌激素对大鼠输出小管液体吸收功能以及输出小管和睾丸网进一步生长发育的调节过程。
关键词 水通道 睾丸 精细胞
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水是活细胞及其周围环境的重要组成部分，水的跨膜转运具有重要的生物学和生理学意义。例如：肾对渗透压和水代谢的调节；胃肠道、呼吸道和生殖道上皮细胞液体的分泌和吸收；脑脊液的形成；汗液的分泌等，在参与上述过程细胞的细胞膜上都有水通道的表达。水通道蛋白的发现使人们重新认识水转动的生理和病理生理过程。本文对近年来水通道的研究进展，特别是其在生殖系统表达的研究作一综述。
一、水通道家族成员
水通道属于主体内在蛋白家族(major intrinsic protein,MIP)，迄今为止，已在细菌、酵母、植物、昆虫和脊椎动物中发现至少50余种水通道。世界上第一个哺乳动物的水通道是由Agre等于1988年发现的，1991年确定了其反向转录脱氧核糖核酸(cDNA)顺序[1]，随后进行了功能鉴定，证明了其协助细胞转运水的作用。
AQP0(MIP26)[2]主要表达在眼晶状体，其基因变异可导致白内障。AQP1(CHIP28)[3]分布极其广泛，在肾、肺、眼、血管、生殖道、消化道等上皮都有表达。AQP2[4]只局限于肾集合管主细胞内，并受血管加压素的调节。AQP3[5]在肾等多种组织有表达，其特点是不仅能够转运水，也能转运甘油。AQP4[6]主要表达在脑，但在肾及呼吸道等多种组织亦有表达。AQP5[7]只见于唾液腺、泪腺等腺体组织。AQP6[8]其水通道活性类似AQP0，但选择性表达在肾。AQP7和AQP8[9，10]主要见于睾丸中处于不同生长阶段的精子细胞中。AQP9[11]见于人外周血白细胞、肝脏、肺脏和脾脏等，但未见于胸腺。
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二、水通道分子结构及生化特性
AQP家族的基本结构是一个单肽链(图1)，含有6个跨膜区域及5个环，B、D环及羟基、氨基末端均在细胞内A、C、E环定位于质膜外侧。B、E环显著疏水，A环有N-连接糖基化部位。整个分子为两个重复部分，在序列上是相似的，在膜上特此呈180º中心对称排列，水通道的这种结构或许可以解释其在水的吸收与分泌两个运动方向上所起的作用。B、E环含有Asn-Pro-Ala(NPA)重复串连序列，这是该蛋白家族成员所共同具有的、高度同源的特征性序列，E、B环的任何变异都会引起水通道活性的下降。定位在AQP1的E环NPA序列前有一半胱氨酸(C-189)，被认为是AQP1的汞抑制部位。汞离子和有机汞可以通过与C-189结合而堵塞这个孔或破坏这个孔，在汞不敏感的AQP4的相应部位则无半胱氨酸的存在[12，13]。
图1 AQP家族基本结构模式图
, http://www.100md.com 图2 AQP1晶体的三维结构模式图
水通道是由4个对称排列的圆筒状亚基包绕而成的四聚体，已证明这4个亚基作为水通道的作用都是独立的，但四聚体的结构对于维持单个亚基的位置是重要的。利用高分辨率电镜，人们计算出AQP1晶体的三维结构为沙漏(hour glass)模式：分别位于细胞内外的B、E环向上及向下行，使NPA在浆膜处析叠形成一个单水孔道(图2)。这一结构模型已被最新的电子晶体学所提供的质膜平面图所证实[14，15]。
在整个发育和成熟阶段，睾丸内生殖细胞的结构和代谢都要经历复杂的变化，特别是精子细胞膜有较强的水通透性，它在形成过程中存在活跃的物质代谢及液体交换。附睾具有重吸收、分泌和浓缩的功能，水及相关物质的转运是非常重要的。因此，水通道在睾丸、附睾及其附属性腺的存在是可以理解的，但出人预料的是，在睾丸内生殖细胞存在两种水通道：AQP7和AQP8的表达。
(一)睾丸内的水通道 Ishibashi小组在1997年利用Northern分析和免疫组化等研究发现，在大鼠睾丸内生殖细胞存在两种水通道蛋白：AQP7和AQP8(附表)。随后又报道了人和小鼠AQP7的表达。AQP7和AQP8都具有该家族蛋白特征性NPA序列，人与大鼠AQP7氨基酸同源性约68%，人AQP7基因包含6个外显子，共6.5kb ,内含子大小与AQP3类似，内含子与外显子交界处的核酸序列也与AQP3一致，并位于同一染色体9p13处。AQP7与AQP3的蛋白同源性最高，可达到48%，也能够协助转运甘油和尿素，故认为AQP7与AQP3属同一亚家族。
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AQP7与AQP8均在睾丸的曲细精管中有丰富的表达，但两种类型的水通道结构和功能有所不同，二者的分布也略有差异：曲细精管内AQP7的表达与生精过程处于不同阶段有关，多分布于生精过程晚期的生殖细胞中，提示其表达可能是时间依赖性的；而AQP8则是持续表达的水通道蛋白，见于每个曲细精管内从初级精母细胞到精子细胞的各级细胞，提示两种蛋白的不同作用。在睾丸中发现有两种水通道的存在，表明了睾丸内生殖细胞成熟、分化和代谢的复杂性，也提示水通道在生精过程乃至受精过程中的重要作用。Ma也报道，除睾丸外，AQP8在小鼠的胃肠道、胎盘和心脏有很强的表达，在肾、肺、腺、脑等多种组织中也有发现，说明AQP8分布极其广泛[9，10，16]。
目前，尚无支持细胞水通道表达的研究报道。值得注意的是，支持细胞除营养生殖细胞外，还参与形成血睾屏障，使曲细精管的基底小室和管腔小室间维持一定的渗透梯度，以利于生精上皮产生的液体向管腔方向排泌；支持细胞本身也分泌大量的管腔液，这些似乎都应该与水通道相关，或许是支持细胞上存在另外的水通道蛋白？这些问题还需进一步研究探讨。
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附表 大鼠AQP7和AQP8比较
名 称
AQP7
AQP8
氨基酸数
269
263
mRNA(kilobase)
1.5
1.5
汞敏感性
-
+
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睾丸中表达
晚期及成熟的精子细胞
从初级精母细胞到精子细胞
转运功能
水、尿素、甘油
水
(二)附睾、输精管及附属性腺的水通道
Brown[7]利用Western分析和免疫细胞化学方法发现雄性生殖道中输出小管的非纤毛细胞的刷状缘和基底膜存在AQP1，在浆膜、输精管壶腹部上皮、精囊腺、前列腺上皮可见AQP1的表达，而在曲细精管上皮、附睾和输精管远端上皮则未见表达，这提示水通道在生精小管原初分泌液体的重吸收方面有作用，也对精子的成熟与浓缩产生间接的影响。AQP1可能是输出小管和生殖道其他具有吸收和分泌功能的上皮细胞跨膜水转运的主要介导者。
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近几年对这些部位水通道有了更详细的研究。最新报道表明，在鼠输精管和曲细精管上皮发现AQP2表达。这一发现是出乎意料的。因为过去一直认为只有肾集合管上皮才表达AQP2，说明雄性生殖系统水通道表达是很复杂的[18]。
由于雌激素在调节输出小管液体吸收方面可能起着重要作用，Fisher[19]等研究了雌激素对不同年龄段雄性大鼠和猴的输出小管上皮细胞AQP1的影响。他们发现，从出生晚期、青春期到成年，在输出小管上皮细胞刷状缘AQP1均有很强的表达，一旦这些上皮细胞分化，则只有非纤毛上皮细胞表达AQP1。当抑制促性腺激素分泌时，出生18 d和25 d大鼠输出小管AQP1表达未见变化；而给与雌激素样物质(DES)后，在出生后10 d,AQP1表达开始减少，25 d明显减少，出生后35 d减至最少。与水通道表达减少相伴随的是输出小管和睾丸网的显著扩张以及液体重吸收的减少。值得注意的是，在各年龄段，DES处理的大鼠输出小管上皮细胞呈立方状而不是高柱状。这些结果表明，雌激素可能参与调节新生鼠输出小管液体吸收功能以及输出小管和睾丸网进一步生长发育，而AQP1可能作为重要因素介导了这一过程。这些研究为人类了解生殖生理和病理生理，特别是精子的成熟、代谢过程，提供了有益的参考。
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由于水通道在生殖系统的研究还刚刚开始，它在生殖细胞及生殖细胞输出管道的表达仍有许多不太清楚的地方。包括人类在内的哺乳动物精子的水通透性是很高的(即渗透系数很大)，可能同大鼠一样，精子细胞也有两种或两种以上的水通道表达。由于人类精子细胞的水通透性是汞不敏感的，因此，如果人类精子细胞也存在类似大鼠AQP8一样的水通道的话，一定是半胱氨酸被替换了的水通道或者有第三种类型的水通道表达。
参考文献
1 Preston GM,Agre P.Proc Natl Acad Sci USA,1991;88:1110-1114
2 Pisano MM,Chepelinsky AB.Genomics,1991;11:981-990
3 Verkman AS.Van Hoek AN,Ma T et al.Am J Physiol,1996;270:C12-30
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4 Fushimi K,Uchida S,Hara Y et al.Nature,1993;36:1549-1552
5 Ishibashi K,Sasaki S,Fushimi K et al.Proc Natl Acad Sci USA,1994;91:6269-6273
6 Hasegawa H,Ma T,Skach W et al.J Biol Chem,1994;269:5497-5500
7 Raina S,Preston GM,Guggino WB et al.J Biol Chem,1995;270:1908-1912
8 Ma T,Yang B,Kuo WL et al.Genomics,1996;35:543-550
9 Ishibashi K,Kuwahara M,Gu Y et al.J Biol Chem,1997;272:20782-20786
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10 Ishibashi K,Kuwahara M,Kageyama Y et al.Biochem Biophys Res Commun,1997;237:714-718
11 Ishibashi K,Kuwahara M,Gu Y et al.Biochem Biophys Res Commun,1998;244(1):268-274
12 Agre P,Preston GM,Smith BI et al.Am J Physiol,1993;265:F463-476
13 Preston GM,Jungs JS,Guggino WB et al.J Biol Chem,1993;268:17-20
14 Jungs JS,Prestone GM,Smith BL et al.J Biol Chem,1994;269:14648-14654
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15 Walz T,Smith BL,Zeidel ML et al.J Biol Chem,1994;269:1583-1586
16 Ma T,Yang B,Verkman AS.Biochem Biophys Res Commun,1997;240:324-328
17 Brown D,Verbavatz JM,Valenti G et al.Eur J Cell Biol,1993;61:264-273
18 Nelson RD,Stricklett P,Gustafson C et al.Am J Physiol,1998;275:C216-226
19 Fisher JS,Turner KJ,Fraser HM et al.Endocrinology,1998;139:3935-3945
(收稿日期：1999-02-01)
校对时间：99-12-09 白艳萍, http://www.100md.com