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[摘要] 水通道蛋白（aquaporin，AQP）是一组能转运水的跨膜蛋白。水通道蛋白4（aquaporin4，AQP4）有3个亚型：M23（32.2kDa）、M1（34.5kDa）、Mz（38.9kDa）。AQP4在与软脑膜、室管膜、血管相邻的星形胶质细胞足突中密集表达，呈现极性分布。它主要通过可逆性蛋白磷酸化来调节功能。AQP4减少使痛觉减退，可导致皮质扩散性抑制 （cortical spreading depression，CSD）伴随的局部组织缺氧。AQP4可能参与头痛的调节，但在痛觉调节中的作用有待于进一步研究。
[关键词] 水通道蛋白4；星形胶质细胞；疼痛；偏头痛；皮质扩散性抑制
[中图分类号] R341 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701（2016）11-0154-04
[Abstract] The aquaporins （AQPs） are a family of transcellular proteins which can transport water. Aquaporin4 （AQP4） has three subtypes： M23（32.2 kDa）， M1（34.5 kDa） and Mz（38.9 kDa）. It displays a polarization pattern which is densely expressed in astrocyte foot processes adjacent to the cerebral pia mater， ependyma and blood vessels. Its function is mainly regulated by reversible phosphorylation of protein. A decline of AQP4 may cause hypalgesia and local tissue hypoxia during cortical spreading depression（CSD）. AQP4 may be involved in regulating headache，but it needs further research on the role of AQP4 in pain regulation.
[Key words] Aquaporin-4； Astrocyte； Pain； Migraine； Cortical spreading depression
疼痛是患者就医最普遍的原因，是临床上比较常见的症状，并逐渐被当作一种疾病来认识和治疗[1]。在加拿大，有20%的人遭受着某种形式的持续性或慢性疼痛[2]。据评估，美国至少有1.16亿成年人患有慢性疼痛[3]。疼痛是与实际或潜在的组织损伤相关的不愉快感觉和情感体验或用组织损伤这类词汇所描述的主诉症状[4]。疼痛已引起人们的高度重视，并被列为第五大生命体征[5]。水通道蛋白（aquaporin，AQP）是一组能转运水的跨膜蛋白，在细胞水平衡过程中扮演着重要的角色。至今，从哺乳动物体内已分离出AQP 0～12[6]，统称为AQP家族。在中枢神经系统（central nervous system，CNS）相关疾病中已进行大量和水通道蛋白相关的研究。现就近年来对水通道蛋白4（aquaporin4，AQP4）和疼痛关系的研究进展予以综述。
1 AQP4的结构和分布、功能、调节
1.1 AQPs的发现
1988年，Agre等在分离32-kDa Rh多肽时意外发现一种28-kDa蛋白，随后在红细胞和肾小管中提纯出这种膜整合蛋白。1991年，他们又成功克隆了28-kDa膜整合蛋白（channel-like integral membrane protein of 28 kDa，CHIP28）的cDNA，1992年通过向非洲爪蟾卵母细胞植入CHIP28 RNA证实其为水通道蛋白，1993年正式将其命名为Aquaporin 1（AQP1），并将这一类膜整合蛋白统称为AQPs。至今已发现13种水通道蛋白，其中AQP4就是Agre等在1994年通过克隆cDNA证实其在脑内的存在。
1.2 AQP4的结构
水通道蛋白含有膜嵌入蛋白（major intrinsic protein，MIP）的特征性序列——天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸（asparagine-proline-alanine，NPA）。AQP4是由染色体18q11.2和 q12.1之间的遗传因子编码的四异聚体，N端和C端位于胞内，C端有疏水区和PDZ（PSD-95，Drosophila discslarge protein，and the zona occludens protein1）结合基序，第276-280位氨基酸残基在其中发挥着重要作用[7]。AQP4又称汞不敏感性水通道蛋白（mercurial-insensitive water channel，MIWC），因为第189位残基不是半胱氨酸，不能与汞结合。但Yukutake Y等[8]发现AQP4其实能与汞相互结合，只是其作用位点位于D环的Cys178 和C端的Cys253上。AQP4主要有2个亚型：M23（32.2kDa）、M1（34.5kDa）。M23在颗粒正交阵列（Orthogonal Arrays of Particles，OAPs）形成中起到关键作用，M1可以在M23外周聚集共同构成OAPs[9]，两者的构成比决定了OAPs的大小，M23占的比例越高，OAPs体积就越大[10]。2008年，Moe SE等在大鼠中发现新的亚型Mz，分子量约为38.9 kDa。它也可以通过和M23联接成异四聚体来参与OAPs的形成，但是它在人类和小鼠的大脑中并不存在[11]。OAPs的功能尚未研究清楚，可能与水的转运、向星形胶质细胞足突极化和细胞间的粘附作用有关。 1.3 AQP4的分布
AQP4在内耳、视网膜、嗅觉系统、肾、肠、肺、脑及脊髓中均有表达，以中枢神经系统中的含量最多，主要在神经胶质细胞膜、室管膜、背侧丘脑、海马、白质、视交叉上核和视上核表达[12]，在脊髓中的表达主要集中在颈段到腰段[13]。AQP4在与软脑膜、室管膜、血管相邻的星形胶质细胞足突中密集表达，呈现极性分布[14]，但是这种分布现象在脊髓中较少出现[13]。AQP4的极性分布和α-互生蛋白（α-Syntrophin）、集聚蛋白（agrin）密切相关。α-互生蛋白是dystroglycan复合物（DGC）的组成部分，它上面的PDZ结构域可以和AQP4的C端联接从而使AQP4固定在血管周的星形胶质细胞足突上，C端的PDZ结合基序越多，AQP4在膜上越稳定[15]。集聚蛋白存在于细胞外基质，它可以使星形胶质细胞膜上的OAPs聚集并增强水的转运能力[16]。Ren等[17]发现脑外伤后，虽然AQP4表达增加，但是它的极性分布现象会消失。反而因为局部张力变化后，AQP4会在胞膜上进行再分布，这就叫作移位机制[18]。
1.4 AQP4的功能与调节
AQP4在细胞膜上介导水分子的高效转运，既不耗能，也不受门控机制影响。膜内和膜外的渗透压差决定了水分子通过AQP4的方向。AQP4还可以调节细胞间隙大小、钾平衡、脑脊液循环、组织液的吸收、代谢产物的清除、细胞迁移、钙离子信号传导等[19]。
AQP4主要通过可逆性蛋白磷酸化来调节，AQP4有许多磷酸化位点，不同的位点有不同的作用。这里主要介绍三种位点：①位于B环的Ser111。它通过mGluR-CaMKII-NO-cGMP-PKG信号通路和cAMP-PKA信号通路磷酸化后，可以使AQP4水通透性增强。②位于D环的Ser180。PKC催化Ser180磷酸化，从而减弱AQP4水通透性，如多巴胺通过D1和D2受体激活PLC-PKC信号通路，使集合管对水的重吸收减少[20]。③位于羧基末端的Ser276。Ser276不参与AQP4水通透性的调节[21]，但是PKA可催化Ser276磷酸化，继而促使AQP4发生移位[18]。
2 AQP4与疼痛的关系
星形胶质细胞与CNS的功能有密切关系。星形胶质细胞在疼痛中的调节作用主要表现为减少谷氨酸转运体-1（glutamatetransporter-1，GLT-1）和谷氨酸/天冬氨酸转运体（Glutamate aspartate transporter，GLAST）的表达，升高细胞外谷氨酸浓度，进一步激活NMDA受体和AMPA受体，从而引起痛觉超敏反应[22]。
AQP4在星形胶质细胞上特异性表达，它的缺失可能会影响星形胶质细胞在CNS中的调节作用。已有研究[23，24]表明AQP4缺失会降低神经兴奋性，可能是因为减慢了钾离子的释放和再摄取[25]或加速了细胞外间隙的分子扩散[26]。2008年，Wu等[27]发现在AQP4敲除的小鼠大脑中，GLT-1表达减少，并通过热板实验表明高级中枢水平的AQP4缺失会加强吗啡的镇痛作用，同时减弱了吗啡的耐受性和依赖性，这种减弱作用可通过抑制GLT-1的下调来调节。Zhao等[28]也在脊髓水平做了类似的研究，发现GLT-1和μ-型阿片受体（mu-opioid receptor，MuOR）在 AQP4敲除的小鼠脊髓中同样表达减少，但是通过甩尾实验发现了不同的结果，脊髓上的AQP4缺失减弱了吗啡的急性镇痛作用，而对耐受性不产生影响。Zhiqi Zhao和他的研究团队[29]还研究了AQP4在处理伤害性感受中的作用，他们发现除了机械性刺激，AQP4敲除的小鼠对热刺激和化学刺激的疼痛反应也是减弱的，并进一步记录脊髓背角的电生理，发现对热伤害敏感的神经元数量是有所减少的，并且WDR神经元对热刺激的反应潜伏期明显延长。这些结果表明缺少AQP4会使痛觉减退。
3 水通道蛋白与偏头痛
头部是发生疼痛的常见部位，而偏头痛是临床上最常见的原发性头痛类型。有研究证明水通道蛋白在偏头痛的发生中发挥着重要作用。虽然神经系统中存在AQP1和AQP2、AQP3、 AQP4、 AQP5、 AQP8、AQP9，然而似乎只有AQP1和AQP2、AQP4参与了痛觉传导[30]。Xu等[31]就发现了AQP1和偏头痛相关的3个结果：①AQP1和降钙素基因相关肽（calcitonin gene-related peptide，CGRP）在三叉神经节上共同表达；②用KCl浸润在硬脑膜上诱导出重复的皮质扩散性抑制（cortical spreading depression，CSD），这种CSD的出现上调了上颈段脊髓背角的 AQP1在mRNA和蛋白水平的表达；③缺少AQP1会减少上颈段脊髓背角神经元的激发频率。众所周知，CSD可引起偏头痛的先兆症状，三叉神经血管系统参与了偏头痛的发作。2007年，Takano等[32]发现出现CSD的同时也会伴随局部组织的缺氧，他们认为这是因为在远离血管的微流域，氧供满足不了耗氧的短暂增加。但是Thrane等[33]利用激光多普勒血流仪和氧敏感微电极证明CSD伴随的缺氧并不是氧气或血液供应不足所致，进一步通过钾敏感微电极发现，AQP4缺失会减慢膜外钾离子恢复，然而这又会增加氧的耗损。他们还发现AQP4可作为气体通道，促进氧气从血管到微流域的分布。总之，AQP4不仅可以促进钾离子转运，还可以调节气体分布，AQP4的减少才是导致CSD伴随有局部组织缺氧的主要原因。
4 目前研究进展及展望
AQP4和诸多中枢神经系统疾病有密切关系，如脑水肿、癫痫、视神经脊髓炎、脑膜炎等。近几年，AQP4和疼痛尤其是偏头痛的关系逐渐成为研究热点。Rubino E等[34]通过对293例偏头痛患者和249例健康人群的AQP4基因进行比较，发现偏头痛的遗传易感性和AQP4基因并无关联。还有研究[35]发现对偏头痛有效的5HT1B/1D受体选择性激动剂曲普坦类和乙酰唑胺，部分抗癫痫药物，如托吡酯和丙戊酸钠，都可抑制AQP4的表达。国内有学者[36]发现在硝酸甘油诱导的偏头痛大鼠模型中，脑组织的AQP4表达有所增加。然而AQP4调节疼痛以及偏头痛的具体机制仍未十分清楚。随着AQP4在CNS中的深入研究，将促使人类从水通道蛋白功能紊乱方向探索疾病的发病机制，以调节AQP4为靶点，从而为疼痛以及偏头痛的治疗提供新的途径。 [参考文献]
[1] Siddall PJ，Cousins MJ. Persistent pain as a disease entity： Implications for clinical management[J]. Anesthesia
[关键词] 水通道蛋白4；星形胶质细胞；疼痛；偏头痛；皮质扩散性抑制
[中图分类号] R341 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701（2016）11-0154-04
[Abstract] The aquaporins （AQPs） are a family of transcellular proteins which can transport water. Aquaporin4 （AQP4） has three subtypes： M23（32.2 kDa）， M1（34.5 kDa） and Mz（38.9 kDa）. It displays a polarization pattern which is densely expressed in astrocyte foot processes adjacent to the cerebral pia mater， ependyma and blood vessels. Its function is mainly regulated by reversible phosphorylation of protein. A decline of AQP4 may cause hypalgesia and local tissue hypoxia during cortical spreading depression（CSD）. AQP4 may be involved in regulating headache，but it needs further research on the role of AQP4 in pain regulation.
[Key words] Aquaporin-4； Astrocyte； Pain； Migraine； Cortical spreading depression
疼痛是患者就医最普遍的原因，是临床上比较常见的症状，并逐渐被当作一种疾病来认识和治疗[1]。在加拿大，有20%的人遭受着某种形式的持续性或慢性疼痛[2]。据评估，美国至少有1.16亿成年人患有慢性疼痛[3]。疼痛是与实际或潜在的组织损伤相关的不愉快感觉和情感体验或用组织损伤这类词汇所描述的主诉症状[4]。疼痛已引起人们的高度重视，并被列为第五大生命体征[5]。水通道蛋白（aquaporin，AQP）是一组能转运水的跨膜蛋白，在细胞水平衡过程中扮演着重要的角色。至今，从哺乳动物体内已分离出AQP 0～12[6]，统称为AQP家族。在中枢神经系统（central nervous system，CNS）相关疾病中已进行大量和水通道蛋白相关的研究。现就近年来对水通道蛋白4（aquaporin4，AQP4）和疼痛关系的研究进展予以综述。
1 AQP4的结构和分布、功能、调节
1.1 AQPs的发现
1988年，Agre等在分离32-kDa Rh多肽时意外发现一种28-kDa蛋白，随后在红细胞和肾小管中提纯出这种膜整合蛋白。1991年，他们又成功克隆了28-kDa膜整合蛋白（channel-like integral membrane protein of 28 kDa，CHIP28）的cDNA，1992年通过向非洲爪蟾卵母细胞植入CHIP28 RNA证实其为水通道蛋白，1993年正式将其命名为Aquaporin 1（AQP1），并将这一类膜整合蛋白统称为AQPs。至今已发现13种水通道蛋白，其中AQP4就是Agre等在1994年通过克隆cDNA证实其在脑内的存在。
1.2 AQP4的结构
水通道蛋白含有膜嵌入蛋白（major intrinsic protein，MIP）的特征性序列——天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸（asparagine-proline-alanine，NPA）。AQP4是由染色体18q11.2和 q12.1之间的遗传因子编码的四异聚体，N端和C端位于胞内，C端有疏水区和PDZ（PSD-95，Drosophila discslarge protein，and the zona occludens protein1）结合基序，第276-280位氨基酸残基在其中发挥着重要作用[7]。AQP4又称汞不敏感性水通道蛋白（mercurial-insensitive water channel，MIWC），因为第189位残基不是半胱氨酸，不能与汞结合。但Yukutake Y等[8]发现AQP4其实能与汞相互结合，只是其作用位点位于D环的Cys178 和C端的Cys253上。AQP4主要有2个亚型：M23（32.2kDa）、M1（34.5kDa）。M23在颗粒正交阵列（Orthogonal Arrays of Particles，OAPs）形成中起到关键作用，M1可以在M23外周聚集共同构成OAPs[9]，两者的构成比决定了OAPs的大小，M23占的比例越高，OAPs体积就越大[10]。2008年，Moe SE等在大鼠中发现新的亚型Mz，分子量约为38.9 kDa。它也可以通过和M23联接成异四聚体来参与OAPs的形成，但是它在人类和小鼠的大脑中并不存在[11]。OAPs的功能尚未研究清楚，可能与水的转运、向星形胶质细胞足突极化和细胞间的粘附作用有关。 1.3 AQP4的分布
AQP4在内耳、视网膜、嗅觉系统、肾、肠、肺、脑及脊髓中均有表达，以中枢神经系统中的含量最多，主要在神经胶质细胞膜、室管膜、背侧丘脑、海马、白质、视交叉上核和视上核表达[12]，在脊髓中的表达主要集中在颈段到腰段[13]。AQP4在与软脑膜、室管膜、血管相邻的星形胶质细胞足突中密集表达，呈现极性分布[14]，但是这种分布现象在脊髓中较少出现[13]。AQP4的极性分布和α-互生蛋白（α-Syntrophin）、集聚蛋白（agrin）密切相关。α-互生蛋白是dystroglycan复合物（DGC）的组成部分，它上面的PDZ结构域可以和AQP4的C端联接从而使AQP4固定在血管周的星形胶质细胞足突上，C端的PDZ结合基序越多，AQP4在膜上越稳定[15]。集聚蛋白存在于细胞外基质，它可以使星形胶质细胞膜上的OAPs聚集并增强水的转运能力[16]。Ren等[17]发现脑外伤后，虽然AQP4表达增加，但是它的极性分布现象会消失。反而因为局部张力变化后，AQP4会在胞膜上进行再分布，这就叫作移位机制[18]。
1.4 AQP4的功能与调节
AQP4在细胞膜上介导水分子的高效转运，既不耗能，也不受门控机制影响。膜内和膜外的渗透压差决定了水分子通过AQP4的方向。AQP4还可以调节细胞间隙大小、钾平衡、脑脊液循环、组织液的吸收、代谢产物的清除、细胞迁移、钙离子信号传导等[19]。
AQP4主要通过可逆性蛋白磷酸化来调节，AQP4有许多磷酸化位点，不同的位点有不同的作用。这里主要介绍三种位点：①位于B环的Ser111。它通过mGluR-CaMKII-NO-cGMP-PKG信号通路和cAMP-PKA信号通路磷酸化后，可以使AQP4水通透性增强。②位于D环的Ser180。PKC催化Ser180磷酸化，从而减弱AQP4水通透性，如多巴胺通过D1和D2受体激活PLC-PKC信号通路，使集合管对水的重吸收减少[20]。③位于羧基末端的Ser276。Ser276不参与AQP4水通透性的调节[21]，但是PKA可催化Ser276磷酸化，继而促使AQP4发生移位[18]。
2 AQP4与疼痛的关系
星形胶质细胞与CNS的功能有密切关系。星形胶质细胞在疼痛中的调节作用主要表现为减少谷氨酸转运体-1（glutamatetransporter-1，GLT-1）和谷氨酸/天冬氨酸转运体（Glutamate aspartate transporter，GLAST）的表达，升高细胞外谷氨酸浓度，进一步激活NMDA受体和AMPA受体，从而引起痛觉超敏反应[22]。
AQP4在星形胶质细胞上特异性表达，它的缺失可能会影响星形胶质细胞在CNS中的调节作用。已有研究[23，24]表明AQP4缺失会降低神经兴奋性，可能是因为减慢了钾离子的释放和再摄取[25]或加速了细胞外间隙的分子扩散[26]。2008年，Wu等[27]发现在AQP4敲除的小鼠大脑中，GLT-1表达减少，并通过热板实验表明高级中枢水平的AQP4缺失会加强吗啡的镇痛作用，同时减弱了吗啡的耐受性和依赖性，这种减弱作用可通过抑制GLT-1的下调来调节。Zhao等[28]也在脊髓水平做了类似的研究，发现GLT-1和μ-型阿片受体（mu-opioid receptor，MuOR）在 AQP4敲除的小鼠脊髓中同样表达减少，但是通过甩尾实验发现了不同的结果，脊髓上的AQP4缺失减弱了吗啡的急性镇痛作用，而对耐受性不产生影响。Zhiqi Zhao和他的研究团队[29]还研究了AQP4在处理伤害性感受中的作用，他们发现除了机械性刺激，AQP4敲除的小鼠对热刺激和化学刺激的疼痛反应也是减弱的，并进一步记录脊髓背角的电生理，发现对热伤害敏感的神经元数量是有所减少的，并且WDR神经元对热刺激的反应潜伏期明显延长。这些结果表明缺少AQP4会使痛觉减退。
3 水通道蛋白与偏头痛
头部是发生疼痛的常见部位，而偏头痛是临床上最常见的原发性头痛类型。有研究证明水通道蛋白在偏头痛的发生中发挥着重要作用。虽然神经系统中存在AQP1和AQP2、AQP3、 AQP4、 AQP5、 AQP8、AQP9，然而似乎只有AQP1和AQP2、AQP4参与了痛觉传导[30]。Xu等[31]就发现了AQP1和偏头痛相关的3个结果：①AQP1和降钙素基因相关肽（calcitonin gene-related peptide，CGRP）在三叉神经节上共同表达；②用KCl浸润在硬脑膜上诱导出重复的皮质扩散性抑制（cortical spreading depression，CSD），这种CSD的出现上调了上颈段脊髓背角的 AQP1在mRNA和蛋白水平的表达；③缺少AQP1会减少上颈段脊髓背角神经元的激发频率。众所周知，CSD可引起偏头痛的先兆症状，三叉神经血管系统参与了偏头痛的发作。2007年，Takano等[32]发现出现CSD的同时也会伴随局部组织的缺氧，他们认为这是因为在远离血管的微流域，氧供满足不了耗氧的短暂增加。但是Thrane等[33]利用激光多普勒血流仪和氧敏感微电极证明CSD伴随的缺氧并不是氧气或血液供应不足所致，进一步通过钾敏感微电极发现，AQP4缺失会减慢膜外钾离子恢复，然而这又会增加氧的耗损。他们还发现AQP4可作为气体通道，促进氧气从血管到微流域的分布。总之，AQP4不仅可以促进钾离子转运，还可以调节气体分布，AQP4的减少才是导致CSD伴随有局部组织缺氧的主要原因。
4 目前研究进展及展望
AQP4和诸多中枢神经系统疾病有密切关系，如脑水肿、癫痫、视神经脊髓炎、脑膜炎等。近几年，AQP4和疼痛尤其是偏头痛的关系逐渐成为研究热点。Rubino E等[34]通过对293例偏头痛患者和249例健康人群的AQP4基因进行比较，发现偏头痛的遗传易感性和AQP4基因并无关联。还有研究[35]发现对偏头痛有效的5HT1B/1D受体选择性激动剂曲普坦类和乙酰唑胺，部分抗癫痫药物，如托吡酯和丙戊酸钠，都可抑制AQP4的表达。国内有学者[36]发现在硝酸甘油诱导的偏头痛大鼠模型中，脑组织的AQP4表达有所增加。然而AQP4调节疼痛以及偏头痛的具体机制仍未十分清楚。随着AQP4在CNS中的深入研究，将促使人类从水通道蛋白功能紊乱方向探索疾病的发病机制，以调节AQP4为靶点，从而为疼痛以及偏头痛的治疗提供新的途径。 [参考文献]
[1] Siddall PJ，Cousins MJ. Persistent pain as a disease entity： Implications for clinical management[J]. Anesthesia