摘要水通道，又称水孔蛋白(aquaporin，AQP)是动植物细胞膜上转运水的特异孔道。AQPs均属主体内在蛋白（MIP）家族的成员。AQP1是第一个被鉴定的水通道，又称原型分子水通道。它在体内的分布极广，参与多种生理功能，在膜中以四聚体的形式存在，每一单体形成一个功能性的水通道。AQP1的表达可受汞、雌激素等多种因子的调节，并发现它与许多病理生理过程有着直接的关系。

学科分类号Q71

活细胞每天要通过改变自身状态及体积来维持生命体的生存及生长，水的跨膜转运与这种生命功能息息相关。脂质双分子层的特征不足以解释如此大量的渗透作用所驱使的水转运，证实水通道的存在为扩散水和渗透水的通透性两者之间的矛盾提供了一个很好的解释。到目前为止，已陆续发现10种水通道（AQPs），其中AQP1最早被鉴定，因而又被称为原型分子水通道。它是一种由28kD通道构成的整合膜蛋白（28kD channel-forming integral membrane protein）。

一、AQP1的分子结构及生化特性

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28kD蛋白^［1］。此种蛋白既可以以非糖基化的28kD多肽的形式存在，也可以是一条迁移至40～60kD的N-糖基化带，两者的比例大约为3∶1。氨基酸测序发现28kD蛋白和眼晶状体主体内在蛋白MIP26是同系物，因此有了暂用名“CHIP”（channel-like integral membrane protein）。后来，越来越多已知序列的蛋白质归属到这个家族，根据MIP26将这个家族命名为“MIP”家族。

Smith和Agre用植物血凝素层析法（lectin chromatography）推测出CHIP28是由一个糖基化和三个非糖基化的亚单位经非共价联接形成的四聚体，分子量为135kD。不同于其他跨膜蛋白可以以单体、二聚体甚至更高价寡聚体的形式存在，此28kD蛋白仅发现四聚体的存在形式。用非变性去污剂纯化，4℃条件下即使历经数月也极稳定。

在MIP家族其他成员中也发现了这种四聚体的四级结构特征。且氨基酸序列及四级结构的相似性说明整个家族中有高度保守的结构特征。

后来，Agre等完成了CHIP28蛋白的分子克隆及功能鉴定^［1］。很多实验室也开始了此种蛋白的研究工作。将纯化的CHIP28重构于人工合成的脂质体，脂质体对水表现出极高的通透性（每秒3×10⁹分子／亚单位），但不通透其他小分子。基于CHIP28这些明确的水转运功能，有人推荐了“水孔蛋白”（aquaporin）这一名称，CHIP28于1997年被基因组命名委员会正式命名为AQP1。

对演绎的氨基酸序列进行拓扑学分析表明^［1］：AQP1的每个亚单位共跨膜6次，并在胞内外形成5个襻（A、B、C、D、E）。A、C、E襻位于胞外，B、D襻及氨基和羧基末端位于胞内。A襻上第45残基构成人类Colton血型抗原的多态性。Co^a和Co^b抗原分别相应于丙氨酸和缬氨酸。而罕见的无Colton血型抗原的表型是由于AQP1基因的断裂所致。B和E襻显著疏水，均含有天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸（Asn-Pro-Ala, nPA）的串联重复序列，NPA是MIP家族的特征性序列。同MIP家族许多成员一样AQP1单体分子前后两部分序列上相似，且两段相似序列分别位于细胞膜的两面，以一种对称的相对形式存在。

天然AQP1单体分子的第73个氨基酸是丙氨酸（A73），第189个氨基酸为半胱氨酸（C189），用其他氨基酸代替A73或C189均会导致水转运和/或膜穿梭的障碍，提示A73与C189对水分子孔道的构成极为重要，或者是对蛋白折叠或穿梭至关重要的残基。值得注意的是，第73和189残基在每个襻上均位于NPA特征序列之前两个残基位置处，附近其他残基的突变仅导致非功能性重组^［2］。进一步证明了B和E襻与水的运输关系密切。

结合光谱学研究和电子晶体照相术的方法，推测AQP1单体分子的三维结构为“沙漏”模式^［1］：分别位于细胞内和细胞外的疏水B襻和E襻向膜脂质双分子层中打折，两个NPA在折叠中形成一个单水孔道，直径约为0.3nm，大小为一个单水分子。A73与C189位于孔道内的侧方。每一个单体在功能上都可以作为一个独立水通道。AQP1可以在两个方向上转运水，这与AQP1的功能基团跨膜对称性布局结构特征相一致。

Mathai等设计了一系列分子量均为55kD、由野生型AQP1单体或突变型亚单位（A73M或C189M）形成不同组合的二聚体多肽，以此来研究沙漏结构区域对邻近亚单位是否存在某些功能依赖性^［3］。结果发现，在卵母细胞和酵母分泌性囊中，AQP1-AQP1在渗透作用下对水呈现高度的通透性，而 AQP1-C189M的活性只有它的一半。由A73M形成的二聚体多肽无功能或根本就不表达。结合速率沉降法的结果推测，沙漏孔道形成区并不是亚单位之间的连接点，但B襻的结构对正常四聚体的聚合却是很重要的。

二、AQP1对水的特异性

整个MIP家族中，有着高度保守的结构特征。对MIP家族的功能选择性而言，已知的特征有：（1）对水和甘油选择性的差异；（2）不通透离子。

水通道对水的选择性一直被认为是一种简单的分子大小排斥效应，这种简单的解释遇到了诸多困难。首先，对甘油特异通道的存在提示了一种不同的选择性机制。此通道对水的通透性低于水通道。水通道和甘油易化子（facilitator）序列上唯一明显的差异在第二个NPA基序（motif）上，大部分水通道为NPARS，而甘油通道为NPARD。此外，Froger等实验还证明^［4］，将水通道单体分子第6螺旋上高度保守的两个残基酪氨酸和色氨酸分别用脯氨酸和亮氨酸代替，水通道对水的选择性变为了选择性通透甘油。其次，质子很容易沿水分子链传导，但Zeidel等1994年在pH迁移实验（pH shift experiment）中却未发现质子沿AQP1传导。AQP1和MIP家族的许多其它成员在胞质面有高浓度的正电荷，而胞膜外表面则有高浓度的负电荷。可能这种通道入口处的高电荷形成了高度有效的静电过滤器而阻止了离子的通过。

人们一直认为，象CO₂这样的气体通过溶解在膜脂中完成跨膜运输。尚未证实通道或孔道在气体的跨膜运输中有任何作用，但Nakhoul等实验证明，在有碳酸酐酶（CA）存在的条件下，AQP1可明显提高爪蟾卵母细胞膜对CO2的通透性。可能的解释是：（1）AQP1改变了膜脂质的构成，从而影响了CO₂的溶解度；（2）AQP1造成了天然气体分子通道的过量表达；(3)和/或AQP1本身就允许CO₂分子的穿越。如果AQP1可介导CO₂跨膜转运的话，是否有特殊的数量意义尚不清楚。

三、AQP1的功能及分布

aQP1在身体的多种组织中有表达：如肾脏近曲小管和髓袢降支细段上皮细胞的顶质膜以及基侧质膜，还有降直小管的无孔内皮细胞，介导水的重吸收；脑脉络丛上皮细胞顶质膜，可能与脑脊液生成有关；眼前房的一些结构，如巩膜成纤维细胞、覆盖在小梁网与巩膜静脉窦表面的内皮细胞，睫状体非色素上皮、晶状体上皮、角膜内皮的顶质膜和基侧质膜，可能影响房水的循环；内耳的血管纹、内淋巴囊、前庭膜、前庭及柯替氏器，可能参与内耳的淋巴循环^［5］。肝胆管上皮的顶质膜和基侧质膜以及胆囊颈的内壁，可能对胆汁的分泌与浓缩起重要作用；汗腺上皮；支气管和肺泡上皮、鼻咽部血管内皮细胞的顶部和基侧以及成纤维细胞，可能参与跨越肺泡壁的水转运、呼吸道表面液体的分泌、空气的湿润和鼻咽部分泌物的产生等多个生理过程；身体许多部位的无孔毛细血管和小静脉的内皮，存在于淋巴管和粘膜下毛细血管中的AQP1可能促进吸收的水迅速进入淋巴和血管床；在收缩型动脉血管平滑肌AQP1也有高表达，而在其他组织的平滑肌中表达量很少，说明它在血管组织中可能有某种特殊的功能，AQP1已成为收缩型血管平滑肌细胞新的基因标志之一；AQP1亦存在于男性生殖道和女性子宫组织中。

转基因动物实验证明^［6，7］，小鼠AQP1的缺陷，会导致肾脏近曲小管上皮细胞对水通透性的下降及液体重吸收障碍。并且AQP1基因敲除的小鼠不能通过逆流倍增原理在肾髓间质形成高渗状态，AQP1对浓缩尿液的形成必不可少。但在人类令人惊讶的是已发现的3个AQP1完全缺如的个体中未表现明显血液学、肾脏、眼、呼吸、消化、生殖及神经系统的症状。最近有人用免疫荧光的方法证实了在正常的和Colton-non表型（AQP1缺如）的红细胞膜上有AQP3的表达。AQP3除转运水外，它还转运尿素和甘油，是相对非选择性的水通道，进一步药理学研究还表明，Colton-non表型的红细胞对水及甘油转运的抑制剂仍然很敏感。因此，有可能是AQP3介导了大部分跨红细胞膜的甘油转运，并在AQP1缺乏的红细胞中完成部分的水转运。除此以外，是否有其他AQPs或机制补偿了AQP1的功能有待进一步研究。

四、AQP1活性的调节

（一)汞调节汞离子和有机汞可通过与AQP1单体上C189结合而阻塞或破坏水通道，引起水通透下降。有人在腹膜透析的大鼠身上观察到由HgCl₂所造成AQP1水转运抑制。

（二)激素的调节从胚胎晚期经青春期直至成年期，在雄性大鼠和狨猴输精管上皮细胞顶质膜刷状缘和狨猴的睾丸网上皮细胞上均有广泛表达。分别给新生儿期大鼠服用GnRH拮抗剂（GnRHa）和己烯雌酚，前者AQP1的表达无明显变化，仅输精管体积变小，而后者AQP1的表达却明显抑制，液体的重吸收减少，输精管和睾丸网明显肿胀，输精管上皮细胞呈立方形而非柱状，高度明显低于各年龄阶段的对照组。实验说