水通道蛋白\\(Aquaporin,AQP\\)又叫水孔蛋白,它是存在于细胞膜上快速转运水的特异性孔道,已发现的水通道蛋白在哺乳动物体内有13个成员,分别命名为AQP0-AQP12。按照其对物质转运的专一性分为两个亚家族,一类为是经典的水通道蛋白,它们只允许水分子通过,另一类为水-甘油通道蛋白\\(Aquaglyceroporin\\),除对水分子通透外,对中性小分子如尿素、甘油等成分也具有通透性,主要有AQP3、AQP7和AQP9等。近年来国内外对水-甘油通道蛋白基因的研究多集中在人和鼠上的基因表达、组织分布、相关生理病理功能、甘油运输和脂肪代谢等方面,而对其遗传多样性及其与动物生长发育性状相关的研究较少。最新研究表明,水-甘油通道蛋白的表达与动物体内的脂肪沉积密切相关,本文对水-甘油通道蛋白基因的结构特点、在甘油运输和脂肪代谢中的重要作用以及基因遗传多态性与体脂性状相关性的研究进展进行综述,供同行参考。
1 水-甘油通道蛋白基因的结构特点
AQP3是第1个被发现的水-甘油通道,1994年最早从大鼠肾脏集合管中分离克隆出来的。人的AQP3基因定位于第9号染色体\\(9p13\\),是以一种单克隆形式存在,它包含6个外显子分布超过7kb大,编码蛋白质全长292个氨基酸。这6个外显子的大小分别为:171,127,138,119,218,1035bp,而且其内含子大小约:3530,300,350,330,90bp。AQP3的5’端区域有1个TATA盒,2个SP1序列,以及一些保守序列如包括AP2位点。现已测定其转录起始点位于第一个ATG密码子上游64bp处。牛的AQP3基因定位于第8号染色体上,长度为5956bp,编码292个氨基酸,含有一段37bp的5’UTR,879bp的CDS区和一段839bp的3’UTR\\(图1\\)。【图1.略】
AQP7最 早 是 从 人 类 脂 肪 组 织 中 克 隆 成 功,故AQP7又称为脂肪水通道。人的AQP7基因位于9号染色体p13区,编码342个氨基酸,包含有水通道蛋白家族中特有的高度保守的NPA元件,由8个外显子组成,基因组全长18kb。鼠的AQP7基因定位于4号染色体,基因组全长12kb。人的AQP7基因的氨基酸序列同小鼠、大鼠相比,相似率分别为68%和67%。牛的AQP7基因定位于第8号染色体上,长度为30875bp,编码330个氨基酸,含有一段265bp的5'UTR,993bp的CDS区和一段77bp的3'UTR\\(图2\\)。【图2.略】
AQP9是1997年Kuriyame等在进行人类脂肪组织基因序列系统分析过程中发现的,其分子结构以及对水的 通 透 性 与 其 他 的 水 通 道 蛋 白 类 似。人AQP9基因由6个外显子,5个内含子组成,大小约为25个kb。人AQP9基因外显子、内含子数目与AQP3、AQP7基因相同,但AQP9基因内含子的大小从1.5kb到10kb以上,比AQP3、AQP7基因的内含子大90至3500bp。外显子6含有一个终止密码和一个聚腺苷酸信号\\(AATAAA\\)。牛AQP9基因位于第10号染色体上,长度为48678bp,也包含6个外显子,编码295个氨基酸\\(图3\\)。【图3.略】
2 水-甘油通道蛋白在甘油运输和脂肪代谢中的重要作用
AQP3是研究最早的水-甘油通道蛋白。多年来,研究人员发现,在哺乳动物中AQP3在很多组织器官都有表达,在不同组织的表达部位和表达量都不相同。
AQP3在皮肤、肾脏、呼吸道和消化道上皮、膀胱上皮、内淋巴囊等组织中表达量较多,而在骨骼肌、眼、前列腺、子宫、胎盘上也有少量表达。
对AQP3在皮肤角质层细胞中的甘油运输作用研究的结果显示AQP3介导的甘油运输与皮肤水化作用有相。
Hara等研究发现敲除小鼠的AQP3引发其介导的水和甘油运输异常,引起小鼠皮肤的水化作用降低、弹性下降和屏障作用减弱,从而导致皮肤细胞内部的物质代谢异常。研究显示,AQP3可通过转运水和甘油,保证皮肤的水含量,来保持动物表皮的水化功能,这进一步证实了AQP3的甘油转运功能对机体的生理作用具有重要意义。
1997年,AQP7首先在人脂肪细胞中克隆成功,因此被称为脂肪水通道蛋白。
AQP7除在脂肪细胞中表达外,还可在胃肠道、骨骼肌、睾丸和肾脏等器官广泛表达,而且多种因素都可调节AQP7mRNA的表达。如在禁食、胰岛素缺乏等脂肪水解加速的情况下,糖异生作用加强,AQP7的表达上调,相反情况下,则AQP7表达下调,从而维持了血糖浓度的恒定。由此证实了AQP7与脂肪代谢的关系密切。
研究还发现,脂肪细胞中AQP7的数量与甘油的含量成正比,这也表明AQP7在甘油运输中起到重要的作用。
Maeda等研 究 发 现,脂 肪 细 胞 膜 上 的AQP7只选择性转运甘油而不运输脂肪酸,说明AQP7主要介导了甘油从脂肪细胞中的输出过程。
AQP7缺陷小鼠的脂肪细胞中AQP7功能异常导致甘油无法有效输出,一方面使糖异生受阻,另一方面由于甘油的积累,使脂肪生成增加,出现肥胖特征。
该研究进一步证实了AQP7在脂肪细胞中的甘油运输功能,以及与糖代谢的紧密联系。研究人员对肥胖者和体瘦者腹部皮下脂肪中AQP7的表达量进行分析,结果发现肥胖者的表达量比体瘦者的表达量明显要少,推测可能由于AQP7的功能障碍使得甘油释放量减少从而导致肥胖。这个初步结果说明,AQP7的表达差异,可能是导致肥胖发生的一个重要原因。由此可见,AQP7介导的甘油转运是连接脂肪代谢和糖代谢的关键所在,同时将甘油转运和肥胖的发生有机地结合起来,对全面解释人类肥胖的机制具有十分重要的意义\\(图4\\)。【图4.略】
Hibuse等研究发现心脏作为机体的重要脏器,不仅需要葡萄糖和脂肪酸提供能量,还需要甘油提供能量。他们在AQP7基因敲除的小鼠身上发现其心脏的甘油利用率比正常要低,而出现左心室肥厚的比例升高,这是因为AQP7表达缺失导致心肌细胞甘油释放受阻,甘油在心肌细胞内蓄积,导致心肌细胞肥大,同时心脏可利用的甘油却减少,导致心肌供能不足,这些因素都有可能导致心室肥厚的发生。最近的研究显示动脉粥样硬化与AQP7表达障碍也相关。脂肪细胞AQP7表达障碍会导致三酰甘油的蓄积,脂肪细胞出现功能障碍,进一步会激活ROS系统,促进炎症细胞释放炎症因子,同时引起血管内皮细胞迁移增多,血管内皮增厚,最终导致动脉粥样硬化的形成。
此外,肾脏中AQP7对于甘油的重吸收也具有重要意义,AQP7基因敲除后,甘油重吸收明显减少,说明在肾脏中,主要由AQP7来调节甘油的重吸收。研究发现,PPARγ,C/EBP和SREBP是存在AQP7基因启动子区的调控脂肪分化的转录因子,因此进一步确定了该水-甘油通道与脂肪分化、代谢有关。
AQP9是1997年Kuriyame等在进行人类脂肪组织基因序列系统分析过程中发现的,之后在白细胞、肝脏、睾丸、脾和脑等器官也有发现,在人体多种组织均有表达,其分子结构和对水的通透性与其他的水通道蛋白类似。而且观察到AQP9增强了脂肪细胞甘油通透能力,所以认为当脂肪分解在细胞膜之间形成甘油浓度梯度时,AQP9开始转运甘油。
另有研究显示,肝细胞表面甘油的摄入过程是由AQP9来完成的。脂肪细胞中脂肪动员产生的甘油由AQP7将其输送到血液,再由AQP9来完成甘油从血液到肝脏的摄取过程,从而作为糖异生的原料补充血糖。因此研究认为,AQP7和AQP9共同协调完 成 了 甘 油 从 脂 肪 细 胞 到 肝 脏 的 运 输 过 程。
AQP9的功能异常将影响糖异生而导致低血糖的出现,并且与胰岛素抵抗也密切相关。
3 水-甘油通道蛋白基因遗传多态性与体脂性状相关性研究
水-甘油通道蛋白基因在各项生理功能尤其在甘油转运和脂肪形成过程中起着至关重要的作用,对其进行遗传多态性与体脂性状相关的研究无疑是非常有意义的。
目前,对AQP7基因的研究主要集中在人与鼠上。对猪、牛、羊等家畜的相关研究不多,2007年Prudente等通 过 对977个 高 加 索 白 种 人 的AQP7基因的研究发现,其启动子区域存在一个碱基突变,使得突变型基因的转录活性降低,从而表明AQP7基因的下调会导致肥胖的发生。王丽霞等研究了猪的AQP7基因的多态性及其在组织的表达,结果显示:在AQP7基因内含子上检测到6个SNPs,而且在肝脏中表达最高,可见甘油三酸酯形成过程中AQP7基因起着非常重要的作用。刘继丰等对西门塔尔和夏洛来牛AQP7基因遗传多态性进行研究,在第2外显子、第3外显子上发现2个SNPs,且都与一些精液品质指数有显着相关,可以作为提高种公牛精液品质和数量与的候选基因。
2008年,王丽霞等对大白、长白、梅山以及大梅F2代资源家系猪的AQP7基因多态性与其脂肪沉积性状相关性进行研究,发现猪AQP7基因第4内含子序列存在G/A的突变。进行突变位点与性状相关性分析,发现该位点与背膘厚、瘦肥比率和内脂率等脂肪沉积性状显着相关\\(P<0.05\\),进而为瘦肉型猪的标记辅助选择提供了的理论依据。以上的数据说明,AQP7基因的多态性与动物体内的脂肪代谢和沉积有关的,这可能是因为该突变与AQP7表达的调控有关,从而影响机体内脂肪的正常代谢过程。
结合国内外研究进展,尽管在维持个体生理系统正常发育及介导体内甘油转运等相关内容上对AQP3、9基因的研究较多,但现阶段对AQP3、9基因多态性以及与体脂性状相关性研究的研究报道仍较为罕见,有待于进一步的研究。
4 展望
随着分子生物学及基因工程技术的迅速发展,AQPs基因在机体中组织器官的特异性分布情况及在蛋白分子生物学遗传、结构方面的研究也日渐深入,已成为众多学者关注的焦点,在临床也有了较广泛的应用。水-甘油通道蛋白参与体内甘油的转运,与脂肪代谢、脂类在组织中的沉积有很大关系。
已有资料显示AQP7基因的多态性与猪脂肪沉积性状的关系,发现该基因对猪的生长发育具有显着的影响,是一个较理想的标记位点。因此,对水-甘油通道蛋白的研究将有助于阐明畜禽生长性状、肉质性状的分子机制,对提高动物生产性能和维护动物机体健康等都具有很高的应用价值和现实意义,也有助于为标记辅助选择\\(MAS\\)奠定坚实的基础。
