水通道蛋白（aquaporins, AQPs）是一类广泛存在于原核及真核生物细胞膜上、选择性高效转运水分子的特异孔道，对机体的水平衡和细胞微环境的稳定发挥关键作用。AQP4是存在于大脑的主要水通道蛋白之一，AQP4表达于血管周围星型胶质细胞足突、血管内皮细胞、室管膜细胞、软脑膜等水转运活跃的血－脑，脑－脑脊液界膜面。转基因缺乏AQP4老鼠提示AQP4在维持脑水平衡、神经功能和细胞信号传导、星形胶质细胞移动起重要作用，而研究表明AQP4的表达受蛋白磷酸化，蛋白间相互作用，缺氧等因素的影响，在很多疾病如颅脑损伤，脑中风，感染，代谢功能障碍等，脑微血管破裂导致脑水肿，然而大脑水平衡的分子机制研究还很缺乏。因此，进一步研究AQP4的调节机制对这些临床疾病引起的脑水肿具有重要意义。

1  AQP4的分布

原位杂交显示AQP4 mRNA在侧脑室及导水管的室管膜细胞、脉络丛上皮、软脑膜、下丘脑、视上核、海马齿状回和小脑浦肯野细胞均有明显表达，免疫组化发现，AQP4蛋白主要在星型胶质细胞和室管膜细胞内表达，尤其在与毛细血管和软脑膜直接接触的胶质细胞上及血管周表达丰富。Nielsen经免疫细胞化学及高分辨率免疫金光镜也证实AQP4在水转运活跃的血-脑，脑-脑脊液介膜面胶质膜区分布呈极性化，对于星形胶质细胞，特别是靠近蛛网膜下腔、位于血管周围的星形胶质细胞表面和星形胶质细胞的终足紧密包绕毛细血管壁形成的一层胶质界膜上表达显示可能由于此界膜构成血脑屏障的第二道隔膜，在胶质细胞和充满脑脊液的间隙中以及血管之间起调节水运输的作用；也有研究表明，AQP4mRNA的表达与血脑屏障的完整性密切相关 ，KeC等发现血脑屏障破坏的灶性脑损伤诱导的脑水肿AQP4mRNA表达水平下降，而血脑屏障完整的弥漫性脑损伤诱导细胞毒性脑水肿AQP4mRNA表达并无明显改变。脑表面的软脑膜、脑室系统周围的室管膜细胞、脉络丛上皮细胞上也有AQP4表达，与脑脊液重吸收部位一致，脑脊液可能通过这些组织细胞的上的AQP4被重吸收。AQP4在大脑渗透压区域的表达，AQP4可能参与调节血浆的胶体渗透压和控制抗利尿激素的分泌，视上核和室旁核核团的神经大分泌细胞的牵张敏感性离子通道对细胞膨胀等容量变化十分敏感，渗透压改变百分之一即可发生反应，通过合成和释放抗利尿激素（AVP）调节肾脏水的排泄，推测AQP4可能是渗透压感受器或受体，通过加强对微小渗透压变化产生迅速而敏感的细胞容量改变，而在下丘脑调节渗透压。Yoneda等的实验也发现AQP4mRNA在大鼠星型胶质细胞内有表达，而在神经元、少突胶质细胞、小胶质细胞和脑膜成纤维细胞内均未见表达。

2 AQP4的功能

2.1  AQP4与脑水肿

　　研究表明，AQP4与脑水肿密切关，在细胞性脑水肿模型中，大鼠缺血性脑水肿模型发现缺血可以上调脑内AQP4蛋白的表达，在缺血周边区表达量高于缺血中心区。表达上调持续7天，其中在缺血后第3天达高峰。这与脑水肿的发生、进展和消退在时间上基本一致，提示缺血周边区高表达的AQP4在脑水肿的发展过程中起重要作用。在创伤性脑损伤模型中也发现AQP4在创伤部位的上调表达。

Manley等用AQP4缺乏鼠和野生型鼠研究两种不同的脑水肿模型—急性水中毒和缺血性脑中风模型脑肿胀程度时发现，急性水中毒模型中，缺乏AQP4的鼠脑组织的含水量和毛细血管周围星形胶质细胞足突肿胀程度与野生型鼠明显减轻。而在大鼠MCAO局灶性脑缺血模型中，AQP4缺乏组神经功能的恢复较快。用24小时肿胀大脑半球含水量代表脑水肿程度，比较发现AQP4缺乏鼠脑水肿程度下降35％。Verkman等对水通道蛋白基因敲除（knockout）鼠的研究发现，在脑中清除AQP4可以使由急性水中毒或缺血中风引起的脑肿胀明显减轻。而AQP4缺乏对脑肿瘤等引起血管源性水肿却有相反的作用，即增加脑水肿，对于血管源性脑水肿，AQP4缺乏鼠脑含水量增加，临床症状更严重，颅内压更高。在积水性脑水肿，Bloch等在用给大鼠注射高岭土的阻塞性积水性脑水肿模型中发现，缺乏AQP4的大鼠与野生型大鼠相比，脑室扩大明显。另有研究表明，RNA干预用来减少培养的星型胶质细胞的AQP4表达，可导致细胞对水的通透性减少50%，延迟细胞水肿时间，并能改变细胞的形态和抑制细胞生长，以上研究结果说明AQP4参与的跨细胞水转运不但参与急性水中毒和缺血性损伤后脑水肿的形成，也参与血管源性脑水肿的液体清除。清除AQP4除了对鼠的尿液浓缩功能轻度影响外，对鼠的生长、存活、发育和神经肌肉功能几乎没有影响。故抑制AQP4可能对脑水肿的治疗提供新的方案。

2.2  AQP4与神经功能

经AQP4水运输对正常神经功能也非常重要，颠痫发作很大原因取决于细胞和细胞外间隙相对容积，在低张环境下，细胞外间隙缩小，颠痫样活动增加，而高渗环境下活动减弱，而细胞的膨胀程度对细胞外间隙大小的重要影响因素，而Binder研究发现在AQP4缺乏鼠比野生型老鼠颠痫易感性增加，持续时间也更长，最近研究表明，在体外培养的AQP4敲除的胶质细胞中也发现容量调节性阴离子通道如CL^－通道等功能下降，谷氨酸摄取和谷氨酸运载体的表达也下降，因此推测AQP4介导的水运输可调节内在的脑电活动参与脑内细胞信号传导。

2.3  AQP4与星形胶质细胞移动

有研究表明，AQP4还参与神经胶质细胞的移动（migration），并在这过程中改变细胞形态，Saadoun等发现在体外培养的星型胶质细胞中试验发现，用加样器在培养瓶做一道刮痕使培养的单细胞层受到损伤，可发现取自AQP4缺乏鼠的胶质细胞损伤恢复的比取自野生鼠的慢，这结果可能是由于经过AQP4跨膜水流动产生动力而加速星形胶质细胞移动。

3  影响脑内AQP4表达的因素

3.1  AQP4与α-syntrophin

AQP4与α-syntrophin相藕连，在α-syntrophin缺乏鼠，星型胶质细胞足突上的AQP4相应减少，但内皮细胞上的AQP4并未出现改变。在去除α-syntrophin 鼠中，血管周围和软脑膜下星型胶质细胞足突在基础状态下是膨胀的，意味着脑代谢产生的水的清除减少，在短暂性脑缺血，缺乏α-syntrophin鼠脑水肿程度减轻，因此，调节a-syntrophin可影响AQP4定位及表达而影响血－脑界面的水的通透透性，a-syntrophin敲除的小鼠模型暂时阻断中脑动脉诱导脑缺血，诱导脑水肿的产生，但大脑水肿的程度比野生型显著减少，另有研究表明，在急性水中毒模型中，野生鼠神经30分种后发生损坏，而缺乏α-syntrophin鼠脑神经发生损坏延迟至50分钟。

3.2  AQP4与重金属

由于AQP4在已知的第189位氨基酸残基汞结位点上缺乏半胱氨酸，对汞的水通透抑制作用不敏感，因而AQP4属于汞不敏感性水通道蛋白（Mercurial－insensitive water channel, MIWC）。但有研究表明，另一种重金属，铅能增加AQP4对水的通透性，因急性铅中毒也与脑水肿相关，所以这研究结果有很重要的临床意义。

3.3  AQP4与亚型

AQP4有3个mRNA亚型，由N端外显子的差异所决定，它们分别是AQP4MI、AQP4M23和AQP4 M23X。AQP4M1编码的蛋白为M1，AQP4M23X于AQP4M23出现一段不编码的核苷酸序列，AQP4M23X主要分布于大脑，而AQP4M23在肾脏和肺等的脑外组织分布较多，两者编码的蛋白都为M23。M1比M23在N端多22个氨基酸。AQP4参与形成膜正交排列阵结构的组成，冻碎电子显微图（freeze-fracture electron micrographs, FFEM）显示星型胶质细胞足突的膜上有许多有规则的立方体柱状结构（square array）的颗粒形成特殊的图形称为细胞膜立方体颗粒（orthogonally arrays of particle, OAP）的构成，调节血脑屏障对水分子和离子（主要是K离子）的的通透以及调节细胞外间隙的大小。最近显示AQP4亚型M1和M23的相互作用调节OAP的大小，M23形成四聚体较M1四聚体形成的颗粒内的膜内间隙更大，而M23与M1杂合四聚体立方体颗粒大小介于两者之间，因此，影响AQP4翻译起始点的因素既可调节OAP大小而调节细胞的水通透性。

3.4  AQP4与蛋白磷酸化

已经可以确定蛋白磷酸化可以影响AQP4的水通透性，AQP4分子序列分析显示有PKA，PKC作用磷酸化的潜在位点（图1），即在某些因素作用下，腺昔酸环化酶被激活，使细胞内CAMP增加，进而活化PKA，使PKA催化水通道蛋白上的丝氨酸磷酸化，从而增加膜对水的通透性。AQP4在磷酸化状态时，膜对水的转运远大于非磷酸化状态，AQP4的磷酸化提示体内存在短时调节膜水通透性的生理机制。PKC是AQP4表达的调节者。用PKC的激活剂佛波醇二磷酸钠（phorbol ester）作用于AQP4，发现佛波醇二磷酸钠可催化AQP4蛋白磷酸化而调节AQP4活性，并认为AQP4通过水的快通道运输在脑水肿的形成中起重要作用，相反，PKC的抑制剂可抑制AQP4磷酸化，最近研究说明凝血素（Thrombin）可能通过PKC途径而影响AQP4表达而参与影响脑水肿进展。

3.5  AQP4与AVP

有研究表明脑内细胞AQP4效能可被精氨酸加压素（AVP）激活，AVP能激活两类受体V1和V2，V1受体可激活PLC，而V2受体能激活AC，进一步分别激活PKC和PKA而影响AQP4对水的通透性，推测脑水肿通过改变细胞外液渗透压和容量而影响AVP的释放，进一步影响AQP4的表达。

3.6  AQP4与缺氧

Yamamoto等观察到，在缺氧情况下，体外培养的胶质细胞界膜上的AQP4表达呈短暂下降，给氧后AQP4回到基础水平，并发现AQP4表达受转录因子激活蛋白-1（AP-1）的调节，提示脑缺血、缺氧引起的颅内水肿与AQP4密切相关。

　　　　图1：磷酸化潜在位点 PKA（ser¹¹¹ ）  PKC（ser¹⁸⁰ ）

4  结语及展望

AQP4在脑组织内含量丰富，不仅参与脑组织水代谢的生理和病理过程，而且可能调节脑脊液的形成及细胞外液容积的变化。目前对AQP4与脑水肿的关系的研究主要集中在其表达与脑水肿的发生发展方面，已发现在AQP4的表达和脑水肿的程度之间存在显著的相关性，但AQP4的明确调节因素尚在研究之中，因此，对AQP4及其家族成员的分布、表达和调控机理进行深入探讨，探讨针对调控AQP4的药物或其他手段将可能成为治疗脑水肿的新的突破，对阐明许多神经系统疾病的发生机理和提供临床治疗药物等均具有重要意义。