【技术·交流】水甘油通道 3 介导的甘油运输与皮肤功能
2017.11.23
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水是生命之源, 是维持生命最为重要的物质之一, 对于具有保护作用的皮肤而言保持适当水分对功能发挥具有十分重要的意义。
1988年,水通道(aquaporins,AQPs)的发现及随后广泛的研究使人们对细胞内外水的交换有了深入理解,至今已发现200种以上的水通道,其中人类就含有13种,分别命名为AQP0～12。
大部分水通道严格选择运输水分子,但个别水通道还可运输甘油、尿素等小分子物质,如人类的AQP3、7、9、和10四个亚型，为了区别，这些特殊类型被命名为水甘油通道(aquaglyceroporins)。
早期水通道研究主要集中在它们介导水分子运输的重要性,未考虑运输其他物质的生理功能。
2002年开始,科学家发现水甘油通道介导的甘油运输对机体也具有十分重要的意义, 如AQP3与皮肤干燥有关、AQP7与肥胖发生密切等,这使科学家开始关注水通道的新功能,其中AQP3介导的甘油运输在皮肤功能方面的作用是一个重要研究方向 。
本文从基本特征、功能、应用及展望四个方面对AQP3进行综述。
AQP3最早于1994年使用PCR方法从大鼠肾脏中克隆成功,根据发现先后顺序命名,1995年和2000年又分别从人和小鼠中克隆成功。
AQP3分布广泛,包括肾脏、肝脏、消化道、未成熟树突细胞和表皮角质细胞等,因此推测AQP3具有多种生理功能,如水的重吸收、黏液分泌、过敏性疾病和细胞体积调节等,但由于研究方法的限制一直未取得较大进展。
2000年,AQP3基因敲除小鼠的制备成功大大推动该方面的研究,随后几年中对AQP3功能有了全面认识,尤其是介导的甘油运输对皮肤功能具有十分重要的生理意义。
AQP3基因定位于第9号染色体(9p13),其蛋白质由292个氨基酸残基组成,AQP3 一级结构非常保守,人与大鼠AQP3之间拥有91 %氨基酸同源,而与小鼠更是高达95%，这个事实说明小鼠模型方面的相关研究结论在人类方面也基本符合。
角质层是皮肤的最表层,它的水化作用对于皮肤外观和生理都具有十分重要的意义。
角质层水化作用由几种因素决定,如周围环境湿度、皮肤结构、脂肪和蛋白质含量、屏障特性以及一些具有保湿效应的物质等,角质细胞对这些因素的反应起决定作用。
AQP3是皮肤中表达最多的水通道,使用RT-PCR方法发现A Q P3在人表皮角质细胞和角质层中含量都最为丰富,这意味着其与皮肤功能密切相关 。
对AQP3基因敲除的无毛小鼠表型观察发现,该小鼠发育基本正常,仅仅由于肾小管对尿液浓缩机制受损而出现多尿表现,与此同时还发现该类型小鼠表皮相对于正常小鼠对水通透性下降4倍,对甘油通透性下降2倍。
此外还发现AQ P3基因敲除小鼠的表皮、真皮及角质层在厚度和形态上都没有发生明显变化, 只是角质细胞含水量显著降低,并且这种状况在小鼠出生3d后就明显表现。
当将AQP3基因敲除小鼠与对照小鼠均暴露于干燥环境24h后,基因敲除小鼠水损失数量明显高于正常小鼠,并且失水最严重部位主要集中在角质细胞。
这一系列结果说明AQP3对角质细胞的水保持具有十分重要的意义。
随后研究发现,AQP3功能缺失造成的皮肤水化能力下降可使小鼠皮肤弹性降低大约50%,而皮肤伤口愈合时间则延长2倍。
对AQP3基因敲除小鼠体内甘油浓度检测发现真皮和血液中甘油含量没有发生明显改变,但表皮和角质细胞中甘油却明显降低,这说明AQP3基因缺陷在破坏水分子运输同时减少的甘油运输可能对皮肤水化作用也有重要影响。
为了澄清AQP3缺失造成的皮肤水化作用减弱究竟是水还是甘油运输损伤引起,研究人员进行了深入研究,结果表明,AQP3缺陷小鼠局部注射一定量的甘油后角质细胞含水量可恢复正常,而注射甘油类似物如木糖醇、丙二醇等则无效, 这清晰表明甘油损失是影响皮肤水化作用的直接因素。
实验还发现AQP3缺陷造成了角质细胞从血液中吸收甘油的能力下降而减慢了脂肪和相关物质的合成,从而造成细胞对水保持能力降低,出现皮肤干燥和弹性下降的现象。
这一系列实验结果为AQP3介导的甘油运输在小鼠皮肤保水作用的意义提供了可靠的证据。
人皮肤角质细胞水化作用与皮脂生成量和甘油的含量都明显相关,其中甘油来源是关键性因素。皮肤角质细胞中甘油有两个主要来源,一是脂肪腺分泌,一是从血液中摄取。
研究发现脂肪腺供应的甘油是一个重要因素,而人类皮肤细胞中也存在多种水通道,其中AQP3和AQP10是最重要的水甘油通道,并且也发现AQ P3 介导的甘油运输对细胞内甘油含量具有十分重要的意义。
只有当AQP3从循环的甘油中获得一定数量时才可以保持皮肤的水化作用,从而表明人类皮肤细胞也必需保持一定量甘油才有利于皮肤功能的完善。
AQP3介导的甘油运输还与伤口愈合有密切联系。
对AQP3基因敲除小鼠观察发现皮肤伤口愈合能力明显减弱(正常小鼠伤口5d可愈合80%,而敲除小鼠只有50%),这是因为AQP3功能缺失破坏了表皮细胞的增殖和迁移,随后发现AQP3 介导的甘油运输参与了表皮细胞增殖,而水运输则促进表皮细胞迁移,二种物质协同运输保证了损伤伤口的更好愈合。
AQP3基因敲除小鼠口服甘油可明显促进伤口愈合证明了其介导甘油运输的重要性,但这种作用与人类伤口愈合是否相关尚不清晰。
AQP3介导的甘油运输与细胞增殖相关也预示着它可能与皮肤癌发生相关。
对AQP3基因敲除小鼠使用多种肿瘤起始因子如佛波酯进行处理,尽管和正常小鼠相似最终也产生皮肤癌,但细胞增殖能力显著减弱,当对缺陷小鼠进行口服甘油处理后,癌细胞增殖能力得到加强。
这意味着AQP3介导的甘油运输在增加皮肤癌恶化程度方面有重要影响 。
对AQP3缺陷的人类和小鼠角质细胞培养观察发现,它们表现出更多的分化潜能,相反AQP3的表达量则与细胞增殖能力成正相关,进一步说明AQP3过多可造成皮肤癌的发生。
链甾醇症(Desmosterolosis)是一种较为少见的常染色体隐性遗传病。
由于3β-羟基胆固醇-δ24还原酶(3beta-hydroxysterol-delta24 reductase ,DHCR24)基因缺陷引起,DHCR24可催化24-脱氢胆固醇(链甾醇)最终转化为胆固醇,因此患者体内胆固醇降低而链甾醇增加,会伴发严重的发育缺陷如面部异常和四肢畸形等。
对DHCR24缺陷小鼠观察发现,其皮肤僵化,弯曲能力遭到破坏,因此小鼠运动和进食能力下降,出生后不久死亡。
而进一步研究发现DHCR24缺陷小鼠表皮层AQP3表达却明显增加,因此甘油摄入显著增加,引起甘油和水含量升高,这可能是造成小鼠皮肤出现过度拉紧、无皱褶的一个重要原因。
AQP3介导的甘油运输在皮肤水化作用、伤口愈合、肿瘤发生中的多重功能为其临床应用带来了光明前景,可通过改善甘油运输来实现皮肤护理和皮肤相关疾病的治疗。
针对AQP3介导甘油运输的临床应用可通过两个方面实现。
一是直接应用甘油,通过对AQP3基因敲除小鼠口服甘油而使相关缺陷得到缓解,类似使用外敷或口服甘油的方法来达到护肤作用,如利用甘油增加皮肤水化作用对冬天由于干燥或寒冷造成的皮肤干燥病有重要益处。
另一种应用是通过调节AQP3表达来实现,已鉴定多种物质可影响AQP3的活性。
全反式视黄酸(all-trans retinoic acid ,atRA)是一种重要的AQP3表达促进剂,使用atRA对培养的人角质细胞进行处理,可明显增加AQP3的mRNA含量, 从而使角质细胞甘油摄入量明显增多,这意味着使用atRA可发挥皮肤保护作用。
紫外线辐射可造成皮肤衰老,这部分是由于皮肤脱水所致,而研究发现紫外线可下调人皮肤角质细胞AQP3表达,造成甘油吸收减少而引发皮肤水化能力下降, 使用atRA 诱导处理,AQP3的表达则减弱了紫外线损伤。
当然,在使用atRA过程中也应防止其诱导AQP3表达过多而造成的副作用, 经表皮水分丢失(trans-epidermal water loss,TEWL)是常见的一种,因此应用atRA的同时还应辅助一些可延迟atRA过度活性的药物。
研究发现烟酰胺可实现这种作用,因此联合应用两种药物可实现针对特定皮肤疾病的更好治疗。
此外还有多种物质参与了AQP3的表达调节及翻译后运输,如镁离子可促进 AQP3,这是因为：
在AQP3启动子上游存在两个镁离子激活区域,镁离子通过活化cAMP反应元件结合蛋白(cAM Presponse element-bindingprotein,CREB)而实现促进AQP3表达的效果；
胰岛素是AQP3的抑制剂,其通过调节转录因子Foxa2 (forkhead boxa2)而抑制AQP3的转录；
肾上腺素可促进AQP3翻译后的细胞膜定位,磷脂酶C和蛋白激酶C则介导了该过程。
如此众多的AQP3表达调节物质的存在为实际应用提供了多重选择。
AQP3的临床应用除了上面提及的以外,还有望在减少环境污染对皮肤损伤方面有重要应用。
铜对AQP3介导的水和甘油运输都存在抑制效应,而铜、镍、锰和钴等重金属都可抑制AQP3的基因表达,从而破坏表皮生长因子诱导的皮肤纤维原细胞转移,进而造成损伤皮肤愈合能力下降。
针对这种状况,可利用补充适当甘油或应用atRA来减少重金属引发的皮肤损伤,但其他环境污染物引发的皮肤损伤是否涉及AQP3功能下降尚待深入研究。
AQP3介导的甘油运输使人们对水通道生理功能深入理解的同时,也为更广泛的临床应用奠定了基础。从当前动物实验结果看,AQP3可望成为多种相关皮肤疾病治疗的靶点。
当然关于AQP3尚有多种问题需要解决,大部分研究针对的是A Q P3 表达调节,而在蛋白水平研究较少,一个重要原因是至今还未获得AQP3的空间结构, 此外AQP3表达调节的详细分子机制也待阐明。
AQP3研究的另一项内容是与人类疾病的联系,考虑到当前研究大部分针对动物模型,人类临床研究较少,如是否存在AQP3突变的人类疾病,部分皮肤病是否与 AQP3多态性有关,这些研究结果在将来的临床诊断和治疗方面有重要应用。
总之, AQP3的甘油与水双重运输作用及在皮肤方面的重要生理功能使其在基础和应用方面都具有重要意义。
皮肤保健和皮肤相关疾病如皮肤干燥、伤口愈合缓慢等的治疗也可能随研究的深入有一个重大突破 。
考虑到AQP3的表达上调与皮肤肿瘤之间存在某种关联,某些添加了促进表达上调与皮肤肿瘤之间存在某种关联,某些添加了促进AQP3表达或活性的化妆品及口服试剂的使用应慎重,以减少不良事件的发生。
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