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不了解皮肤的生物学家不是好的化妆品工程师，今天我们就来了解一下表皮基层中的水通道蛋白。长期以来对于水的运输方式研究者普遍认为主要有两种：即简单的扩散方式和借助离子通道通过磷脂双分子层。但是若水分子以简单渗透扩散方式通过细胞膜，扩散速度非常缓慢，事实上，水分子跨越细胞膜的快速运输是通过细胞膜上的一种水通道蛋白（Aquaporin，AQP）实现的。

在19世纪中叶，人们就设想生物器官的表面存在传输水和小分子水的通道。20世纪50年代后期到80年代中期，一些对红细胞进行研究的学者提出在血红细胞膜上可能存在有可以传输水分的蛋白。直到1988年，美国科学家彼得·阿格雷（Peter Agre）研究组在分离纯化红细胞膜上的Rh多肽时，发现了一个28 kD的疏水性跨膜蛋白，称为形成通道的整合膜蛋白28(channel-forming integral membrane protein，CHIP28) ，1991年完成了其cDNA克隆(Verkman，2003)。

但当时并不知道该蛋白的功能，在进行功能鉴定时，将体外转录合成的CHIP28 mDNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，发现在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，并于5 min内破裂。为进一步确定其功能，又将其构于蛋白磷脂体内，通过活化能及渗透系数的测定及后来的抑制剂敏感性等研究，证实其为们寻找已久的水通道。从此确定了细胞膜上存在转运水的特异性通道蛋白，并称CHIP28为Aquaporinl(AQPl)。

由于水通道蛋白的发现和鉴定上的重要贡献，Peter Agre与在钾离子通道蛋白结构和机理研究上作出开创性贡献的罗德里克·麦金农（Roderick MacKinnon）共享了2003年诺贝尔化学奖。

图左为Peter Agre，图右为Roderick MacKinnon

水通道蛋白（Aquaporin），又名水孔蛋白，是一种位于细胞膜上的蛋白质（内在膜蛋白）有着“细胞的水泵”的称号，它们在细胞膜上组成“孔道”，可控制水在细胞的进出。

在哺乳动物中，水通道蛋白大量存在于肾脏、血细胞和眼睛等器官中，对体液渗透、泌尿等生理过程非常重要。在植物中，水通道蛋白直接参与根部水分吸收及整个植物的水平衡。

水通道蛋白结构图

蛋白质的功能是通过其结构实现的，要解决功能机理问题，首先要解决它的结构问题。据水通道蛋白的投影密集图显示，在双磷脂膜中，四个AQP1分子形成一个四聚体，每个水通道蛋白分子中心存在一个只允许水分子通过的通道管。水分子经过Aquaporin时会形成单一纵列，进入弯曲狭窄的通道内，内部的偶极力与极性会帮助水分子旋转，以适当角度穿越狭窄的通道，这就是水分子通过水通道蛋白的原理。

水通道蛋白投影密集图

水通道蛋白AQP1的立体空间结构于2000年被解出后，科学家得以解释水通道对水分子的高度选择性——水分子在通道上半与下半部具有相反方向的偶极矩，故可防止质子的通过，从而揭示了水通道蛋白（Aquaporin，AQP）均具有选择性的让水分子通过的特性。

1.通道管的尺寸限制了比水分子大的小分子的通过

将构成AQP1水通道限制口的氨基酸残基（H182，R197，F58，C191）与构成GlpF甘油通道限制口的氨基酸残基（G191，R206，F200）比较两者的侧链可知，AQP1水通道的限制口比GlpF甘油的小。

2.通道管的溶质结合位置分布使水分子得以顺利通过

当一个水分子要通过直径为2.8Å的水通道管狭口时它必须剥除其周围与之水合的水分子，而在狭口周围，极性的（H182,R197）残基以及（C191,G190,G192)主链上的羰基氧为其提供了可以形成氢键的替代组元,使这种去水合过程在能量上成为可行。通道管中分布了可结合水分子的亲水位点，使得水分子通过整个通道的能量大大降低，水分子可以顺利通过整个通道管。

3.通道管有限度的亲水环境阻碍水溶液中离子的通过

离子与水分子之间的水合作用比水分子之间大得多。AQP1水通道的通道管中，主要来自于两条松散氨基酸链条的水合水分子替代位置不足上述KcsA钾通道过滤管的一半，对于水分子通道管的狭口及大部分通道管部分而言，只脱去部分水合水分子的离子水合物尺寸太大，无法通过通道的2.8Å的狭窄口。

迄今发现，哺乳动物中有13种AQP亚型，分别命名为AQP0~12。AQP一般选择性运输水分子，但少数AQP还可运输甘油、尿素等小分子物质，如AQP3、AQP7、AQP9和 AQP10。AQP可增加细胞膜的水通透性，在机体水平衡和内环境维持中发挥重要作用。

皮肤中主要表达AQP3，AQP3含有279个氨基酸，相对分子质量约为29 ×103。人的AQP3基因定位于9p13，由6个外显子和5个内含子组成。AQP3在皮肤角质形成细胞(keratinocyte，KC) 、肾集合管上皮、呼吸道上皮细胞、结肠黏膜上皮及角膜上皮等均有表达，参与多种生理、病理过程，如皮肤水合、尿液浓缩、呼吸道表面液体平衡、肠道水吸收及角膜损伤愈合等，在肿瘤发病中也有重要作用。近年来有学者提出AQP3可增加细胞膜中过氧化氢，从而调节细胞内信号。

AQP3在皮肤中主要定位于表皮基底层和棘层，在角质层中完全消失。这种空间分布和皮肤含水量有关，基底层和棘层含水量为75%，而角质层为10%～15%。AQP3也存在于毛囊外毛根鞘、皮脂腺等皮肤附属器中。2006年Cao等发现，皮肤成纤维细胞也表达AQP3。体内循环中的水分和甘油可通过AQP3到达表皮，维持皮肤的形态和功能。

1.皮肤水合、屏障功能及创伤愈合

将AQP3基因敲除的小鼠，皮肤导电性类似于暴露于10%湿度下的野生型小鼠，皮肤含水量和弹性显著降低； 表皮受损后，对照组5d后创伤面愈合约80%，而实验组约为50％，创伤愈合功能明显受损； 胶带剥离后渗透屏障功能修复时间显著增加，且选择性甘油水平减少和表皮保水能力降低，通过口服甘油可改善上述症状，而外用其他脂类混合物不能缓解。

2.促进KC增殖、迁移和分化

siRNA干扰实验显示，AQP3敲除小鼠KC的增殖、迁移和划痕愈合均不如野生型细胞。AQP3或AQP1腺病毒介导再表达使AQP3敲除小鼠KC恢复迁移，这说明水转运是调节迁移的重要因素。AQP3敲除小鼠会有KC增殖缺陷，同时KC的腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP) 水平也降低，然而通过口服甘油可以纠正缺陷，恢复ATP水平，说明在调节KC增殖中AQP3的甘油运输功能的重要性。这些都表明AQP3在KC增殖和迁移中扮演重要角色。

在体外高钙诱导分化实验中发现，AQP3缺失小鼠KC和对照组之间、人KC和对照组之间，分化标志蛋白( 外皮蛋白、角蛋白10) 表达、角质化包膜形成和谷氨酰胺转移酶活性均无差别，而人和小鼠皮肤免疫组织化学结果表明，AQP3表达于增生细胞中，维A酸诱导的AQP3表达多定位于增殖细胞，进一步支持AQP3与KC增殖相关。

Bollag等在共转染实验中将AQP3或空载体转染KC，发现AQP3共表达降低角蛋白5启动子活性，增加角蛋白10、外皮蛋白等分化标志物的活性。他们认为AQP3促进KC分化的机制是通过提供甘油给磷脂酶D2，促进前列腺素合成，而前列腺素是促进KC早期分化的脂质信号。Kim等进行的类似siRNA介导敲除实验时发现，降低人类KC中AQP3水平可抑制角蛋白10对高浓度钙的上调应答，结果与AQP3诱发KC早期分化一致。

3.抗老化

Li等取55例健康人腹部皮肤，按年龄分为青年组(<20岁) 、中年组( 30~45岁) 和老年组( >55岁) ，反转录聚合酶链反应及蛋白质印迹法检测发现，老年组皮肤中AQP3表达量显著低于中青年组，提示AQP3参与非曝光部位皮肤的老化过程，AQP3表达下调可能是导致皮肤自然衰老的原因之一。中波紫外线引起体外培养的人永生化角质形成细胞( HaCat) 株中AQP3下调，薏仁提取物和反式玉米素可抑制这种效应。全反式维A酸也可诱导AQP3表达，抑制紫外线诱导AQP3和水通透性下调。这些研究为AQP3抗老化提供了理论依据。

AQP3介导水和甘油的运输，参与调节KC增殖和分化，在维持皮肤形态、皮肤屏障功能、保湿、创伤愈合中发挥重要作用，并与特应性皮炎、白癜风、肿瘤、银屑病等多种皮肤病的发病密切相关。目前已发现维A酸、紫外线、肿瘤坏死因子等多种物质可调节AQP3的表达，利用对AQP3的调控，可以为相关皮肤病的治疗以及皮肤美容等方面开拓新的手段。