水通道蛋白参与脑损伤的机制和功能研究

Water is extremely important during physiological and pathological processes in the brain. Aquaporins (AQPs), membrane water channels, regulate neuronal and glial cells mainly through water transport, and thus participate in many life processes, especially during brain damage and disease. Currently, many studies on the functions and mechanisms of AQPs indicate that there are significant differences in their expression and localization during different physiological and pathological states. Therefore, studies on the regulation of the water permeability and mechanisms of different channels (AQP1, 3, 4, 5, 8 and 9), has become a hot topic. This project will allow an in-depth understand of the roles of different AQPs during brain damage and repair processes by studying them with a scratch model, an ischemic injury model and an exitotoxicity model. We plan to invevstigate the interaction between potential signaling pathways (MAPKs), ion channels (NKCC, Na+/K+-ATPase) and AQPs, to clarify the molecular mechanisms and provide a basic theoretical understanding.

水是生理病理过程中极为重要的物质。水通道（water channels, aquaporins, AQPs）主要参与水的转运。脑中的AQPs也参与调控胶质细胞和神经元，进而参与众多生命过程，特别是损伤过程。目前，有很多对水通道功能和机制的研究表明水通道在不同生理病理状态下其各自表达和定位都有明显差异。因此，系统并深入地对不同水通道（AQP1, 3, 4, 5, 8, 9）在细胞水平调节水的通透性的功能和机制的研究成为热点课题。本项目试图通过本实验室成熟的划伤、缺血缺氧和兴奋性损伤模型，通过星形胶质细胞和神经元对比研究，深入了解不同水通道在脑损伤和修复过程中各自发挥的作用，并通过潜在的信号通路(MAPKs)和与离子通道（NKCC、Na, K-ATPase）的相互作用，阐明其分子机制，为水通道参与脑生理病理过程提供最基础的理论依据。

本项首先研究了水通道（AQPs）在组织和各种脑细胞中的表达和分布。发现AQP 1, 4, 5, 7, 9在脑组织中均有表达，其中，AQP 1, 4, 5, 9在星形胶质细胞中有表达，而只有AQP 4, 5, 9在神经元中有表达，表明AQP1在星形胶质细胞中的表达具有特异性。同时，我们观测了星形胶质细胞发育过程中AQP1的表达情况，发现AQP1在这一过程中表达平稳，而AQP5则在细胞发育初期之后显著增加, 提示两种水通道蛋白可能具有不同的生理功能。随后，我们研究了AQP1的亚细胞定位，发现AQP1在星形胶质细胞及其细胞系中均在核膜有表达，而其它水通道并无类似定位。同时，AQP1的这种亚细胞定位也只存在与星形胶质细胞这一类型的细胞中，在其它细胞类型中并无此现象，说明AQP1在星形胶质细胞核膜上的表达具有双重特异性。我们进一步确认了AQP1在星形胶质细胞核膜上的这种表达同时存在于核膜的内膜和外膜上。之后，我们观测到AQP1在星型胶质细胞缺血损伤和机械损伤时表达并无变化，而在glu介导的兴奋性神经毒性损伤模型中随着星形胶质细胞核肿胀的发生在核膜上的表达显著增加，提示AQP1参与glu介导的星形胶质细胞核肿胀，并在此病理过程中发挥重要作用。我们继而利用了细胞模型中的过表达或敲低、以及动物转基因敲除AQP1的在体模型，确认了AQP1通过参与星形胶质细胞核肿胀而在glu介导的脑损伤中发挥功能。基于诸多脑病中出现glu浓度显著升高及脑水肿的现象，我们推测，AQP1很可能成为应对多种脑疾病的一个潜在治疗靶点。