Aquaporins являются белками мембранных каналов, встречающиеся от бактерий до млекопитающих. Большинство аквапоринов избирательно пропускают воду, хотя некоторые члены семейства проницаемы и для др. молекул.

Аквапорины присутствуют в мембранах в виде тетрамеров. Каждый аквапориновый мономер содержит свой собственный канал.

Структурные исследования выявили молекулярную основу избирательности каналов и пролили свет на механизмы, с помощью которых некоторые члены семейства регулируют проницаемость.

Идентифицировано 11 аквапоринов у млекопитающих с клеточным и субклеточным распределением в разных органазх, это указывает на возможную их функциональную роль. Изучение животных и людей показало, что аквапорины участвуют в широком круге физиологических и патологических процессов.

Регуляция аквапоринов внутри семейства белков сложна. Сюда входят транскрипционный, пост-трансляционный, protein-trafficking и channel-gating механизмы, которые часто являются отдельными для каждого из членов семейства.

Открытие аквапоринов стимулировало интерес к механизмам, лежащим в основе проницаемости мембран для воды. Открытие, что проницаемость мембран для воды м. регулироваться независимо от проницаемости для растворов, пролило новый свет на физиологию органов и м. привести к идентификации аквапоринов в качестве мишеней для терапевтических вмешательств при патологических состояниях, при которых нарушен гомеостаз воды.

Роль аквапоринов в развитии.

Aquaporins in development - a review

Huishu Liu¹ and E Marelyn Wintour²

1 Guangzhou Obstetric and Gynecology Institute, Second Municipal Hospital of Guangzhou, Guangzhou Medical College, Guangzhou, PR China
2 Department of Physiology, Monash University, Clayton, Victoria, 3800, Australia

Reproductive Biology and Endocrinology 2005, 3:18 doi:10.1186/1477-7827-3-18

Full Text

Перевод Л.М. Константиновой

Abstract

В развитии плода одним из ключевых моментов является водный гомеостаз. Он зависит от обмена материнскими плодными водами в плаценте и плодных оболочках, а также в какой-то степени от обмена между плодной и амниотической жидкостью, который может осуществляться через кожу, пока ещё не произошла полная кератинизация. Секреция жидкости важна для нормального роста и развития лёгких так же, как для нормального развития головного мозга – образование спинномозговой жидкости. Аквапорины являются растущим семейством белков водных каналов, изучение онтогенеза которых ещё только началось. Одной из проблем является правомочность использования данных, полученных на эмбрионах грызунов (мышь, крыса) в качестве модели развития млекопитающих с продолжительным периодом беременности (овца, человек). Это особенно важно в случае таких органов, как лёгкие и почки, период развития которых до рождения гораздо короче у грызунов, чем у видов с продолжительным гестационным периодом.

Введение

Существует, по крайней мере, 11 членов семейства генов-аквапоринов у млекопитающих, которые кодируют белки, фукционирующие как мембранные каналы: только для воды (AQP0, 1, 2, 4, 5, 8, 10), для воды и небольших молекул – преимущественно глицерола и мочевины (AQP3, 7, 9) или для нитратов (AQP6) [1-5]. В некоторых случаях аквапорины конститутивно присутствуют в клеточных мембранах (AQP1, 3 – эритроцитов, AQP1 – почек). Однако в других случаях аквапорины находятся в интрацеллюлярных везикулах и переносятся в мембрану в результате соответствующей стимуляции. Например, AQP2 в клетках собирающего протока переносятся после воздействия вазопрессина [6]; AQP1 в холангиоцитах – под действием секрета [7]; AQP8 в гепатоцитах – глюкагона [8,9]; аквапорин-5 в околоушных железах крыс – мускарина [10]. Аквапорины обеспечивают быстрый транспорт жидкости через мембраны клеток эпителия и эндотелия, а также обнаружены и в других тканях, таких как мышечная и нервная. Обычно водные каналы 'открыты', но существуют доказательства того, что специфическим воздействием может быть индуцировано их 'закрывание'.

В процессе развития прослеживаются несколько уникальных жидкостных компартментов (жидкости амниона и аллантоиса, а также лёгких), и функционирование некоторых органов, например почек, отличается от такового у взрослых особей. Хотя понимание роли аквапоринов в развитии могло бы быть расширено при изучении линий мышей с делетированными генами различных аквапоринов, есть момент, осложняющий такое расширение. Он заключается в том, что и нормальное развитие многих органов происходит у грызунов постнатально, скорее, чем пренатальное, и онтогенез аквапоринов отдельных органов, например лёгких, значительно различается у грызунов и у видов с более продолжительным гестационным периодом (овца) [11]. Кроме того, плод содержит больший процент воды, чем взрослый организм, и его органы (в частности, мозг) более уязвимы к потере воды, которая может произойти в случае преждевременных родов, вследствие незрелого барьера кожной проницаемости, или вследствие несовершенства функции удержания воды эмбриональными почками. Роль аквапоринов в жидкостном балансе во время фетального периода развития только начала изучаться.

Плацента и компартменты фетальной жидкости

Амниотическая жидкость окружает развивающийся эмбрион и необходима для нормального морфологического развития. Поступления в неё включают разбавленную (dilute) фетальную мочу и изотоническую жидкость лёгких; продукты выведения состоят из трансмембранного потока и жидкости, заглатываемой плодом [12,13]. Таким образом, аномалии объёма амниотической жидкости (олиго- и полигидрамнион) могут быть результатом аномалий функции почек у плода, а олигогидрамнион может быть в какой-то степени скорректирован увеличением материнской гидратации [14,15]. В норме осмотическое давление фетальной жидкости соответствует таковому у матери, и обмен жидкостями происходит через плаценту так же успешно, как и через систему амнион/хорион [16].

Перед имплантацией зародыш формирует бластоциту, представленную наружной клеточной массой и внутренней полостью, заполненной жидкостью и окружённой трофоэктодермальным эпителием. В этом периоде у мыши экспрессируются гены аквапоринов 3, 8, и 9. Причём AQP3 и AQP8 – в базолатеральных мембранах трофоэктодермы, а AQP9 – в апикальной мембране [17]. Плацента и хорион развиваются из трофоэктодермы; впервые белки-аквапорины 1, 3, 8 и 9, функционирующие там как водные каналы, были найдены у человека и овцы [18-21]. Белок AQP1 также был обнаружен в хорио-аллантоисной мембране цыплёнка [22]. AQP1 есть в васкулярных, а AQP3 и AQP9 – в апикальных мембранах плаценты и хориона у человека и овцы. Недавно также была определена в овечьей плаценте и мРНК AQP8 [23].

В плаценте овцы с 45-го дня гестации (полный срок составляет ~ 150 дней) AQP3, функционирующий в эпителиальных клетках трофобласта как канал и для воды, и для мочи, является главным аквапорином, количество которого в течение гестационного периода нарастает в соответствии с увеличением экспрессии гена аквапорина до максимума. Проницаемость овечьей плаценты для мочи заметно увеличивается примерно через 100 дней с начала гестационного периода в соответствии с резким увеличением в это время экспрессии в плаценте AQP3. Подобным же образом, начиная с 45-го дня, обнаруживается экспрессия AQP8 в эпителиальных клетках трофобласта и мембраны [24].

Плацента овцы прекращает свой рост к окончанию первой половины гестационного периода, несмотря на значительное увеличение веса плода в течение второй половины [25]. Для поддержания роста плода существует потребность дальнейшего увеличения переноса жидкости. Наличие в плаценте значительной экспрессии белков водных каналов хорошо коррелирует с её проницаемостью для жидкости. В отношении белков AQP1 и AQP3 овечьей плаценты сравнение на уровне мРНК является единственным из того, что может быть выполнено [26].

Функционирование почек плода

Фетальные метанефрические почки продуцируют относительно большое количество первичной разбавленной мочи весьма важной для поддержания объёма амниотической и (у некоторых видов) аллантоисной жидкости. В случае овцы как наиболее общей модели, используемой для изучения функции почек у плода, было показано, что объём фетальной мочи 0.3 л/кг/день сопоставим с 0.02 л/кг/день у взрослого животного. Это наблюдается, несмотря на интенсивность гломерулярной фильтрации (она составляет у взрослой овцы примерно 1/3 от общего объёма) и происходит вследствие как уменьшения реабсорбции натрия (95 % у плода против 99% у взрослой особи), так и отсутствия значительной концентрации мочи. У не испытывающего напряжения плода овцы осмолярность всегда ниже 200 mosmoles.kg water, и может опускаться до 60 [27].

Аквапорины в развитии почек

Во взрослой почке основной объём фильтрата (81%) реабсорбируется в проксимальных тубулах и нисходящей части петли Генле, где экспрессируется AQP1. Он также экспрессируется в nonfenestrated descending vasa recta, которая, как полагают, важна для создания гипертонической окружающей среды медуллы. У мышей с делецией гена AQP1 снижена возможность максимально концентрировать мочу [28]. Однако в основном концентрация мочи зависит от того, присутствует ли в апикальных мембранах основных клеток собирающего протока белок AQP2. Этот белок в отсутствие действия циркулирующего вазопрессина находится в субмембранных везикулах. Под влиянием нарастающей концентрации вазопрессина активируются другие переносящие системы, в результате чего AQP2 везикул фосфорилируется, а затем транспортируется и встраивается в апикальные мембраны. Без этого водного канала реабсорбция воды в медулле не возможна даже при наличии адекватного осмотического градиента [2]. Во многих случаях развития полиурии или дефектов концентрации (дефицит натрия, уровень лития выше 0.3 ммоль/л, гиперкальциемия, диета с низким содержанием белка) это может быть связано с низким уровнем AQP2 [2]. Вода, абсорбированная в апикальную мембрану через AQP2, покидает клетку через белки AQP3 и AQP4, которые конститутивно присутствуют в базолатеральных мембранах этих клеток [2]. У мышей с отсутствием экспрессии гена AQP1 наблюдается полиурия и возможны проблемы с нормальной концентрацией мочи [28]. Сходный дефект наблюдается и в той редкой ситуации, когда AQP1 утрачен у человека [29]. Более мягкий дефект концентрации мочи есть и у трансгенных мышей с утратой AQP4 [30]. Такое смягчение может быть следствием того, что на базолатеральных мембранах основных клеток собирающего протока вместе с AQP4 локализован другой аквапорин – AQP3. Но если отсутствует AQP3, развивается полиурия с выраженным дефектом концентрации [31]. Уровень AQP3 регулируется в какой-то степени вазопрессином (как и уровень AQP2), а также альдостероном и трансмембранным фактором кистозного фиброза (CFTR) [2,32-34].

Развитие метанефрических почек у разных видов различается: оно полностью завершается у человека и овцы до рождения, или большей частью – после рождения, как у свиньи, мыши и крысы. Онтогенез некоторых почечных аквапоринов был изучен у крысы, овцы и человека. В почках крысы с помощью Нозерн-блоттинга за несколько дней до рождения выявляется очень небольшое количество мРНК AQP1 [35,36]. Однако с помощью иммуногистохимии белок определяется с 16 дня в капиллярах на границе нефрогенной зоны и медуллы (мозговой зоны почки). Напротив, в почках овцы и человека мРНК AQP1 и соответствующий белок определяются ещё до достижения плодом половины гестационного срока (12/40 недель у человека, 41/150 дней у овцы), хотя их уровни ниже 50% от таковых у взрослых особей [38,39]. Уровни экспрессии у плода могут возрастать под действием глюкокортикоидов и ангиотензина-II, приводящим к созреванию почек и удлиннению проксимальных тубул, которое происходит в результате такого воздействия [39]. «Взрослые» уровни AQP1 достигаются через 15 месяцев у человека и 6 недель у овцы.

Количество AQP2 у крыс при рождении низкое, но выходит на плато к четырём неделям после рождения [40]. Исследования показали, что белок присутствует у плода с 18-го дня и начинает увеличиваться в количестве с 3-го дня постнатального развития [41].

У овцы в начале последней трети гестационного срока (на сотый день) уровень мРНК AQP2 составляет 17% от такового у взрослого животного, а перед окончанием срока – только 40% от «взрослого» [42]. Эти данные согласуются с уменьшением чувствительности почек плода к введённому антидиуретическому гормону (аргинину-вазопрессину) – на сотый день концентрация его в плазме должна подняться до 16 pg/ml, чтобы добиться отрицательного клиренса свободной (несвязанной) воды, тогда как к окончанию срока эффективный уровень составляет 2 pg/ml [43]. Это всё ещё более высокий уровень, чем у взрослой овцы, и таким образом ситуация в случае фетальной почки сходна с таковой при нефрогенном сахарном диабете, вследствие неадекватной экспрессии гена AQP2.

У человеческого плода почка также имеет низкий уровень белка AQP2 в течение второй половины беременности, и недоношенные новорождённые дети продуцируют разбавленную мочу много недель [38,44]. AQP2 появляется в моче [45], и у недоношенных детей отмечается его низкий уровень [46]. Однако установленная концентрация белка AQP2 не коррелирует с изменениями осмолярности мочи. Это позволяет предполагать, что она не может быть использована у недоношенных новорождённых детей в качестве маркера функционирования аргинина-вазопрессина [47]. Уровень почечного AQP2 у плода может повышаться под действием введения ангиотензина II [48].

Пока имеется лишь одно сообщение, относящееся к определению в фетальных почках крыс белка AQP3 на сроке гестации 18 дней [41]. Что касается уровня белка AQP4. то его следы определяются в почках крыс постнатально в 3-дневном возрасте [36].

Однако низкий уровень экспрессии AQP2, по-видимому, является главным фактором, обеспечивающим большое количество гипотонической мочи, а это существенно для поддержания адекватного объёма амниотической жидкости.

Лёгочная жидкость

В течение фетального периода будущие дыхательные пути заполнены жидкостью, которая играет ключевую роль в росте и развитии лёгких, поддерживая их в расправленном состоянии. Жидкость секретируется из пульмонарного эпителия в просвет лёгкого благодаря осмотическому градиенту, установившемуся за счёт сетевого движения ионов Cl- в том же направлении.

Когда начинается секреция лёгочной жидкости, точно не известно, но она наличествует у плода овцы к середине гестационного срока. А между 120-ю днями и окончанием гестации (~150-ый день) она секретируется в количестве 2-4 мл/кг/час.

Фетальная лёгочная жидкость покидает лёгкие через трахею, посредством чего она или заглатывается (примерно 50%), или проходит прямо в полость амниона, пополняя объём амниотической жидкости [49]. В случае обструкции фетальной трахеи, что препятствует выходу лёгочной жидкости, лёгкие начинают расширяться, накапливая её. Это является мощным стимулом для роста лёгких плода, а также сильно уменьшает долю альвеолярных эпителиальных клеток (AECs) II-го типа.

С другой стороны лёгочная жидкость дренирует лёгкие, выкачивает из них газы, обусловливает рост лёгких до его прекращения, но увеличивает долю AECs II-го типа, возможно вследствие дифференцировки клеток I-го типа во II-й [50]. Сейчас уже широко известно, что степенью растяжения лёгких жидкостью определяется их рост и структурное развитие так же, как процесс дифференцировки AECs I-го и II-го типа [49]. Несмотря на то, что лёгочная жидкость играет важную роль в развитии этого органа, факторы, контролирующие её движение через эпителий лёгких, до сих пор выявлены не полностью. Кроме того, эффективное выведение лёгочной жидкости при рождении является жизненно важным для того, чтобы при изменении дыхательной среды в лёгкие поступил воздух. Этот процесс в большой степени зависит от способности эпителия реабсорбировать большие количества воды.

Аквапорины в развитии лёгких

По крайней мере, 4 белка-аквапорина (AQP1, 3, 4 и 5) выявляются в лёгких у разных видов, включая человека, крыс, мышей и кроликов, хотя отмечены и некоторые статистически достоверные различия (Table 1). У человека, крысы и мыши AQP1 найден в апикальных и базолатеральных мембранах микроваскулярного эндотелия. Также показано, что у человека мутация AQP1-null приводит к снижению проницаемости сосудов лёгких [3]. AQP3 обнаружен в базолатеральных мембранах базальных клеток эпителия трахеи и в мембранах клеток подслизистых желёз у грызунов, в апикальных мембранах бронхиол и клетках альвеолярного эпителия II-го типа у взрослых людей [51]. AQP4 присутствует в базолатеральной мембране столбчатых клеток бронхов и трахей у крыс, а также в клетках альвеолярного эпителия I-го типа у человека. AQP5 обнаружен в апикальных мембранах AECs I-го типа и в апикальных мембранах секреторного эпителия верхних дыхательных путей и слюнных желёз [3]; а также – в клетках AECs II-го типа у мышей [52] (Table 2).

Онтогенез лёгочных аквапоринов

У мышей перед рождением были установлены очень низкие уровни мРНК аквапорина AQP5 [53,54]. Онтогенез аквапоринов также был описан и у крыс, но у них перед рождением были определён только AQP1 и небольшое количество AQP4 [55-58]. Крайне мало известно о физиологических факторах, контролирующих экспрессию мРНК AQP1 перед рождением, хотя известно, что эта экспрессия (и уровни белка) повышаются в лёгких плодов и новорождённых крыс при воздействии синтетическими глюкокортикоидами [55,58]. В одном из исследований [58] введением кортикостероидов получено увеличение количества AQP4, но эти данные не подтвердились в другой работе [55]. Рост экспрессии AQP4 был отмечен и под влиянием ?-адренэргических агентов [58]. Хотя белок AQP5 почти не определялся в гомогенатах лёгочной ткани крыс в период с 21-го дня эмбрионального развития до 1-го дня постнатального; мощный сигнал определялся на 2-й день постнатального развития [55], указывая, что включение белка AQP5 в лёгких крыс происходит преимущественно постнатально. Действительно, уровень белка AQP5 в ткани лёгких увеличивался постнатально до 14-го дня, не прекращая возрастания до созревания крысы во взрослую особь. В противоположность белку AQP1 на белок AQP5 у крыс кортикостероиды влияния не оказывают, что вполне согласуется с фактом преимущественного накопления AQP5 в лёгких постнатально. Сходным образом уровень белка AQP3 являлся практически неуловимым в лёгочной ткани плода и регистрировался у животных в трахее только постнатально, через некоторое время после рождения. Белок AQP4 у крыс, по-видимому, присутствует транзиторно на 2-й день постнатального развития в периферических лёгочных мембранах и определяется в трахеях постнатально на 12-й день.

В недавней работе мы показали, что мРНК, по крайней мере, четырёх аквапоринов (AQP1, 3, 4 и 5), также как и соответствующие им белки присутствуют в фетальных лёгких овцы ещё до рождения [11]. Причём уровень экспрессии мРНК AQP1 и AQP5 в лёгких плода выше, чем у взрослого животного. Кроме того, мы показали, что кортизол существенно up-regulated экспрессию AQP1 и AQP5, несмотря на увеличение растяжения лёгких плода, индуцированное обструкцией трахеи, заметно снижая уровень мРНК AQP5 в фетальных лёгочных тканях. Хотя уровень белка AQP5 не снижается при обструкции трахеи, умеренные изменения его во всех лёгочных тканях, по-видимому, осложнены локализацией этого белка во множестве клеточных типов лёгкого. Результаты показывают, что факторы, регулирующие рост и созревание лёгких плода вместе с секрецией жидкости, также регулируют экспрессию AQP1 и AQP5. Это позволяет предполагать физиологическую роль некоторых аквапоринов в тканях лёгких ещё до рождения.

Итак, мы показали, что в лёгких у видов с продолжительным гестационным периодом (овца) экспрессируются мРНК и белки четырёх типичных для этого органа авквапоринов. Причём задолго до рождения. Кроме того, нами установлено, что экспрессия некоторых, в частности AQP5, изменяется под действием факторов, известных как регуляторы роста и развития фетальных лёгких. Параллельно изменяется скорость секреции лёгочной жидкости у плода разных модельных животных.

Наши результаты позволяют предполагать, что изучение генов у knock-out- мышей, имеющих слабую экспрессию аквопоринов в плодном периоде, не может дать реальной картины относительно роли аквапоринов в этом периоде развития у видов с продолжительной гестацией. Мы предполагаем, что в случае лёгких плода человека эти аквапорины также экспрессируются в достаточной мере ещё до рождения и также регулируются известными факторами, влияющими на развитие лёгких. Так как лёгочная жидкость секретируется, по крайней мере,частично в амнион, то и аквапорины лёгких затем вовлекаются также и в регуляцию амниотической жидкости.

Кожа

Кожа взрослого человека весом 70 кг в норме содержит около 7 л жидкости, на 50% являющейся интерстициальной [59]. Заключённая в коже жидкость связана с гиалуроновой кислотой, гликозаминогликанами и протеогликанами и способствует поддержанию тургора, растяжимости и эластичности. Главным барьером, предотвращающим потерю кожей воды, является поверхностный роговой слой – уплощённые мёртвые корнеоциты [60]. Ниже расположены кератиноциты, в которых экспрессируется ген AQP3, частично в базальном и интермедиальном слое [61-63]. AQP3 является мембранным белком, повышающим проницаемость для воды, мочи и глицерола. У мышей в случае делеции ответственного за этот белок гена гидратация шкурки снижается, но её морфология по большому счёту остаётся нормальной [62]. Редукция эластичности кожи так же, как и задержка восстановления барьерной функции, по-видимому, связана с дефицитом транспорта глицерола, имеющего место у AQP3-дефицитных мышей [64]. Это предположение было в дальнейшем подтверждено восстановлением этих дефектов при возмещении дефицита глицерола [65].

Аквапорины в развитии кожи

У зародыша человека к 4-недельному сроку развивается 2-слойный эпидермис. Роговой слой начинает развиваться в возрасте 24-х недель и полностью оформляется к 34-м неделям беременности [60]. Барьерная функция может быть оценена по потере трансэпидермальной воды и обычно оформляется поздно в гестационном периоде у мыши, крысы, кролика и человека [66,67]. Амниотическая жидкость (особенно на ранних сроках беременности) очень сходна по составу с плодной экстрацеллюлярной жидкостью, и вполне вероятно, что в первой половине беременности происходит их весьма свободный взаимообмен через кожу плода [68]. Даже у такого вида, как овца, развитие которого включает в себя формирование шёрстного покрова в последней трети гестационного срока, наблюдается обмен жидкостью и электролитами через кожу до относительно поздних стадий развития. [69]. В середине гестационного периода в коже плода овцы определяется значительная экспрессия белка AQP3. Преждевременно родившиеся ягнята имеют риск дегидратации вследствие очень большой потери трансэпидермальной воды [70]. Для плода крысы вероятность этой потери наибольшая на 18-й день развития, так как более высокие уровни мРНК AQP3 в коже крыс наблюдаются не у взрослых особей, а в фетальном периоде [71].

Аквапорины в развитии сердца – изменения с внутриутробной задержкой развития (IUGR)

В сердечной ткани крысы была обнаружена мРНК аквапорина-1 [72,73]. Как полагали, основная доля экспрессии AQP1 приходится на стенки кровеносных сосудов. Хотя в ткани сердца у крыс её величина также значительна в мембране кавеолярной суб-сарколеммы, и изменения осмотической среды имеют причиной обратимые изменения в мембранной локализации белка AQP1 [74]. Недавно было установлено, что в сердце человека содержится и AQP1, и AQP4, но отсутствует экспрессия AQP8 [75]. Белок AQP1 ко-локализован с vinculum (t-тубулярным компонентом) и caveolin-3, тогда как белок AQP4 был обнаружен в ядерных мембранах кардиоцитов человека.

Caveolin-3 является маркером caveolae – специализированной области клеточной мембраны, где находится кластер рецепторов [76]. Известно, что некоторые из этих рецепторов играют роль в пролиферации кардиомиоцитов на эмбриональной и постнатальной стадии развития [77-80].

На основе изучения изолированного сердца кролика, было сделано заключение, что значения водной проницаемости были значительно ниже, чем в присутствии функционирующего аквапорина [81]. В более поздних работах по изучению осмотических транзиторных реакций со стороны изолированного сердца взрослого кролика [82] было подсчитано, что 28% транскапиллярного водного потока, собирающегося для формирования лимфы, проходило через аквапориновые каналы в капиллярах. Но авторы, к сожалению, не провели гистологического исследования кардиоцитов. На материале ткани этих сердец было бы очень интересно сделать, по крайней мере, иммуногистохимию на наличие экспрессии AQP1. Белок AQP1 был обнаружен в эндокарде овцы на самых ранних стадиях развития [83]. В отношении более позднего гестационного срока авторы одной из работ предположили, что общие уровни кардиального AQP1 отражают преимущественно вклад сосудистой части, и общее количество может увеличиться вследствие фетальной анемии [84].

С помощью метода RT-PCR некоторые количества мРНК AQP8 были определены в сердечной ткани мыши [85]. Наличие белка AQP1 устанавливается в фетальном сердце крысы с 14-го дня эмбрионального развития с более низким уровнем экспрессии в миокарде, чем в endothelial cushions, примордиальных (первичных) клапанах и перегородках [35]. Кардиальная экспрессия AQP1 падает, но после рождения не исчезает полностью [35].

В более поздней работе мы показали, что уменьшенные в размере сердца отстающих в росте и развитии овечьих плодов имеют значительно редуцированную экспрессию AQP1, 3, 4, но не AQP8 [86]. Необходимо было установить порознь вклад сердечной мышцы и кровеносных сосудов в эту сниженную экспрессию. В середине гестационного срока все миоциты фетальной сердечной мышцы – безъядерные и могут быть разделены, но со 135-го дня гестации более 50% миоцитов – бинуклеарные и окончательно дифференцированные [87]. Мы предположили, что задержка развития сердца плода может происходить вследствие 'slowing down' деления клеток, дающего в результате болъшее число энуклеированных клеток на позднем сроке гестации. Решая, может ли белок AQP1 быть маркером дифференцировки кардиомиоцитов, мы измерили концентрацию мРНК AQP1 в тех фетальных сердцах, где подсчёт кардиомиоцитов уже был произведён. Результаты показали, что уровень экспрессии мРНК AQP1 не претерпевал значительных изменений в течение всего гестационного срока, и, следовательно, не мог быть использован в качестве маркера дифференцировки кардиомиоцитов. Таким образом, сердечная мышца отличается от гладкой мускулатуры сосудов.

Наконец, мы показали, что белки AQP1/3/4/8 наличествуют в сердечной мышце на позднем гестационном сроке. Воздействие низкими дозами дексаметазона, осуществлённое на раннем сроке, снижало экспрессию белков AQP1/3/4 в сердечной мышце плодов на поздних сроках развития. В большинстве исследований экспериментально индуцированной внутриутробной задержки развития (IUGR) некоторые органы (мозг и надпочечники) проходили её в щадящем режиме, тогда как сердце уменьшалось в размерах пропорционально уменьшению общих размеров тела [88]. Известен целый ряд генов, продукты которых вовлечены в рост кардиомиоцитов, включая рецепторы минерало- и глюкокортикоидов, ангиотензина II, а также локальный кардиальный ангиотензиноген [89-96]. Однако мРНК ни одного из них не была затронута в сердечной ткани IUGR-плодов.

В литературе есть данные, позволяющие предполагать, что плоды, с IUGR некоторой степени, проявляют прогрессирующее ослабление сердечной деятельности, как это демострируется снижением максимума скоростей в выносящем тракте, снижением тонов сердца и нарушениями венозного оттока [95-98]. Кроме того, в обоих желудочках у IUGR-плода человека в равной степени снижен вентрикулярный выброс [95]. Изучение взрослого потомства крыс, имевшего пренатально в плане вскармливания ограничения в белках (что привело к IUGR), продемонстрировало более высокую частоту встречаемости сердечных аритмий и повышения диастолического давления крови [97].

Точная функция белка AQP1 в сердечной мышце неизвестна. Так как он является каналом для чистой воды, то можно предположить, что белок AQP1 должен регулировать скорость разбухания клеток в случае осмотического стресса, как это происходит при ишемии миокарда [98]. Такое осмотическое разбухание, модулируя возбудимость сердечной мышцы, является предвестником укорочения потенциала действия. Известно, что разбухание клеток препятствует действию некоторых антиаритмических лекарственных препаратов [98]. Белок AQP4 является хорошо установленным компонентом быстро сокращающихся волокон скелетных мышц [99], его уровень падает при мышечной денервации [100]. У мышей mdx, дистрофичных вследствие выключения гена дистрофина, уровень мРНК AQP4 остаётся таким же, как и в контроле, но уровень белка AQP4 снижается до 90% [101]. Однако у пациентов с миодистрофией Дюшенна в мышечных волокнах снижены уровни и мРНК, и белка AQP4 [102]. Все эти факты делают привлекательным предположение, что аквопортны играют существенную роль в сокращении кардиомиоцитов, обеспечивая их нормальную функцию.

Мозг-центральная нервная система, глаз, ухо – жидкостные компартменты

Жидкостной баланс в тканях взрослого мозга является критическим моментом, так как черепная коробка не допускает больших вариаций в общем объёме мозга без риска развития серьёзных нарушений. Экстрацеллюлярная жидкость мозга специализирована как цереброспинальная жидкость, отличаясь по составу от нормальной экстрацеллюлярной жидкости в результате развития гематоэнцефалического барьера. Цереброспинальная жидкость играет важную роль в правильном развитии мозга [103,104]. Специализированные жидкостные компартменты также являются жизненно важными для сенсорных органов (к примеру, таких, как глаза и уши) [105,106]. В случае глаз движение жидкости важно для регуляции внутриглазного давления, поддержания прозрачности хрусталиков и передачи сигнала на сетчатку [106]. Жидкости внутреннего уха (эндолимфа и перилимфа) играют, по крайней мере, две роли: передача сигнала улитке и клеткам волосков вестибулярного аппарата, а также участие в ионном обмене между жидкостью и клетками волосков [106]. Эндолимфа богата натрием, в то время как перилимфа по составу сходна с экстрацеллюлярной жидкостью [107]. Хорошо известно, что вестибулярная функция может изменяться под влиянием ряда белков, таких как вазопрессин, и стероидных гормонов [108-110], действие которых может изменять состав и даже объём эндолимфы.

Целый ряд аквапоринов был обнаружен в центральной нервной системе: AQP1, 4, 5, 9 [111,112]. Белок AQP1 – в апикальной мембране эпителия choroid plexus. Белки AQP4, 5 и 9 найдены в глиальных и астроцитарных клетках частично в области околомозговых сосудов и возле желудочков. По-видимому, белок AQP4 обеспечивает основной транспорт воды в астроцитах [113]. Клетки глии являются участниками регуляции ионного гомеостаза, в частности, в удалении избытка экстрацеллюлярного натрия, который появляется после нервного возбуждения [107]. Интересно, что для специализированных глиальных (Muller) клеток глаза установлена чёткая корреляция между концентрацией натрия и уровнем AQP4 [114], а функционирование сетчатки слегка ухудшено у мышей, утративших ген AQP4 [115].

Отсутствие белка AQP4 в мозге у генно-инженерных 'knock-out' мышей парадоксально уменьшает действие на мозг гипонатриемии [116]. Распределение белка AQP4 нарушается у дистрофин-дефицитных мышей mdx: в их разбухших периваскулярных глиальных отростках редуцируется 60% от его [101,104]. У этих мышей одновременно с существенным уменьшением количества AQP4 в отростках астроглиальных клеток, окружающих капилляры, наблюдается и значительная задержка развития отёка мозга, индуцированного системной гипонатриемией [117]. Белок ?-синтрофин, связанный с дистрофином, также важен для закрепления AQP4 в клеточной мембране [118]. У мышей с утратой гена ?-синтрофина также отмечалась утрата белка AQP4 из периваскулярных и околомозговых мембран, но его количество не уменьшалось в других мембранах; и за счёт этого при индукции транзиторной ишемии отёк мозга смягчался [119]. Все эти данные позволяют предполагать, что некоторые ингибиторы экспрессии AQP4 могут иметь терапевтическое значание при развитии отёка мозга [111,112].

У крыс и цыплят онтогенез AQP4 мозжечка соответствует развитию гематоэнцефалического барьера [120,121]. В мозге крыс до рождения нет белка AQP4 [122] и только 2% – через неделю после рождения. Этот уровень удваивается ещё через неделю и достигает 63% (как у взрослых крыс) к 9-ой неделе постнатального развития. По сравнению с мозгом крыс, в мозге цыплят уровень белка AQP4 при рождении значительно выше, и гораздо лучше развит гематоэнцефалический барьер [121]. В отношении человека этот вопрос ещё не изучен, но можно ожидать, что очень зрелый младенец (baby) имеет низкий уровень этого барьера.

В ухе взрослых крыс была обнаружена мРНК AQP1, 2, 3, 4, 5, 6 [109], а кроме того, мРНК AQP7 и AQP9, но в относительно меньших количествах [122]. Ген Aqp1 мощно экспрессировался в non-epithelial stria vascularis [123] и его экспрессия могла быть усилена введением дексаметазона в барабанную перепонку [109]. У мышей AQP1 определялся на раннем сроке развития (E14), но в гораздо меньших количествах, чем в ушной ткани взрослых животных [122].

Уровень мРНК AQP2, обнаруженный в тканях уха у крыс и мышей, составляет 10% от такового в тканях почек этих модельных животных [124]. Белок AQP2 находится в структурах, ограничивающих эндолимфу – в рейснеровой мембране, кортиевом органе, spiral limbus и клетках бороздки. Воздействие на крыс аргинин-вазопрессином вызывало удвоение уровня МРНК AQP2 в улитке и эндолимфатическом мешке [125,126]; авторы этой работы предполагают, что такое возрастание уровня экспрессии AQP2 могло быть вследствие развития эндолимфатической водянки. В процессе онтогенеза уха у мыши AQP2 экспрессируется в отоцитах эмбрионов диффузно на сроке развития 12-13 дней, с усилением на сроке 15-18 дней [127].

Наиболее значительно в количественном отношении экспрессировался в ткани уха AQP4. Он экспрессировался в Hensen's cells, клетках внутренней бороздки и Claudius cells, которые вместе поддерживают клетки кортиева органа [128]. Он также определялся в центральной части улитки. У мышей, утративших экспрессию AQP4, наблюдались умеренно выраженные нарушения слуха [129], но без нарушения нервной проводимости [130]. В процессе развития уха мыши AQP4 определялся на 14-дневном эмбриональном сроке, его уровень возрастал после рождения в течение 15 дней и даже потом у взрослых особей [122].

AQP3 был найден только одной группой исследователей [122] в спиралевидной связке улитки мышиного уха (вблизи точки закрепления базилярной мембраны) и в клетках, ограничивающих внутренний спиральный проход. В вестибулярной системе экспрессия установлена в субэпителиальных фиброцитах мешочка ушного лабиринта. С 14-го дня эмбрионального развития до взрослого возраста отмечалось умеренное увеличение AQP3.

Все результаты, полученные на грызунах, манят ложными надеждами, и было бы очень интересно раасмотреть онтогенез мозга и органов чувств у приматов/человека. Ожидается, что значительная экспрессия этих водных каналов у них будет установлена до рождения, как отмечалось в случае видов с продолжительным гестационным периодом [11].

Conclusion

Much information on the role of various members of the mammalian aquaporin family of water channels has been gained in the relatively short time since Peter Agre and his colleagues described the Channel-forming integral membrane protein of the red blood cell of 28 kD (CHIP28), [1], and justifiably earned the 2003 Nobel Prize for Chemistry. Some exciting new studies are suggesting that AQP1 may have roles hitherto unsuspected - evidence has been obtained supporting a role for AQP1 in angiogenesis, particularly in wound healing, organ regeneration and possibly in tumour spread [131]. The limited information that exists on the ontogeny of these proteins in various organs and tissues suggests that there are many more important findings to be made on their roles in the development of the embryo and fetus.

Links