Введение
Белокодовый ген вида Homo sapiens Aquaporin 4, также известный как AQP 4, является белком водного канала, кодируемым геном AQP4 у людей. AQP 4 относится к семейству аквапоринов, представляющих собой интегральные мембранные белки, которые проводят воду через клеточную мембрану. Ограниченное количество аквапоринов обнаружено в центральной нервной системе (ЦНС): AQP1, 3, 4, 5, 8, 9 и 11, но более исключительные представления AQP1, 4 и 9 обнаружены в мозге и спинном мозге. AQP4 наиболее широко присутствует в сером веществе мозжечка и спинного мозга. В ЦНС AQP4 является наиболее распространенным аквапориновым каналом, особенно расположенным в перимикрососудистых процессах стопы астроцитов, лимитанных железах и эпендиме. Кроме того, этот канал обычно содействует движению воды вблизи спинномозговой жидкости и сосудов. Аквапорин 4 был впервые идентифицирован в 1986 году. Это было первое доказательство существования водных транспортных каналов. Метод, который был использован для обнаружения существования транспортных каналов был через нокаут эксперименты. С помощью этого метода они смогли показать значительную роль AQP4 в повреждениях ЦНС и дисбалансе воды в мозге.
Aquaporin 4, also known as AQP 4, is a water channel protein encoded by the AQP4 gene in humans. AQP 4 belongs to the aquaporin family of integral membrane proteins that conduct water through the cell membrane. A limited number of aquaporins are found within the central nervous system (CNS): AQP1, 3, 4, 5, 8, 9, and 11, but more exclusive representation of AQP1, 4, and 9 are found in the brain and spinal cord. AQP4 shows the largest presence in the cerebellum and spinal cord grey matter. In the CNS, AQP4 is the most prevalent aquaporin channel, specifically located at the perimicrovessel astrocyte foot processes, glia limitans, and ependyma. In addition, this channel is commonly found facilitating water movement near cerebrospinal fluid and vasculature. Aquaporin 4 was first identified in 1986. It was the first evidence of the existence of water transport channels. The method that was used to discover the existence of the transport channels was through knockout experiments. With this technique they were able to show the significant role of AQP4 in CNS injuries and brain water imbalances.
Структура
Структура AQP4 состоит из шести трансмембранных доменов и пяти соединяющих петлей, образующих канал. С помощью рентгеновской кристаллографии было обнаружено, что каждый мономер AQP4 состоит из шести спиральных, мембранных доменов и двух коротких спиральных сегментов, окружающих узкую водную пору. В самой узкой точке водная пора имеет размер 2,8 ангстрома, достаточно большой для прохождения молекул воды в одном ряду. В то время как каждый мономер индивидуально способен к транспортировке воды, кватернарная структура канала является тетрамером. Кроме того, AQP4 имеет две различные структурные изоформы, расположенные в ЦНС: M1 и M23. AQP4 также экспрессируется в астроцитах и повышается путем прямого воздействия на центральную нервную систему. В центральной нервной системе AQP4 находится вдоль спинного мозга и служит основным каналом воды. В почках AQP4 в основном содержится во внутренней части мозга, а во внешней части мозга и коры мозга его почти нет. Он конститутивно экспрессируется в базалатеральной клеточной мембране основных клеток коллекторного канала и обеспечивает путь для выхода воды из этих клеток.
Функция
Общая функция аквапорина 4 заключается в обеспечении быстрой транспортировки воды, а также поддержании гомеостатического равновесия в центральной нервной системе. Этот канал может транспортировать воду со скоростью 3E9 молекул в секунду. Другие системы также регулируются AQP4. Внутри внутреннего уха основная роль заключается в обеспечении осмотического баланса в поддержке клеток эпителия в органе Корти путем переработки К+. Аквапорин 4 является преобладающей аутоиммунной мишенью при 2/3 оптическом нейромиелите, а более высокие уровни аутоантитела AQP4 связаны с возникновением оптического неврита (ON), однако титр IgG AQP4 в сыворотке крови лишь умеренно отражает активность заболевания, его тяжесть или неврологический прогноз. Специфические аутоантитела AQP4 IgG или NMO IgG связываются с внеклеточной поверхностью AQP4. Это связывание открывает путь для разработки целевой терапии в НМО. Вариантами терапии являются иммуносупрессивные препараты, такие как кортикостероиды и азатиоприн, иммуномодуляция и обмен плазмы. Недавние сывороточные антитела (анти- AQP4) были обнаружены у пациентов с NMO, которые в настоящее время используются для диагностики этого состояния. Другие клинически значимые последствия AQP4 в организме человека - это роль в регуляции мозгово- спинной жидкости (ЦСЖ) в желудочках. Внутри желудочков мозга AQP4 может использоваться для удаления избыточной ЦРС при таких состояниях, как гидроцефалия. Основным методом лечения людей с гидроцефалией является введение механических шунтов в желудочки для отвода избыточной жидкости. После дальнейших исследований роли AQP4 возможно изменить систему регуляции этих каналов в организме человека, чтобы помочь в реабсорбции ЛМК без необходимости использования физически инвазивных методов лечения.
Исследования
На основе исследований на животных аквапорин 4 может играть роль в ряде других заболеваний, включая болезнь Альцгеймера, боковой амиотрофический склероз, болезнь Паркинсона, рассеянный склероз и эпилепсию, и, по-видимому, играет роль в патологическом ответе на травматическую травму мозга и инсульт. В моделях грызунов AQP4 играет роль как в развитии, так и в решении отеков головного мозга, возникающих после травмы, такой как ТТС или инсульт, и вокруг опухолей головного мозга. По сравнению с дикими мышами, у мышей с двойным нокаутом наблюдались различные заболевания после травмы головного мозга. Он показал снижение внутричерепного давления, гибель клеток, накопление воды, астроглиоз и объем поражения. Экспрессия аквапорина 4 зависит от стадии заболевания ТТП. На острой стадии ТТИ недостаток аквапорина 4 приводит к снижению избыточного удаления воды, в то время как на более поздней стадии ТТИ предотвращает серьезные повреждения и отеки. У людей, страдающих болезнью Альцгеймера, амилоидные бляшки иногда развиваются в артериях мозга - состояние называется церебральной амилоидной ангиопатией или КАА. Исследования на животных показали, что тяжесть CAA увеличивается или уменьшается в зависимости от экспрессии аквапорина 4. Когда происходит снижение AQP4, выраженность CAA увеличивается и наоборот; не известно, что вызывает изменения уровня экспрессии AQP4, а также является ли это частью процесса заболевания или усилиями мозга адаптироваться. В животных моделях амиотрофического бокового склероза AQP4 экспрессируется в стволе мозга, коре и сером веществе спинного мозга, что приводит к опухшему астроцитам; причина этого не понятна. У мышей с нокаутом наблюдаются проблемы с познанием; нарушается консолидация памяти, а также нарушается взаимодействие между приобретением памяти, распознаванием пространства и памятью о том, где находился объект после его перемещения.