全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2008年第5期
收稿日期:2008-03-20
基金项目:国家自然科学基金项目(30671602)
作者简介:马云芳(1982-),女,宁夏固原人,硕士,从事细胞工程研究
通讯作者:崔宗斌,研究员,博士生导师;Tel:027-68780090,E-mail:zbcui@ihb.ac.cn
ABC转运蛋白家族是一大类跨膜蛋白,其主要
功能是利用 ATP水解产生的能量将与其结合的底
物转出质膜。肿瘤细胞的多药耐药性(Multidrug
resistance,MDR)是导致化疗失败的主要原因。早期
的研究发现,MDR与细胞膜上某些蛋白的表达水
平密切相关,由此找到了第一个与 MDR相关的人
ABC转运蛋白,即 P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-GP)。
随后,研究者们又发现了以多种机制参与 MDR形
成 的 其 它 ABC蛋 白 , 如 多 药 耐 药 相 关 蛋 白
(Multidrugresistance-associatedprotein,MRP)、乳腺
癌耐药蛋白(Breastcancerresistanceprotein,BCRP)
等,均具有药物排出泵的功能。ABC蛋白家族的成
员数目众多,广泛存在于植物和动物界,是进行基
因功能进化研究的重要对象。此外,ABC转运蛋白
参与多种有毒物质的吸收、积累和排泄,并在机体
组织防御过程中起重要作用。重点对脊椎动物 ABC
转运蛋白的研究进行归纳、分析和展望。
1 ABC转运蛋白的结构与进化
1.1 ABC转运蛋白
迄今为止,生物界中已发现 56个 ABC转运蛋
白,其中在人基因组中找到 48个。根据 ABC转运
蛋白保守区序列的同源性,将其分为 7个亚型
ABC转运蛋白研究的新进展
马云芳 1,2 梁国鲁 1 裴得胜 2 崔宗斌 2
(1西南大学,重庆 400716;2中国科学院水生生物研究所,武汉 430072)
摘 要: ABC转运蛋白主要包括P-糖蛋白、多药耐药相关蛋白和乳腺癌耐药蛋白,它们属于同一家族,具有保守
的功能结构域和多样化的生物学功能。ABC转运蛋白部分成员的过表达与肿瘤细胞的多药耐药性(MDR)密切相关,是
导致化疗失败的主要原因。随着对MDR机制认识的深入,针对多药耐药蛋白的特异结构域已设计出多种形式的MDR
逆转药物。近年来发现,ABC转运蛋白广泛存在于多种正常的组织和器官,参与药物和内、外源毒素的吸收、分布和排泄,
行使解毒和防御保护的作用。因此,通过转植ABC转运蛋白基因有可能降低经济鱼类、虾等水产品中有毒污染物的积累。
关键词: ABC转运蛋白 组织防御 基因转移 水产养殖
AdvancementofStudiesonABCTransporterProteins
MaYunfang1,2 LiangGuolu1 PeiDesheng2 CuiZongbin2
(1SouthwestUniversity,Chongqing400716;2InstituteofHydrobiology,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430072)
Abstract: ATP-bindingcasete(ABC)transporterproteins,includingP-glyprotein,multidrugresistanceproteinand
breastcancerresistanceprotein,belongtothesamefamilyandhassimilarfunctionaldomainsanddistinctphysiological
functions.SomeofABCtransporterproteinsareasociatedcloselywiththeformationofmultidrugresistance(MDR),that
isamainreasonforthefailureofcancerchemotherapy.WiththeprofoundunderstandingofMDR mechanisms,various
formsofreversaldrugstargetingspecificdomainsofABC transporterproteins,havebeendeveloped.ABC transporter
proteinshavebeenfoundexistinginmanynormaltisuesandorgans,andfunctioningindetoxicityandtisuedefianceby
regulationoftheabsorption,distributionandexcretionofdrugsandendogeniousandexogenioustoxins,thusbeingable
tosuggestthataccumulationoftoxicpolutantsineconomicfishandshrimpcouldbedecreasedbygenetransferofABC
transporterproteins.
Keywords: ABCtransporterprotein Tisuedefiance Genetransfer Aquaculture
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第5期
(ABCA~ABCG)[1~3],其中 ABCB1、MRPs、ABCG2等
亚家族蛋白参与肿瘤细胞的 MDR。
ABCA亚家族在人基因组中有 12个完整转运
体,在斑马鱼(Daniorerio)中已找到 7个。Abcb家
族基因仅存在于脊椎动物基因组中,人基因组中有
11个,其中 P-GP是第一个被发现的人 ABC转运
蛋白;大鼠和小鼠中均发现 12个 Abcb基因;斑马
鱼中有 9个。ABCC包括 12种完整的转运体,具有
离子转运﹑细胞表面受体和毒素分泌活性等功能,
它主要由 MRPs亚群组成,是有机阴离子转运体。
ABCD﹑ABCE和 ABCF亚家族中的所有基因在哺乳
动物和斑马鱼中都很保守,基因数恒定:ABCD有 4
个基因,ABCE中只有 1个,而 ABCF(除了老鼠外,
有 4个基因)在其它物种中均有 3个基因 [4,5]。
ABCH是 ABC家族中了解最少的亚家族,目前从斑
马鱼中已获得 Abch1基因的 cDNA,同时,在河豚基
因组中也发现了该基因,但在人和鼠类中尚未发现
该亚型的相关基因。ABCG亚家族包括 5个成员,
其中 Abcg2基因是一种多药耐药基因,其编码产物
为 BCRP。
1.2 ABC转运蛋白的结构
ABC转运蛋白由全转运子或半转运子组成,全
转运子含有 2个跨膜区(Membranespanningdomain,
MSD)和 2个核苷酸结合区 (Nucleotidebinding
domains,NBD),而半转运子只含 1个 MSD和 1个
NBD。P-GP和 MRPs都是全转运子,而 BCRP为半
转运子。研究表明 MSD由 6对跨膜的 α-螺旋组成,
且相互平行排列;而 NBD是由高度保守的 Walker
A﹑ABC特异位点和 WalkerB组成。人 ABC转运蛋
白各亚家族成员均有其结构特点,ABCA和 ABCC
亚家族成员均为全转运子;ABCD﹑ABCG和 ABCH
亚家族都是半转运子;ABCB亚家族中不仅有全转
运子也有半转运子;而 ABCE和 ABCF亚家族成员
只有 2个 NBD,没有 MSD。
1.3 ABC转运蛋白的进化
在已研究的脊椎动物基因组中,均发现有 ABC
转运蛋白家族中的 38个成员,表明 ABC转运蛋白
家族在脊椎动物进化过程中一直行使重要的生理
功能。ABC转运蛋白中各亚型之间的结构不同,在
进化中的保守性也存在差异,其中 ABCA亚家族成
员的保守性最低,这可能与其进化中高复制性有
关。在人基因组中共找到12个ABCA蛋白的基因,而
在斑马鱼中仅找到7个 (尚未发现 ABCA6﹑ABCA8﹑
ABCA9﹑ABCA10和 ABCA13)。ABCA家族基因的表
述在动物的正常生理活动中起着极其重要的作用,
如人 Abca1可将外周组织中多余的胆固醇运回肝
脏,经胆汁排泄出体外,具有保护血管的功能。此
外,在进化中同一 Abca基因在不同物种中的功能
存在差异,如小鼠 Abca14﹑Abca15和 Abca16基因
与人的 Abca3基因相似,但该基因在小鼠 7F3染色
体上以成簇的形式存在,这种情况在大鼠和狗中亦
存在,机制还在进一步研究中[6]。海胆的 suAbca基因
与人 Abca3基因相似,主要在精液中表达,可与麦
胚凝集素结合,二者结合后可以抑制精子成熟,显
示其可能参与精子成熟时胆固醇的脱落。后来有学
者发现,在某些哺乳动物中 Abca3基因有 3个相关
基因,而在某些物种中不存在,尚待研制特异蛋白
抗体,在睾丸和精子细胞中精确定位该蛋白来解释
这种现象。
ABCB亚家族仅存在于脊椎动物中,人有 11
个,而斑马鱼中有9个(无ABCB4和ABCB5)。ABCB
图 1 P-糖蛋白和 MRP1的系统进化分析
各个物种的氨基酸序列经 VectorNTI比对,MEGA4检验 1000
次后得到的系统分析结果,每个节点代表自检后出现的概率。
其中各物种为 Dre斑马鱼,Fhe底鳉,Pfl欧川鲽,Rer鳐,Rno褐
家鼠,Ocu家兔,Hsa人,Ptr黑猩猩,Mfa食蟹猴,Bta牛,Eca
马,Mdo短尾负鼠,Mmu小白鼠,Afu霉菌,Nfi曲霉菌,Cro长春
花,Tae小麦,Ath拟南芥,Dme果蝇,Aae埃及伊蚊
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家族中的 ABCB1即 P-GP是第一个被发现的人类
ABC蛋白,后来在啮齿类中也发现此蛋白(图 1)。
根据系统进化分析,P-GP在软骨鱼纲、硬骨鱼纲、
哺乳纲以及哺乳纲的啮齿目中均高度保守,但线虫
和植物等低等生物的氨基酸序列与其它物种的进
化关系最远。这个结果表明,植物与其它物种的进
化距离最远,其次是线虫,说明脊椎动物各个物种
中 P-GP产生的时间大致相同。
ABCC亚家族包括 12种完整的转运体,主要由
多药耐药相关蛋白亚群组成,亦是有机阴离子的转
运体。根据结构域和进化史分析,可将 ABCC亚家
族可分为 ABCC1(包括 ABCC1﹑ABCC2﹑ABCC3﹑
ABCC4﹑ABCC6﹑ABCC10﹑ABCC13)和 ABCC5亚群。
在哺乳动物中(除 ABCC13外)共有 12个 ABCC转
运蛋白。Abcc13基因仅在短尾猿和狗的基因组中
被发现,该基因在小鼠中已经退化,但在斑马鱼和
鸡中发现了人 Abcc13基因的异构体[7]。ABCC家族
基因具有高度保守性,在哺乳动物中起转运内源和
外源有毒物的作用,对机体有很重要的保护作用。
对 ABCC1亚群进行系统进化分析发现 (图 1),该
基因在哺乳动物纲和软骨鱼纲中的保守性大于昆
虫类,而植物中尚无该基因的相关报道。
根据系统进化分析,ABCD﹑ABCE和 ABCF亚
家族基因在斑马鱼和哺乳动物中都很保守,只有少
许差别[8]。如 ABCD3基因,存在于哺乳动物﹑斑马
鱼﹑昆虫和酵母中,且保守性很高,该基因在斑马鱼
中有 3个同源基因,而在其它物种中只有 1个。
ABCE和 ABCF亚家族中的成员只有 NBD结构域、
而无 MSD区,所以它们不是常规意义上的转运子,
但其 NBD区与其它 ABC家族的成员具有同源性。
除了植物外(含 2个基因),ABCE在所有真核生物
中只含 1个基因,这种高保守性适用于内含子和外
显子进化的研究。
ABCG亚家族包括 5个半转运子,其 NBD位于
N-末端,MSD位于 C-末端。其中,ABCG2基因是一
种多药耐药基因,其编码产物为乳腺癌耐药蛋白,
最初在几个多药耐药细胞系中被发现,后来在胎盘
等中也发现了该蛋白,对机体保护有重要的作用。
除 ABCG2外 ,ABCG1﹑ABCG4﹑ABCG5和 ABCG8
都参与胆固醇和激素的转运。Abcg1和 Abcg4基因
是结构最相似的 2个基因,均可以被胆固醇诱导而
表达,但 Abcg1基因主要在巨噬细胞中表达,而
Abcg4基因主要在脑中表达。二者都有几种可以选
择的剪接体,可在其它组织如肺和胸腺中表达。
Abcg3基因只存在于啮齿类中,它与人的 Abcg2基
因相似,但其 ATP结合区有变异,显示 Abcg3不能
结合并水解 ATP。斑马鱼中的 Abcg5和 Abcg8基因
均是单拷贝,以头-头的结构存在,这与人的 Abcg5
和 Abcg8基因的存在方式是一致的。除此之外,斑
马鱼 2个 Abcg2样基因和 1个 Abcg1样基因,尚不
清楚它们的功能[9]。
ABCH是 ABC家族中了解最少的亚家族。在果
蝇(Drosophila)和冈比亚蚊(A.gambiae)中各发现了
3个 Abch基因,分别为 CG11147、CG9990、CG6162,
agCP7841、agCP1751和 agCP12347。通过 EST比较
发现,在家蚕(BombyxmoriL.)中至少也存在其中 1
种基因,显示昆虫中亦存在这个亚家族的基因,但
尚未发现它们的功能。最近,在斑马鱼中也发现 1
个 Abch基因,其 cDNA已经被克隆出来。同时,在
河豚和脂鲤基因组中也发现了该基因,表明该基因
可能存在于所有或大多数硬骨鱼[8]。
2 ABC转运蛋白在肿瘤细胞 MDR形成中的
作用
2.1 肿瘤细胞的 MDR与机制
Bielder于 1976年首次提出的 MDR概念,引起
广泛关注和对 MDR的深入研究。肿瘤细胞的 MDR
是指肿瘤细胞对 1种抗肿瘤药物产生耐药性的同
时,对其它多种结构和作用靶位不同的抗肿瘤药物
也有耐药性。随着肿瘤化疗药物的广泛应用,肿瘤
的耐药性问题越来越突出,已成为肿瘤联合化疗失
败的主要原因。肿瘤细胞 MDR产生的原因和形成
机制十分复杂和多样,单个 MDR细胞可同时具有
多种耐药机制,其中细胞膜上影响 MDR的 ABC转
运蛋白主要包括 P-GP、MRPs和 BCRP。
P-GP是由 MDR1基因编码的一种跨膜糖蛋
白,其介导的 MDR被称为经典的 MDR途径。P-GP
由 2个完全相同的单体构成,每个单体由 1281个
氨基酸组成,包括 6个跨膜区和 1个三磷酸腺苷
(ATP)结合点。跨膜区作为膜通道有利于药物转
运,而 ATP结合点与能量供应有关。P-GP具有依赖
马云芳等:ABC转运蛋白研究的新进展 37
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第5期
ATP的跨膜药物外排泵的功能,可将抗肿瘤药物逆
浓度从细胞内泵出到细胞外,降低细胞内药物浓度
并导致肿瘤细胞的耐药。P-GP被认为是一种“疏水
真空清洁器”:当肿瘤细胞与化疗药物接触时,脂溶
性药物经浓度梯度进入细胞后与 P-GP底物结合区
结合,同时 ATP结合到 NBD上;随后,经过 ATP水
解,P-GP构型改变,药物从高亲和位点转移至低亲
和位点并被排出胞外等。最终胞内的药物浓度不断
下降,药物的抗肿瘤效应也因此减弱甚至消失[10]。
此外,有研究表明 P-GP能抑制Caspase-3和Caspase-
8的激活,进而抑制大多数抗肿瘤药物诱导的 MDR
细胞凋亡。
MRPs也是一类跨膜糖蛋白,在原核生物和真
核生物的一系列分子跨膜转运中起重要作用。MRP
与 P-GP同属于三磷酸腺苷依赖性跨膜转运蛋白
类,它们在分子结构上具有某种程度上的序列同源
性。MRP可水解 ATP获得能量,将带负电荷的药物
分子逆浓度梯度泵出到细胞外,减少细胞内的药物
浓度。目前已知,MRP1表达水平增高是引起 MDR
的主要原因之一。MRPs介导 MDR的分子机制与
P-GP基本一致,但 MRPs不能独立转运未经修饰
的化疗药物,却能转运与谷胱甘肽(GSH)结合后的
药物,药物首先通过谷胱甘肽转移酶(GST)与 GSH
结合,然后由 MRPs转运出细胞。也有人认为,MRP
并不能将抗癌药物转运到肿瘤细胞外,而是将抗癌
药物转运到肿瘤细胞内,交给与细胞解毒功能有关
的 GST,再通过 GS-X泵的作用将抗癌药物转移到
细胞外。随着胞内 GSH的逐渐减少,MRPs介导的
药物耐药性将消失,说明 MRPs与 GSH共同介导
MDR的产生。此外,MRPs还可通过改变细胞浆及
细胞器的 pH值,使药物到达靶位点时的浓度减
少,产生肿瘤细胞耐药,并直接参与肿瘤的转移。
BCRP并非乳腺癌所特有,在米托蒽醌(Mx)诱
导的人骨髓瘤细胞株 RPM18226﹑人小细胞肺癌细
胞株 GLC4和人结肠癌细胞株 S1-M1-3.2中均发现
BCRP的过表达。BCRP参与耐药性的分子机制与
P-GP和 MRP基本相似,即通过主动外排作用来降
低药物在细胞中的分布,但 BCRP介导的 MDR有
其自身的特点。BCRP单体之间通过二硫键形成同
二聚体结构,近似于完整转运蛋白。Honjo等[11]研究
表明,BCRP的 482位氨基酸残基的点突变可改变
BCRP的底物特异性,由此推测 BCRP上第 3跨膜
区内的 482位氨基酸可能是 BCRP结合药物位点
的一部分。
其它影响 MDR的主要因子有肺耐药相关蛋白
(LRP)、拓扑异构酶Ⅱ(TopoⅡ)、蛋白激酶 C(PKC)
和谷胱苷肽氧化还原系统等。此外,肿瘤细胞的抗
凋亡和多细胞球体形成亦在肿瘤细胞 MDR形成中
起重要作用。
2.2 ABC转运蛋白的 MDR逆转
如前所述,肿瘤细胞的 MDR与特定的 ABC蛋
白表达密切相关,如果抑制这些蛋白的基因表达,
就可能逆转肿瘤的 MDR,从而提高肿瘤细胞对化
疗的敏感性。
目前,大多数的逆转剂通过抑制 P-GP泵的功
能、提高 MDR细胞内化疗药物的浓度而对抗
MDR。针对 P-GP的 MDR逆转方式主要有:1)研制
不具 MDR的新抗肿瘤药物。如使用非 P-GP药泵
作用底物的化疗药;对抗癌药物进行化学结构修
饰,消除其 P-GP底物的特征。2)发现新的 MDR逆
转剂,并与抗肿瘤药物合用,恢复 MDR细胞对抗肿
瘤药物的敏感性。3)通过脂质载体运送抗癌药,改
变药物进出细胞的途径。4)运用单克隆抗体、反义
寡核苷酸、核酶和小分子干扰 RNA(siRNA)等技
术,在 DNA或 RNA水平抑制 MDR-1基因的表达。
5)运用一些细胞因子逆转剂等。最新一项研究显
示,肿瘤血管生成抑制剂贝伐单抗 (Avastin)与
FOLFOX6(5-FU+甲酰四氢叶酸+奥沙利铂)及
FOLFIRI(5-FU+甲酰四氢叶酸+依立替康)的联合
用药治疗结直肠癌,耐受性较好,原发肿瘤的存在
并不会增加穿孔和出血的危险性,应答率与试验期
望相一致,可获得较高的转移灶切除率[12]。
MRPs诱导的 MDR一般可用与 P-GP相似的逆
转策略来解决。最近,Roy等[13]用免疫组织化学法
和 RT-PCR研究了 NSCLC癌细胞中 MRP1和 P-GP
基因的 mRNA和蛋白表达,发现在 53例 NSCLC病
人中,MRP的阳性表达率为 56.6%;在 mRNA水
平,MRP1的转录表达起主导作用,而在蛋白水平
MDR1编码的 P-GP起主要作用。因此,可针对
MRP1和 P-GP的表达方式差异,采用不同的 MDR
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逆转办法。
BCRP为一个新的 ABC转运子蛋白定位于细
胞膜,亦通过药物溢出泵机制导致耐药,与多种癌
细胞系的 MDR显著相关。传统的 MDR逆转剂如维
拉帕米、环孢菌素 A和 VX710等对 BCRP引起的
MDR均无逆转作用,而FumitremorginC和GF120918
对 BCRP有特异的抑制作用,但具有严重的细胞毒
性,不能应用于临床[14]。最新研究发现[15],雌激素 α
受体为阳性的人类乳腺癌 MCF-7细胞中 BCRP的
表达明显降低,表明雌二醇及其受体的激活可以降
低细胞中 BCRP基因的表达。此外,利用 siRNA抑
制 BCRP基因的表达已有成功的报道[16]。
对肿瘤细胞 MDR逆转剂的筛选主要通过观察
MDR细胞在有或无候选逆转剂的情况下对化疗药
物的反应,以确定该药物作为逆转剂的可能性。鉴
于活体内的多种因素可影响药物的分布、代谢、清
除、生物药效率、对宿主的潜在毒性等,将体外筛选
出的逆转剂运用于临床,效果往往不佳。因此,针对
MDR的形成机制和 ABC转运蛋白表达的特点,寻
找高效、低毒的逆转剂仍是今后肿瘤学研究的重要
课题。
3 ABC转运蛋白在组织防御中的作用
ABC转运蛋白不仅存在于肿瘤细胞,在许多正
常的组织和器官中也有丰富的表达,如肠道上皮细
胞、肝细胞毛细胆管膜、肾近曲小管上皮细胞、血脑
屏障毛细管内皮细胞、血睾屏障毛细血管上皮细胞
以及胎盘滋养层细胞等[17~19]。大量研究表明,在正
常的生理状态下 ABC蛋白可参与内、外源药物和
毒素的吸收、分布和排泄,对机体组织和器官行使
解毒、排毒和防御保护的作用。
3.1 ABC蛋白在屏障组织中的作用
人体的屏障组织包括血脑﹑血脑脊液﹑血睾和
胎盘等屏障,在这些组织中 ABC蛋白均有广泛分
布。
血-脑屏障(Blood-brainbarier,BBB)由脑毛细
血管内皮细胞(Braincapilaryendothelialcel,BCEC)
单层组成,对物质有选择通透性。研究发现,P-GP
主要分布在 BCEC的质膜上,表达量高而且呈极性
分布,显示 P-GP药物或毒素经 BCEC进出脑细胞
的过程中起重要作用[20]。P-GP的抑制剂可以有效
的增加脑内药物的浓度,如环孢素 A﹑Valspodar和
Elacridar可导致野生型鼠 mdrla(+/+)脑中紫杉萜
(Taxotere)浓度分别提高 38%﹑56%和 58%[21]。最近
有人发现,缺血或缺氧损伤所产生的大量谷氨酸对
大鼠 BCEC膜上 P-GP的表达和活性均有影响[22],
说明 P-GP底物的 BBB转运不仅受各种 P-GP抑制
剂的影响,同时也受特定病理状态(如缺血缺氧)的
调节。值得注意的是,大脑并非清除器官,使用 P-
GP抑制剂后增加脑内药物浓度的同时,也增加了
许多药物的神经毒性。因此,利用 P-GP抑制剂治
疗脑部疾病时,应注意调整临床给药剂量,选择安
全、特异性强的抑制剂。此外,人、猪和小鼠的
BCEC细胞中均有 BCRP的表达,但 BCRP在 BBB
的药物外排功能中仅起次要作用[23]。
血-脑脊液屏障(Blood-cerebrospinalfluidbarier,
BCSFB)的结构独特,在维持脑内环境稳定、外排代
谢物、保护脑不受外源有害物质的损伤等方面起重
要作用。在 BCSFB中,P-GP由脉络丛上皮细胞表
达[24],转运方向由血液指向脑脊液;而 MRP1主要
定位于人和鼠的脉络丛基底外侧膜上,转运方向是
由脑脊液到血液,这有助于有害物质从脑脊液中消
除。这两种蛋白转运方向提示,如果将二者的功能
调节结合起来,可有效地防止二者的共同毒性底物
在脉络丛上皮细胞中蓄积,从而维持脉络丛细胞的
功能,保护脑内环境的稳定与功能协调。随着研究
的深入,在 BCSFB中陆续发现了 MRPs亚家族中的
其它成员,如 MRP4和 MRP5。MRP4主要存在于脉
络丛上皮细胞的基底膜上[25]。与 MRP1相比,MRP4
和 MRP5的分子缺乏 N-末端的附加跨膜区,这可
能是它们的底物与 MRP1底物存在差别的原因[26]。
MRP4的底物包括一些激素,如前列腺素类,说明
其在激素转运中起重要作用。MRP5的底物有
cAMP、cGMP等,表明 MRPs家族可能在信号转导
中起作用。目前,尚不清楚 MRP4和 MRP5在底物
特异性方面的区别,有待进一步研究它们在脉络丛
上的功能。
3.2 ABC蛋白在肝脏和肾脏中的作用
在肝和肾脏细胞膜上存在许多与药物摄取和
有毒物排泄相关的转运蛋白,其基因表达可受多种
因子的影响,并在外源物或药物经胆汁和尿液的排
马云芳等:ABC转运蛋白研究的新进展 39
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第5期
泄中起重要调节作用。
P-GP﹑BCRP和 MRP2主要定位于肝脏毛细胆
管的细胞膜上,它们不仅与药物吸收的首过效应和
肝内的药物分布有关,而且决定着肝内的药物代谢
水平及其经胆汁的排泄,此外还与肝内药物代谢酶
间存在明显的协同作用。MRP2最初被命名为毛细
胆管的多专属性有机阴离子转运蛋白(cMOAT),在
许多阴离子化合物和共轭代谢产物(如谷胱甘肽和
葡糖苷酸共轭物,胆酸盐的硫酸共轭结合物)经胆
汁的排泄中起着重要作用。最近发现,BCRP也可
以转运葡萄糖苷酸和硫酸盐结合物[27]。MRP3基因
在肝细胞连接面和窦状隙膜中表达,一般情况下其
表达水平较低,但药物和微环境改变,如苯巴比妥﹑
胆管结扎﹑胆汁郁积等可诱导其表达[28]。
肾脏是维持机体内环境相对稳定的最重要的
器官之一,主要涉及内源物和外源物的排泄。在肾
脏中,P-GP和 MRP2主要分布于近端小管上皮细
胞,参与肾脏的药物排泄。在切除 5/6肾脏的慢性
肾衰竭模式试验中,经分析血尿素氮﹑肾小球滤过
率﹑蛋白尿等因子发现,雌性小鼠比雄性小鼠的患
病严重[29];雄性小鼠肾脏中 MRP3基因 mRNA表达
水平与其转录因子Nrf2有关,且成正比[30];表明 ABC
蛋白在肾脏中的表达量与性别有关,而且受调控因
子的影响。此外,在慢性肾衰竭模式试验中,P-GP﹑
MRP和 BCRP等基因的 mRNA表达量因人而异,而
在肝脏中 MRP3﹑P-GP和 ABCG5/8基因的 mRNA表
达均升高[31],此现象产生的原因还待进一步研究。
4 鱼类 ABC转运蛋白的应用基础研究
随着我国经济的快速发展,污染物的排放量急
剧增加,水质恶化的趋势未得到有效控制,水质安
全面临严重威胁,水质污染已成为严重威胁我国人
民健康的原因之一,其中有毒重金属(Toxicheavy
metals,THMs)的危害日益严重。鱼﹑虾﹑贝类等水产
品具有高度富集 THMs的能力,例如鱼体内蓄积
THMs的浓度可比周围水环境高 1000倍[32],在我
国许多地域的水产品中 THMs的含量严重超标。在
生物体内,THMs不能降解,但可经食物链逐级传递
和富集,主要通过干扰细胞的正常生化代谢和信号
传导或者调控基因的表达,进而影响细胞的生长、
分化、迁移和凋亡,导致包括人在内的生物体出现
各种病变。
已有研究结果显示,ABC转运蛋白的部分成员
在重金属离子的吸收、积累和排泄中起重要作用。
MRP1-4能够参与跨液泡膜转运 Cd2+螯合物或 GS-
Cd复合体,从而减少 Cd在胞内的含量[33]。亚砷酸
盐处理可以诱导细胞中 MRP1/2和 P-GP的大量表
达,它们能够以外排的方式降低砷盐在细胞内的积
累,从而对机体起到保护作用[34]。因此,研究 ABC
蛋白对鱼体内有毒重金属离子的转运作用,将有助
于揭示动物耐药的分子机制和解毒机理,筛选与重
金属疾病相关的药物,并为培育抗重金属积累的转
ABC基因鱼养殖品系奠定理论和技术基础。
在国家自然科学基金项目的资助下,中科院水
生生物研究所的环境基因组学学科组已获得多种
ABC转运蛋白基因的 cDNA,开展了 ABC蛋白对鱼
体内有毒重金属的代谢调控研究。图 2为该实验室
获得的斑马鱼 (Daniorerio)P-GP保守区氨基酸序
列,经同源比较,斑马鱼 P-GP与人和小鼠的 P-GP
同源性分别为49.4%和49.7%,其中保守区域walker
A﹑ABCsignature﹑walkerB分别位于 466﹑570和 588
氨基酸处。斑马鱼 P-GP对有毒重金属代谢影响的
研究尚在进行中。
5 研究展望
人类和其它模式动物基因组计划的实施和相
继完成,标志着后基因组时代的到来。目前,人们对
基因结构及其功能的了解越来越多,对多种疾病的
分子机制认识逐渐深入,为靶向药物的研究奠定了
坚实基础。在生物医学和毒理学研究领域,对 ABC
转运蛋白基因表达调控机制的深入研究,将发现新
图 2 斑马鱼、人和小鼠的 P-GP保守区部分氨基酸
序列比较
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2008年第5期
(上接第30页)
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1 美国食品和药品管理局,htp:/www.fda.gov/.
2 美国农业部,htp:/www.usda.gov/.
3 欧盟委员会,htp:/europa.eu/.
4 日本农林水产省,htp:/www.maf.go.jp/.
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的 MDR逆转药物作用靶点,并进行新一代抗 MDR
肿瘤药物的研制;对靶向 ABC蛋白的药物和内外
源毒素转运机制进行深入研究,将揭示药物作用和
代谢的动力学机制以及内外源毒素影响细胞命运
的分子机制,据此可提高药物的疗效和发展治疗相
关疾病的新药物与方法。在水产养殖业中,深入研
究 ABC转运蛋白对有毒重金属、持久性有机污染
物、藻类毒素等的外排作用,可以筛选和克隆鱼体
内与有毒污染物的吸收、分布、转化和排泄等相关
的基因,揭示有毒污染物影响细胞代谢、命运和人
体健康的分子机制,为发现相关疾病的新治疗方法
和培育抗毒物积累的经济鱼类品系提供研究平台。
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马云芳等:ABC转运蛋白研究的新进展 41