水通道蛋白的基本結構與特異性通透機理

水通道蛋白的基本結構與特異性通透機理王晶桑建利（北京師范大學生命科學學院北京100875）摘要水通道蛋白是一個具有跨膜運輸水分子功能的蛋白家族。從1988年Agre等發(fā)現(xiàn)水通道蛋白起，目前在不同物種中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了200余種水通道蛋白，其中存在哺乳動物體內(nèi)的有13種。概述了水通道蛋白的結構、組織特異性分布及特異性通透機理。關鍵詞水通道蛋白水分跨膜轉(zhuǎn)運水分子的跨膜轉(zhuǎn)運對維持不同區(qū)域的液體平衡和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)非常重要。水分子作為一種不帶電荷且半徑極小的極性分子，很早被證實能通過自由擴散穿透脂質(zhì)雙分子層。在發(fā)現(xiàn)水通道蛋白以前，人們一直認為這是水分子透過質(zhì)膜的唯一方式。但通過實驗發(fā)現(xiàn)，紅細胞和腎小管細胞中水的通透速率之快遠非簡單擴散強度所能提供的，因此猜測，質(zhì)膜上可能存在某種通道介導水的轉(zhuǎn)運。1水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)1988年，Agre等從人類紅細胞膜上純化分離分子量為32×106的Rh多肽時，偶然鑒定到一種新的分子量為28×106的整合膜蛋白，并且通過免疫印跡發(fā)現(xiàn)這類蛋白也存在于腎臟的近端腎小管中［1］，把它稱為類通道整合膜蛋白（channel-likeintegralmembraneprotein,CHIP28）。隨后，在1991年Agre和Preston成功克隆得到了CHIP28的cDNA，通過分析其編碼的氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)CHIP28含有6個跨膜區(qū)域、2個N-糖基化位點、且N端和C端都位于膜的胞質(zhì)一側(cè)。另外，對比CHIP28與早期從牛晶體纖維中克隆得到的主要內(nèi)源性蛋白（majorintrinsicprotein,MIP）的DNA序列，發(fā)現(xiàn)二者具有高度同源性。由于很早以前就證實了MIP家族的成員蛋白參與形成允許水和其他小分子通透的膜通道，因此，推測CHIP28可能也具有類似功能［2］。1992年，Preston等通過在非洲爪蟾的卵母細胞中表達CHIP28，首次證實它是一種水通道蛋白。非洲爪蟾的卵母細胞對水具有極低的滲透性，當向其中顯微注射體外轉(zhuǎn)錄的CHIP28的RNA后，卵母細胞在低滲溶液中迅速膨脹，并于5min內(nèi)破裂。這一現(xiàn)象表明注射CHIP28的RNA后卵母細胞膜的水通透性有了明顯提高。為了進一步確定CHIP28的功能，將提純的CHIP28構建在蛋白磷脂體中，構建后的蛋白磷脂體對水的通透性增長了50倍，但對尿素卻不具備通透性［3］。這些結果最終證實了CHIP28為水通道蛋白，后來它被命名為水通道蛋白-1（aquaporin-1，AQP1）。水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)，開辟了一個嶄新的領域。隨著更多亞型的發(fā)現(xiàn)，水通道蛋白相關研究成為了膜轉(zhuǎn)運方向的研究熱點，Agre也因其對水通道蛋白做出的突出貢獻而獲得2003年諾貝爾化學獎。2水通道蛋白的分子結構水通道蛋白分布廣泛，目前已在哺乳動物、兩棲類、植物、酵母、細菌以及各種各樣的有機體中發(fā)現(xiàn)水通道蛋白的存在。水通道蛋白是一類高度保守的疏水小分子膜整合蛋白，各種亞型之間蛋白序列及三維結構非常相似。哺乳動物水通道蛋白的分子大小在26×106～34×106之間，氨基酸序列同源性為19%~52%［4］。因水通道蛋白的三維結構相似，一般以AQP1的結構作為代表。AQP1是一條由269個氨基酸殘基構成的單肽鏈，對比AQP1分子前后半段的氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)2段序列具有相關性，推測AQP1在進化上可能是通過基因復制而來。單肽鏈在細胞膜上往返折疊形成6個α螺旋的跨膜區(qū)域，并且肽鏈的N端和C端都位于質(zhì)膜內(nèi)側(cè)；6個跨膜區(qū)域由5條環(huán)（A~Eloop）相連。目前，被人們廣為接受的水通道蛋白三維結構是“沙漏模型（hourglassmodel）”［4］，模型指出：肽鏈中的B環(huán)和E環(huán)具有高度保守的天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸（Asn-Pro-Ala，NPA）特征性序列，B環(huán)和E環(huán)折返進入膜雙分子層，2個保守的NPA序列在膜的磷脂雙層中間位置相互結合，6條跨膜區(qū)域在四周包圍，共同構成了一個供水分子通過的親水通道（圖1）。通過對AQP1的三維結構進一步研究發(fā)現(xiàn)，B環(huán)和E環(huán)折返入膜后分別形成短螺旋B（HB）和短螺旋E（HE），中心孔道處起穩(wěn)定作用的2條NPA基序幾乎呈90°交叉，所形成的親水通道的直徑約為2.8×10－10m，剛好能容納單個水分子通過，外圍6條跨膜區(qū)域呈現(xiàn)右手螺旋包圍。構成中心孔道表面的除B環(huán)和E環(huán)外，還有螺旋2、5以及螺旋1、4的C端部分。有研究指出，將B環(huán)和E環(huán)聯(lián)系在一起的作用力主要是2條NPA基序中脯氨酸殘基間的范德華力，同時也受到離子鍵和氫鍵的穩(wěn)定。幾乎所有AQP分子的B環(huán)和E環(huán)上都有高度保守的NPA特征性序列。但也有少數(shù)例外：在AQP11和AQP12中僅發(fā)現(xiàn)E環(huán)上具有NPA序列，另一個在B環(huán)上的NPA序列分別由天冬酰胺-脯氨酸-半胱氨酸（Asn-Pro-Cys,NPC）和天冬酰胺-脯氨酸-蘇氨酸（Asn-Pro-Thr,NPT）替代［6］。在體內(nèi)，AQP1主要以同源四聚體的形式存在。研究發(fā)現(xiàn)，四聚體中某個水通道蛋白單體發(fā)生突變并不會影響其他3個蛋白單體的功能，即每一個水通道蛋白單體是一個獨立的功能單位。水分子的跨膜滲透是通過水通道蛋白單體的中心通道完成的，而無法通就具有使離子去水合化的能力，如KcsA鉀通道中就有16個羰基氧以4個每環(huán)的結構垛疊排列，這一結構具有分離與離子水合的水分子的能力。而AQP1中孔道中的羰基氧的結構雖然足以分離體相水中的水分子，但是只能使水合離子部分去水合化，而后者則因直徑仍大于狹口直徑而無法通過水通道［13］。主要參考文獻1DenkerB.M.，SmithB.L.，KuhajdaF.P.etal.Identification，purification，andpartialcharacterizationofanovelMr28000integralmembraneproteinfromerythrocytesandrenaltubules．JBiolChem，1988，263(3):15634.2PrestonG.M.，AgreP..IsolationofthecDNAforerythrocyteintegralmembraneproteinof28kilodaltons:memberofanancientchannelfamily.ProcNatlAcadSciUSA，1991，88:11110—11114.3PrestonG.M.,CarrollT.P.,Gu