水通道蛋白的基本结构与特异性通透机理

水通道蛋白的基本结构与特异性通透机理王晶桑建利（北京师范大学生命科学学院北京100875）摘要水通道蛋白是一个具有跨膜运输水分子功能的蛋白家族。从1988年Agre等发现水通道蛋白起，目前在不同物种中已经发现了200余种水通道蛋白，其中存在哺乳动物体内的有13种。概述了水通道蛋白的结构、组织特异性分布及特异性通透机理。关键词水通道蛋白水分跨膜转运水分子的跨膜转运对维持不同区域的液体平衡和内环境稳态非常重要。水分子作为一种不带电荷且半径极小的极性分子，很早被证实能通过自由扩散穿透脂质双分子层。在发现水通道蛋白以前，人们一直认为这是水分子透过质膜的唯一方式。但通过实验发现，红细胞和肾小管细胞中水的通透速率之快远非简单扩散强度所能提供的，因此猜测，质膜上可能存在某种通道介导水的转运。1水通道蛋白的发现1988年，Agre等从人类红细胞膜上纯化分离分子量为32×106的Rh多肽时，偶然鉴定到一种新的分子量为28×106的整合膜蛋白，并且通过免疫印迹发现这类蛋白也存在于肾脏的近端肾小管中［1］，把它称为类通道整合膜蛋白（channel-likeintegralmembraneprotein,CHIP28）。随后，在1991年Agre和Preston成功克隆得到了CHIP28的cDNA，通过分析其编码的氨基酸序列，发现CHIP28含有6个跨膜区域、2个N-糖基化位点、且N端和C端都位于膜的胞质一侧。另外，对比CHIP28与早期从牛晶体纤维中克隆得到的主要内源性蛋白（majorintrinsicprotein,MIP）的DNA序列，发现二者具有高度同源性。由于很早以前就证实了MIP家族的成员蛋白参与形成允许水和其他小分子通透的膜通道，因此，推测CHIP28可能也具有类似功能［2］。1992年，Preston等通过在非洲爪蟾的卵母细胞中表达CHIP28，首次证实它是一种水通道蛋白。非洲爪蟾的卵母细胞对水具有极低的渗透性，当向其中显微注射体外转录的CHIP28的RNA后，卵母细胞在低渗溶液中迅速膨胀，并于5min内破裂。这一现象表明注射CHIP28的RNA后卵母细胞膜的水通透性有了明显提高。为了进一步确定CHIP28的功能，将提纯的CHIP28构建在蛋白磷脂体中，构建后的蛋白磷脂体对水的通透性增长了50倍，但对尿素却不具备通透性［3］。这些结果最终证实了CHIP28为水通道蛋白，后来它被命名为水通道蛋白-1（aquaporin-1，AQP1）。水通道蛋白的发现，开辟了一个崭新的领域。随着更多亚型的发现，水通道蛋白相关研究成为了膜转运方向的研究热点，Agre也因其对水通道蛋白做出的突出贡献而获得2003年诺贝尔化学奖。2水通道蛋白的分子结构水通道蛋白分布广泛，目前已在哺乳动物、两栖类、植物、酵母、细菌以及各种各样的有机体中发现水通道蛋白的存在。水通道蛋白是一类高度保守的疏水小分子膜整合蛋白，各种亚型之间蛋白序列及三维结构非常相似。哺乳动物水通道蛋白的分子大小在26×106～34×106之间，氨基酸序列同源性为19%~52%［4］。因水通道蛋白的三维结构相似，一般以AQP1的结构作为代表。AQP1是一条由269个氨基酸残基构成的单肽链，对比AQP1分子前后半段的氨基酸序列，发现2段序列具有相关性，推测AQP1在进化上可能是通过基因复制而来。单肽链在细胞膜上往返折叠形成6个α螺旋的跨膜区域，并且肽链的N端和C端都位于质膜内侧；6个跨膜区域由5条环（A~Eloop）相连。目前，被人们广为接受的水通道蛋白三维结构是“沙漏模型（hourglassmodel）”［4］，模型指出：肽链中的B环和E环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环和E环折返进入膜双分子层，2个保守的NPA序列在膜的磷脂双层中间位置相互结合，6条跨膜区域在四周包围，共同构成了一个供水分子通过的亲水通道（图1）。通过对AQP1的三维结构进一步研究发现，B环和E环折返入膜后分别形成短螺旋B（HB）和短螺旋E（HE），中心孔道处起稳定作用的2条NPA基序几乎呈90°交叉，所形成的亲水通道的直径约为2.8×10－10m，刚好能容纳单个水分子通过，外围6条跨膜区域呈现右手螺旋包围。构成中心孔道表面的除B环和E环外，还有螺旋2、5以及螺旋1、4的C端部分。有研究指出，将B环和E环联系在一起的作用力主要是2条NPA基序中脯氨酸残基间的范德华力，同时也受到离子键和氢键的稳定。几乎所有AQP分子的B环和E环上都有高度保守的NPA特征性序列。但也有少数例外：在AQP11和AQP12中仅发现E环上具有NPA序列，另一个在B环上的NPA序列分别由天冬酰胺-脯氨酸-半胱氨酸（Asn-Pro-Cys,NPC）和天冬酰胺-脯氨酸-苏氨酸（Asn-Pro-Thr,NPT）替代［6］。在体内，AQP1主要以同源四聚体的形式存在。研究发现，四聚体中某个水通道蛋白单体发生突变并不会影响其他3个蛋白单体的功能，即每一个水通道蛋白单体是一个独立的功能单位。水分子的跨膜渗透是通过水通道蛋白单体的中心通道完成的，而无法通就具有使离子去水合化的能力，如KcsA钾通道中就有16个羰基氧以4个每环的结构垛叠排列，这一结构具有分离与离子水合的水分子的能力。而AQP1中孔道中的羰基氧的结构虽然足以分离体相水中的水分子，但是只能使水合离子部分去水合化，而后者则因直径仍大于狭口直径而无法通过水通道［13］。主要参考文献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