Aquaporine

Aquaporinele (AQPs) sunt proteine identificate în toate organismele (de la bacterii, la mamifere și în plante) și sunt ubicuitare în organismele multicelulare, fiind exprimate în diferite grade în toate tipurile de celule (23, 24). La om au fost identificați cel puțin 13 membri ai familiei proteice a aquaporinelor (24), desemnate abreviat prin AQPx (cu x începând de la 0, AQP0 fiind aquaporina din cristalin, numită inițial proteina integrală majoră, abreviat MIP, de la Major Integral Protein, de unde și tendința de a denumi astfel superfamilia de proteine căreia îi aparțin și aquaporinele). Identitatea moleculară a primei aquaporine (AQP1) a făcut obiectul articolului publicat de echipa lui Peter Agree în 1992. Agree și colaboratorii, microinjectând ovocite de Xenopus laevis cu ARNm al proteinei CHIP28, abundent exprimată în membrana eritrocitară, au constatat o creștere semnificativă a permeabilității osmotice a apei [25].
Mai mult Aquaporinele (AQPs) reprezintă o familie de proteine ​​cu membrană mică, ce sunt exprimate la membranele plasmatice, în multe tipuri de celule implicate în transportul de fluide. Caracteristicile de bază ale structurii aquaporinei au fost definite folosind tehnici de mutageneză, marcare epitopică și metode de microscopie electronică. Din punct de vedere structural, aquaporinele par să se adune în membrane ca homotetrameri în care fiecare monomer, format din șase domenii α-elicoidale cu membrană, conține un por distinct de apă. Multe dintre aquaporine (de exemplu, AQP1, AQP2, AQP4 și AQP5) par a fi extrem de selective pentru trecerea apei, în timp ce altele (denumite recent aquagliceroporine) transportă și glicerol (de exemplu, AQP3 și AQP8) Comparativ cu secvența aquaporinelor (AQP1, AQP2, AQP4, AQP5, AQP6 și AQP8), aquagliceroporinele (AQP3, AQP7 și AQP9) conțin două distanțe peptidice suplimentare.


Date biologice şi biochimice
 


SUS

Familia de proteine WCP include trei subfamilii.
  • 1) Aquaporinele (prescurtate ca AQPs) sunt în principal canale selective pentru apă sau specifice apei; de asemenea, au fost numiți de diverși autori sub denumirea de aquaporine „ortodoxe”, „obișnuite”, „convenționale”, „clasice”, „pure”, „normale” sau „sensu strictu”;
  • 2) Aquagliceroporinele sunt permeabile la apă, dar și la alte molecule mici neîncărcate, în special glicerol;
  • 3) A treia subfamilie a WCP-urilor au secvențe de aminoacizi puțin conservate în jurul casetelor NPA, neclasificabile în primele două subfamilii. Au primit diverse denumiri: „superaquaporine”, „aquaporine cu cutii NPA neobișnuite (sau deviate)”, „aquaporine subcelulare” sau „aquaporine asemănătoare cu înghițiturile”. I-am recomandat (BENGA, 2012a) să folosească întotdeauna pentru această subfamilie numele S-aquaporins. Am numit aquaglyceroporins și S-aquaporins „rudele acvaporinelor”.
    • [Benga, 2013]
  Rolul AQP2 în canalul colector renal este o situație mai clară în ceea ce privește funcția fiziologică a AQP. Absența expresiei AQP2 în rinichiul uman induce dezvoltarea diabetului insipid. Cu toate acestea, rolul AQP în transferul izotonic de apă, asociat cu transportul solutului, nu este atât de clar stabilit. De exemplu, transportul activ al fluidelor este independent de AQP în multe țesuturi, deoarece are loc în timpul secreției de lichid intestinal stimulat cu diferiți agoniști (de exemplu, toxina holerei) [75,76]. Într-o linie celulară intestinală umană (T84), toxina Escherichia coli STa a indus un flux secretor de apă, în ciuda lipsei AQP în aceste celule [77].
  În aceeași direcție, pierderea răspunsului hidrosmotic indus de ADH a fost observată într-o linie de celule renale de colectare corticală de șobolan (RCCD1) care nu exprimă AQP, în timp ce transferul net de apă asociat transportului de sodiu a fost păstrat [78]. Cu toate acestea, după transfecția RCCD1 cu AQP2, răspunsul hidrosmotic a fost restabilit [79].
  În același mod, Hill și colab. [80] și Fischbarg și colab. [81] a citat cazuri specifice în care eliminarea genetică sau reducerea expresiei AQP nu cauzează efectele patologice atribuite reducerii transportului pe apă. Mai mult, Hill și colab. a propus, de asemenea, o ipoteză având în vedere că funcția principală a AQP-urilor este de a efectua ca senzori de presiune osmotici și turgori.
  Alte proteine ​​în afară de AQP par să poată transporta apă [82-84], dar mecanismul este încă controversat [85-87]. De exemplu, o cale de transport pe apă a fost descrisă ca fiind asociată cu transportorul de glucoză [88-90] și cu diferiți cotransportatori de Na-solut [91,92].
  Datorită structurii lor, cu excepţia receptorului vegetal GCR2, toţi receptorii cuplaţi cu proteine G aparţin suprafamiliei proteinelor transmembranare heptahelicale (sinonime frecvente: receptori cu şapte domenii transmembranare, receptori 7-TM sau receptori heptahelicali). Aceştia constau în subunităţi cu câte şapte (pe greacă „hepta”) structuri helicale ce traversează membrana celulară (transmembranare), conectate între ele prin trei legături intracelulare şi trei extracelulare. Ei au un situs extracelular sau transmembranar de legare cu un ligand, proteina G legându-se de partea intracelulară a receptorului. Pentru compararea diferenţelor structurale dintre diverşii receptori cuplaţi cu proteine G, a fost creat sistemul de nomenclatură Ballesteros-Weinstein. Vezi Imaginile nr. 1, 2, 3
Text Text Text Text Text
Text Text Text Text Text
AQP1 umana este un canal de apă (Benga și colab., 1986a ; Benga și colab., 1986b ; Preston și colab., 1992) și funcționează ca un canal neselectiv de cation monovalent atunci când este activat de cGMP intracelular, cu o conductanță mare a unui singur canal, de aproximativ 150 pS în condiții saline fiziologice standard (Anthony și colab., 2000) și stări de subconductanță aparent mai mici atunci când sunt reconstituite în bicapa lipidică (Saparov și colab., 2001). Conductanța ionică de tip sălbatic AQP1 poartă cationi monovalenți (K + ≈ Cs + > Na + > tetraetilamoniu + ), dar nu anioni, protoni sau cationi divalenți Ca 2+sau Mg 2+ , determinat din potențialele de inversare măsurate în experimentele de substituție ionică (Yool și colab., 1996). Porul central AQP1 este căptușit de resturi de barieră hidrofobe (valină 50, și leucine 54, 170 și 174; AQP1 uman) situate în a doua și a 5- a domenii transmembranare, M2 și M5 (Yu și colab., 2006). Înlocuirea tuturor celor patru reziduuri de barieră prin alanină a crescut permeabilitatea relativă a tetraetilamoniei (Campbell și colab., 2012), un cation monovalent mare care blochează porii de apă monomerici, dar care poartă un curent ionic prin porul canalului activat cu cGMP (Brooks și colab. ., 2000 ; Yool și colab., 2002). Înlocuirea cisteinei cu lis 51 în domeniul porilor centrali, un fond de AQP1 fără cisteină a creat un nou situs pentru inhibarea conductanței ionice cu mercur (Campbell și colab., 2012), indicând faptul că porul central este calea de conducere ionică. Conductanța cationică mediată de AQP1 a fost implicată în influențarea ratelor de transport net de fluide în culturile primare ale plexului coroidian (Boassa și colab., 2006). Principalul punct de incertitudine în domeniu este variabilitatea amplitudinilor de răspuns între diferite modele experimentale (Saparov și colab., 2001 ; Tsunoda et al., 2004). În lumina constatărilor recente, se pare că diferențele dintre preparate rezultă din diferențele dintre căile de reglementare intracelulare care guvernează disponibilitatea canalelor ionice AQP1. Fosforilarea tirozinei Y253 în domeniul terminal carboxilic, confirmat de western blot, ar putea fi unul dintre comutatoarele principale care reglementează receptivitatea canalelor ionice AQP1 la cGMP (Campbell și colab., 2012). Activitatea treoninei și serinei kinazei reglează, de asemenea, activitatea canalului ionic AQP1 (Zhang și colab., 2007). [Yool, 2012]


Imagini si Videoclipuri

Text1  01  
Aranjarea lanțului polipeptidic al aquaporinelor Aranjarea lanțului polipeptidic al aquaporinelor în bistratul lipidic Cele 6 domenii transmembranare (TM1-TM6) formează canalul de trecere a apei/glicerinei, iar cele două bucle, citosolică (B1), respectiv extracelulară (B2), asigură selectivitatea primară a complexului, străjuind vestibulele intern, respectiv extern ale căii de trecere. © Mircea Leabu, 2014
  02  
Structura Rodopsina
 
Structura cristalina a AQP10 umana  03  
Structura cristalina a AQP10 umana
Activare RCPG  04  
Activare RCPG
 
Organizarea transmembranar a receptorilor cuplai cu proteine G heterotrimerice  05  
Org. transmembranara RCPG
 Organizarea transmembranara a receptorilor cuplati cu proteine G heterotrimerice
Ectodomeniul proteinei poate organiza situri de interaciune cu o diversitate de molecule semnal. Aceste situri se pot afla la nivelul captului N-terminal al lanului polipeptidic, la nivelul buclelor extracelulare, dar i în spaiul creat, pe faa extern a membranei, de domeniile transmembranare TM3, TM5, TM6 i TM7, cu asistarea, la exterior, prin bucla dintre TM4 i TM5. La nivelul endodomeniului, receptorul organizeaz interfaa de interaciune cu proteinele G heterotrimerice.
Text6  06  
Text6
 
Transductia semnalului in receptorii cuplati cu proteina G.jpg  07  
Transductia semnalului in RCPG
 ⤵Transductia semnalului in receptorii cuplati cu proteina G
Compararea a patru structuri GPCR  08  
Compararea a patru structuri GPCR
Text9  09  
Text9
 
Text10  10  
Text10
 
×


Date medicale
 

  Diabetul insipid nefrogen, o boală foarte rară (un caz la 20 de milioane de nou-născuţi), caracterizată prin poliurie severă şi polidipsie refractară la hormonul antidiuretic, a fost dovedită a fi urmarea unor evenimente mutagene reflectate în structura AQP2 (Ma si colab. Ma, T., Song, Y., Yang, B., Gillespie, A., Carlson, E. J., Epstein, C. J., & Verkman, A. S. (2000). Nephrogenic diabetes insipidus in mice lacking aquaporin-3 water channels. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 97(8), 4386–4391. https://doi.org/10.1073/pnas.080499597. PMID: 10737773; PMCID: PMC18251., 2000) În prezent, terapia cu tiazide aduce unele ameliorări prin încetinirea eliminării apei prin urină. S-a luat în calcul şi posibilitatea unei terapii genice, deocamdată în stadiu experimental pe model de celule de şoarece cultivate in vitro. Raritatea deficienţelor umane în AQP1, 3 şi 7 şi variabilitatea fenotipurilor nu au încurajat cercetările în această direcţie.
  Neuromielitis optica (NMO), în care este implicată o deficienţă a AQP4, este o maladie neuroinflamatorie demielinizantă care, afectând nervul optic şi rahisul, produce orbire şi paralizii (5, 25). Are, desigur, caracteristici care o deosebesc de scleroza multiplă. Iar dacă, la rasa albă (caucazieni), NMO este totuşi o boală rară (1:100.000), la asiatici este mult mai frecventă, femeile fiind afectate în proporţie mai mare decât bărbaţii (7:1). În general, atât în diabetul insipid nefrogen, cât mai ales în NMO şi alte afecţiuni inflamatorii cu componentă autoimună (diferite maladii dermice, gastrointestinale, ale tractului respirator, boala Marinescu-Sjögren ş.a.), diagnosticul include şi depistarea unor autoanticorpi aquaporinici în ser. În neuromielita optică, de pildă, seropozitivitatea NMO–AQP4–IgG este întâlnită în până la 100% din cazuri (25). Pentru acest motiv, terapiile NMO urmăresc să diminueze răspunsul inflamator prin realizarea unei stări de imunodepresie. În prezent, este în curs crearea unor anticorpi monoclonali sau a unor molecule de talie mică ce ar putea să blocheze acţiunea patogenă a autoanticorpilor NMO–AQP4–IgG. Se experimentează, deocamdată, pe animale de laborator şi la un recombinat apatogen NMO–anticorp (aquaporumabs) capabil şi el să blocheze NMO–AQP4–IgG (25).
  Epilepsia şi alte neuroexcitaţii fac, şi ele, obiectul căutării unor relaţii cu AQP4, deşi deocamdată prezenţa semnificativ patogenă a aquaporinelor nu s-a putut dovedi decât în cazul aşa-numitelor „celule adiacente“ (gliale, dar nu neuronii din creier; ţesuturi de susţinere, dar nu receptorii olfactivi neuronali etc.). Aşa cum se vede în fig. 3e, participarea AQP4 în neuroexcitaţii e legată în principal de perturbări ale circulaţiei K+.
  Epiderma şi stratum corneum beneficiază, în mod normal, de AQP3, care facilitează transportul glicerolului în aceste zone (fig. 4a). Tulburarea expresiei acestei aquaporine reduce elasticitatea pielii, întârzie proliferarea şi migrarea celulară în plăgile cutanate (10).
  Obezitatea pare a avea şi ea o legătură cauzală, dar cu AQP7 (fig. 4b) (11). La şoarecii cu deficienţă AQP7 se constată creşterea masei de grăsimi, cu acumulare de glicerol, acizi graşi şi trigliceride în adipocite, ca urmare a reducerii permeabilităţii membranei plasmatice pentru glicerol. Concomitent, se produce şi o tulburare de reglare a glicerolkinazei. În obezitate şi diabet a fost dovedită şi implicarea dereglării AQP9, socotită a fi, în mod normal, un reglator important în metabolismul lipidic şi glucidic (18).
  Maladiile neoplazice şi relaţia lor cu anomaliile diferitelor aquaporine interesează astăzi pe mulţi cercetători. Aceasta mai ales după ce au fost confirmate investigaţii din anii 1997–2000, care arătau, folosind modele animale, că AQPs sunt implicate esenţial în migrarea celulară (fig. 3d). Asta înseamnă că ele contribuie la invazia neoplazică locală şi la distanţă, precum şi în procesele de neoangiogeneză (13, 23). S-a dovedit astfel că AQP1 este prezentă în cantităţi mari în mai multe tipuri de cancere, la om şi rozătoare, existând o relaţie de proporţionalitate directă între stadiul de dezvoltare al neoplaziei şi expresia AQP1. În glioblastom, expresia AQP4 este, de asemenea, semnificativ crescută (27). Studii relativ recente s-au axat pe relaţia dintre AQP3 şi neoplaziile cutanate virale (Papilloma) sau neinfecţioase. Motivaţia a fost că s-a descoperit iniţial o creştere semnificativă a acestei glicerolaquaporine în celulele bazale implicate în oncogeneza carcinomului scuamos uman. S-a dovedit că AQP3, favorizând transportul glicerolului, este un garant al desfăşurării unei multiplicări active şi, în final, al tumorigenezei cu celule epidermice transformate (10). O descoperire importantă de la care poate pleca o metodologie de tratament în cancerele pielii este că privarea naturală sau terapeutică de AQP3 induce o rezistenţă remarcabilă a învelişului cutanat faţă de tumorile specifice. În plus, AQP3 pare a fi însăşi cheia reglării energetice, dependentă de ATP. Pornind de la premisa că multiplicarea anarhică cheltuieşte cantităţi mari de energie, scăderea terapeutică a expresiei de AQP3 şi a glicerolului-combustibil ar putea reprezenta o metodă adjuvantă de tratament oncologic ce n-ar trebui să fie subestimată. În căutarea de markeri timpurii ai oncogenezei a fost luată, recent, în considerare şi AQP5 (expresia AQP5 mARN) cu creşteri semnificative în adenocarcinomul de sân (25). Fără îndoială că, în laboratoarele prezentului, în domeniul aquaporinelor sunt vehiculate şi alte ipoteze ce se cer verificate experimental şi, eventual, introduse în clinică.
SUS

 Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text
 Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text Text

 Bibliografie
  1. Binder D. K., Nagelhus E. A., Ottersen O. P. (2012). Aquaporin-4 and epilepsy. Glia, 60(8), 1203–1214. https://doi.org/10.1002/glia.22317.
  2. Szu, J. I., Patel, D. D., Chaturvedi, S., Lovelace, J. W., & Binder, D. K. (2020). Modulation of posttraumatic epileptogenesis in aquaporin-4 knockout mice. Epilepsia, 61(7), 1503–1514. https://doi.org/10.1111/epi.16551

SUS



Bibliografie
 
  1. Agre P et al. Aquaporins and ion conductance. Science. 1997 Mar 7;275(5305):1490

  2. Agre P. Aquaporins water channels. Nobel lecture, Stockholm. 2003 Dec 8

  3. Benga G et al. p-(Chloromercuri)benzenesulfonate binding by membrane proteins and the inhibition of water transport in human erythrocytes. Biochemistry. 1986 Apr 8;25(7):1535-8

  4. Benga G. Water channel proteins: from their discovery in Cluj-Napoca, Romania in 1985, to the 2003 Nobel Prize in chemistry and their implications in molecular medicine. Keio J Med. 2006 Jun;55(2):64-9

  5. Benga G. (2013). Aquaporinology (the study of water channel proteins - aquaporins and relatives) as a new domain of natural sciences. Muzeul Olteniei Craiova. Oltenia. Studii și comunicări. Științele Naturii. Tom. 29, No. 1/2013.

  6. Bennett JL et al. Intrathecal pathogenic anti-aquaporin-4 antibodies in early neuromyelitis optica. Ann Neurol. 2009 Nov;66(5):617-29

  7. Chen J et al. Aquaporin 3 promotes epithelial-mesenchymal transition in gastric cancer. J Exp Clin Cancer Res. 2014 May 3;33:38

  8. Cheng A et al. Three-dimensional organization of a human water channel. Nature. 1997 Jun 5;387(6633):627-30

  9. Deen PM et al. Requirement of human renal water channel aquaporin-2 for vasopressin-dependent concentration of urine. Science. 1994 Apr 1;264(5155):92-5

  10. Fujiyoshi Y et al. Structure and function of water channels. Curr Opin Struct Biol. 2002 Aug;12(4):509-15

  11. Hara-Chikuma M, Verkman AS. Roles of aquaporin-3 in the epidermis. J Invest Dermatol. 2008 Sep;128(9):2145-51

  12. Heymann JB, Engel A. Aquaporins: phylogeny, structure, and physiology of water channels. News Physiol Sci. 1999 Oct;14:187-193

    13. Li J, Verkman AS. Impaired hearing in mice lacking aquaporin-4 water channels. J Biol Chem. 2001 Aug 17;276(33):31233-7
  13. Loitto VM et al. Water flux in cell motility: expanding the mechanisms of membrane protrusion. Cell Motil Cytoskeleton. 2009 May;66(5):237-47

  14. Lu DC et al. Impaired olfaction in mice lacking aquaporin-4 water channels. FASEB J. 2008 Sep;22(9):3216-23

  15. Ma T et al. Defective secretion of saliva in transgenic mice lacking aquaporin-5 water channels. J Biol Chem. 1999 Jul 16;274(29):20071-4

  16. Ma T et al. Nephrogenic diabetes insipidus in mice lacking aquaporin-3 water channels. Proc Natl Acad Sci U S A. 2000 Apr 11;97(8):4386-91

  17. Ma, T., Song, Y., Yang, B., Gillespie, A., Carlson, E. J., Epstein, C. J., & Verkman, A. S. (2000). Nephrogenic diabetes insipidus in mice lacking aquaporin-3 water channels. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 97(8), 4386–4391. https://doi.org/10.1073/pnas.080499597. PMID: 10737773; PMCID: PMC18251
  18. Mader S et al. Patterns of antibody binding to aquaporin-4 isoforms in neuromyelitis optica. PLoS One. 2010 May 5;5(5):e10455

  19. Maeda N et al. Role of aquaporin-7 and aquaporin-9 in glycerol metabolism; involvement in obesity. Handb Exp Pharmacol. 2009;(190):233-49

  20. Noda Y et al. Aquaporins in kidney pathophysiology. Nat Rev Nephrol. 2010 Mar;6(3):168-78

  21. Park JH, Saier MH Jr. Phylogenetic characterization of the MIP family of transmembrane channel proteins. J Membr Biol. 1996 Oct;153(3):171-80

  22. Song Y, Verkman AS. Aquaporin-5 dependent fluid secretion in airway submucosal glands. J Biol Chem. 2001 Nov 2;276(44):41288-92

  23. Verkman AS. Role of aquaporins in lung liquid physiology. Respir Physiol Neurobiol. 2007 Dec 15;159(3):324-30

  24. Verkman AS. Dissecting the roles of aquaporins in renal pathophysiology using transgenic mice. Semin Nephrol. 2008 May;28(3):217-26

  25. Verkman AS, Thiagarajah JR. Physiology of water transport in the gastrointestinal tract. In: Johnson L (editor) – Physiology of the Gastrointestinal Tract. Elsevier, New York, 2011

  26. Verkman AS. Aquaporins in clinical medicine. Annu Rev Med. 2012;63:303-16

  27. Walz T et al. The AQP structure and functional implications. Handb Exp Pharmacol. 2009;(190):31-56

  28. Warth Aet al. Redistribution of aquaporin-4 in human glioblastoma correlates with loss of agrin immunoreactivity from brain capillary basal laminae. Acta Neuropathol. 2004 Apr;107(4):311-8

  29. Yool, A. J., & Campbell, E. M. (2012). Structure, function and translational relevance of aquaporin dual water and ion channels. Molecular aspects of medicine, 33(5-6), 553–561. https://doi.org/10.1016/j.mam.2012.02.001

https://www.viata-medicala.ro/documentar/aquaporinele-si-aquaporinopatologia-9801

SUS