Structure, Dynamics, and Function of Aquaporins

Structure, Dynamics, and Function of Aquaporins

2004 Winner of Visualization Challenge in Science and Engineering,
Organized by the National Science Foundation and Science Magazine. (Lásd a kapcsolódó Science cikket.)
Vízáteresztő filmünk és a 2003-as kémiai Nobel-díj

The Art of Water Transport in Aquaporins

Az aquaporinok membrán vízcsatornák, amelyek kritikus szerepet játszanak a sejtek víztartalmának szabályozásában. Ezek a csatornák széles körben elterjedtek az élet minden királyságában, beleértve a baktériumokat,a növényeket és az emlősöket. Az emberi szervezetben több mint tíz különböző aquaporint találtak, és számos betegség, mint például a veleszületett szürkehályog és a nefrogén diabetes insipidus, e csatornák károsodott működéséhez kapcsolódik. Tetramereket alkotnak a sejtmembránban, és megkönnyítik a víz és bizonyos esetekben más kis oldott anyagok membránon keresztüli szállítását. A vízpórusok azonban teljesen áthatolhatatlanok a töltött fajokkal, például a protonokkal szemben, ami figyelemre méltó tulajdonság, amely kritikus a membrán elektrokémiai potenciáljának megőrzése szempontjából, ugyanakkor paradox, mivel a protonok általában könnyen átvihetők a vízmolekulákon keresztül. Szimulációink eredményei most új betekintést nyújtottak az e lenyűgöző tulajdonság hátterében álló mechanizmusba. A csatornán áthaladó vízmolekulákat a fehérje elektrosztatikus erői arra kényszerítik, hogy a csatorna közepén megforduljanak (lásd az animációt), és ezzel megbontják a protonok transzlokációjához szükséges alternatív donor-akceptor elrendeződést (a teljes történetet a Science Paperben olvashatják).

Functional Implication of a Peculiar Protein Architecture

2000-ben Stroud laboratóriumának az UCSF-en sikerült röntgenkrisztallográfiával megoldania egy aquaporin első nagyfelbontású szerkezetét. A vizsgált szerkezet az E. coliglicerinfelvételi facilitátor (GlpF) szerkezete volt, amely egy aquaglicerinoporin,azaz a csatorna a kis lineáris cukormolekulák, például a glicerin számára is áteresztő. A tetramerikus GlpF nanoszekundumos MD-szimulációi a POPE lipid kettősréteg hidratált foltjában jellemezték a szubsztrátvezetés teljes útját a csatornában. A szubsztrátnak a csatorna belsejével való hidrogénkötéses kölcsönhatásainak elemzése először magyarázta meg azt is, hogy ezek a csatornák miért tartalmaznak két jellegzetes hurkot az architektúrájukban, beleértve az energetikailag kedvezőtlen másodlagos szerkezeti elemeket, amelyek az egész aquaporinfamilyben konzerváltak (Jensenet al., Structure, 2001).

A cukorpermeáció energetikája

Ezután a transzportfolyamat energetikáját vizsgáltuk, hogy megértsük, milyen akadályokat kell a szubsztrátnak leküzdenie a csatornán való áthaladása során. A szabadenergia-profil leírásához kiszámítottuk az átlagos erő potenciálját a teljes vezetési eseményhez azokból a pályákból, amelyeken a glicerin mozgását a csatornán keresztül külső erők alkalmazásával gyorsítottuk. Ez az irányított molekuláris dinamika (SMD) néven ismert technika lehetővé teszi a lassú események megfigyelését az MD-szimulációk elérhető időskáláján belül. A pályák nem egyensúlyi jellege miatt azonban az eredmények elemzésekor az irreverzibilis munka problémájával kell számolni. A Jarzinsky-azonosság, a szabad energia és a munka egyenlősége a nem egyensúlyi rendszerekben, segítségével teljes mértékben le tudtuk írni a csatornán keresztül történő glicerintranszport energetikáját. A kiszámított átlagos erő potenciálja a csatorna főbb kötőhelyeit és akadályait rögzíti, szoros összhangban az egyensúlyi MD-szimulációk és a kristályszerkezet eredményeivel. Ezen túlmenően az alakja kifejezett aszimmetriát mutat, ami arra utal, hogy a fehérje aszimmetrikus szerkezete funkcionálisan fontos lehet a tápanyagmolekulák hatékony felvételéhez a környezetből. (Jensen, etal., PNAS, 2002).

What Makes an Aquaporin a Glycerol Channel

Az aquaporinok a membránfehérjék igen szerencsés családja,amelyek köztudottan ellenállnak a szerkezetmeghatározásnak. Számos AQP nagy felbontású szerkezetét ismerjük: GlpF, AQP1, AQP0 ésAqpZ. Várhatóan hamarosan további struktúrák jelennek meg. Az E. coliból származó két AQP szerkezete – az egyik egy tiszta vízcsatorna (AqpZ), a másik pedig egy glicerincsatorna (GlpF) – egyedülálló lehetőséget biztosított számunkra, hogy megértsük a természet által alkalmazott szelektivitási elveket, amikor két genetikailag és szerkezetileg nagyon homológ csatornát használunk a különböző anyagok membránforgalmazására.A glicerin vezetésére e két csatornában számított akadályok összehasonlítása kimutatta, hogy az AqpZ kihasználja a sztérikus akadályokat, hogy megnehezítse a glicerin átjutását. Valójában a pórus összességében szűkebb, mint a GlpF (lásd az alábbi ábrát). Úgy tűnik, hogy a természet egy nagyon alapvető mechanizmushoz, nevezetesen a csatorna pórusméretének beállításához folyamodott annak érdekében, hogy az ugyanabból a családból származó két fehérje eltérő vezetési tulajdonságokat mutasson. A teljes cikk a Wang, etal., STRUCTURE, 2005-ben olvasható.

Putting Channels under Pressure

Annak érdekében, hogy az MDszimulációk eredményeit közvetlenül összehasonlíthassuk a membrán vízcsatornák vezetőképességének biokémiai méréseivel, amelyekben ozmotikus nyomásgradienseket használunk a víz membránon keresztüli áramlásának kiváltására, új módszertant fejlesztettünk ki az MD-szimulációkhoz. Azáltal, hogy kis erőket alkalmazunk a vízmolekulákra az ömlesztett tartományban (lásd az ábrát), hidrosztatikus nyomásgradiens keletkezik a membránon keresztül. A nyomásgradiens olyan vezetési sebességeket indukál, amelyek MD-szimulációkkal tanulmányozhatók, amelyek általában néhány nanoszekundumra korlátozódnak. A módszert alkalmazták a GlpF-en keresztül történő vízpermeáció szimulációjában, és lineáris korrelációt eredményezett az alkalmazott nyomás és a fluxus között (Zhu et al.,Biophys. J., 2002).

Vízcsatornák kapuzása

Az aquaporinokon keresztül történő vízpermeáció egy passzív folyamat, amely követi a membránon keresztül az ozmotikus nyomás irányát. Bár sok aquaporin mindig nyitott csatornaként működik, az aquaporinok egy alcsoportja, különösen a növényekben, olyan kifinomult molekuláris mechanizmust fejlesztett ki, amelyen keresztül a csatorna bezáródhat a környezet olyan zord körülményeire válaszul, amelyek között a vízcsere káros lehet a szervezet számára. Ilyen körülményekre példa a szárazságstressz és az árvíz, amelyek bizonyos sejtszintű jeleket váltanak ki (defoszforiláció és pH-változás), amelyek a csatorna záródását eredményezik. Egy spenótból származó aquaporin nemrégiben megoldott szerkezetét szimuláltuk különböző körülmények között, hogy megvizsgáljuk a kapuzás molekuláris mechanizmusát ezekben a membráncsatornákban. Megállapítottuk, hogy a kapuzásra képes aquaporinokban egy megnyúlt citoplazmatikus hurok fizikailag elzárja a vízpórus bejáratát a zárt csatornában, és megakadályozza a vízmolekulák pórushoz való hozzáférését. Ennek a huroknak a foszforiláció hatására történő elmozdulása, amint azt a szimulációkban megfigyeltük, eltávolítja a hurkot a pórus citoplazmatikus bejáratától. Továbbá, egy hidrofób aminosav, amely konformációsan szorosan kapcsolódik ehhez a hurokhoz, a hurok elmozdulása következtében visszahúzódik a csatornából. Ezek a molekuláris események együttesen egy nyitott csatornát eredményeznek, amely vízmolekulák számára átjárható. A tanulmány a Nature2006 című folyóiratban jelent meg.

Gating and Ion Conductivity of the Tetrameric Pore

Az AQP-k általában magas vízáteresztő képességükről ismertek. Azonban más sejtfunkciókban való részvételüket, beleértve a vízen kívüli kismolekulák permeációját, valamint a sejt-sejt kommunikációban való részvételüket is feltételezték. A tetramerizáció az AQP-k közös szerkezeti jellemzője. Az a tény, hogy a négy monomer mindegyike funkcionálisan független vízpórust képez, de a működéshez tetramer szerveződésre van szükség, az oligomerizáció szinergikus előnyére utal, és így az AQP-kben a központi pórus lehetséges szerepének további elemzését teszi szükségessé. Érdekes felvetés a központi pórus lehetséges részvétele az ionvezetésben a cGMP aktiválásakor. Az AQP1 membránba ágyazott modelljeinek MD-szimulációjával megvizsgáltuk az AQP1 e tulajdonságát, hogy meghatározzuk, hogyan és milyen konformációs és hidratációs körülmények között vezethet a központi pórus, és hogyan szabályozható a vezetőképesség. Az egyik citoplazmatikus hurok, nevezetesen az argininben gazdag D hurok, a szimulációink szerint kulcsszerepet játszik a centrális pórus cGMP által közvetített aktiválásában. A D hurok feltételezett szerepét kísérleti úton igazolták a D hurok egy tervezett mutánsával, amely az ionvezetés teljes elvesztését mutatta ( Yu et al.,Structure, 2006 ).

Gázmolekulák ingáznak a sejtbe

Minden reggel sokan autóval mennek a munkahelyükre, míg mások kerékpárral, busszal vagy metróval.hasonlóan az emberi szervezetben lévő különböző biomolekulák is változatos módon jutnak el a céljukhoz. Például a sejtmembránon való átjutáshoz a kis hidrofób gázmolekulák a lipidrétegen keresztül diffundálnak, míg a vízmolekulák az aquaporinokon (AQP-k) keresztül jutnak át.Érdekes módon, ahogyan az ember busszal és autóval is eljuthat a munkahelyére, nemrégiben azt találták, hogy egyes gázmolekulák többféleképpen is átjuthatnak a membránon, azaz, a lipideken keresztüli diffúzió mellett az oxigén és a szén-dioxid is áthaladhat az AQP-ken.Azonban az, hogy ezek a gázmolekulák milyen utakat járnak be, megfoghatatlan maradt.NAMD-vel végzett molekuladinamikával vizsgáltuk az AQP1 gázáteresztő képességét két egymást kiegészítő módszerrel (explicit gázdiffúziós szimuláció és implicit ligandsampling). A szimulációs eredmények arra utalnak, hogy míg az AQP1 négymonomer pórusai vízcsatornaként működnek, az AQP1 központi pórusa a gázmolekulák számára a membránon való áthaladás útjaként szolgálhat (Wang et al., Journal of Structural Biology, 2007 ).

Molekuláris akadálypálya

A biológiai sejtek a sejtmembránokon keresztül védik a belsejüket, mégis a tápanyagok importjára támaszkodnak. Ehhez az importhoz gyors vezetési csatornákat fejlesztettek ki, amelyek megbízható ellenőrző pontokat tartalmaznak, amelyek megkülönböztetik a kívánatos és nem kívánatos vegyületeket. Az ellenőrzőpontok valóságos akadálypályát állítanak fel, amelyen csak a megfelelő vegyületek tudnak gyorsan áthaladni. A csatorna kialakításának megértése nehéz a tápanyagok dinamikájára vonatkozó részletes kísérleti adatok hiánya miatt. Jelenleg a legrészletesebb információk a csatornadinamika számításos vizsgálatából származnak, statikus kristályszerkezetekből kiindulva. Egy nemrégiben készült tanulmány azt vizsgálta, hogy a glicerin, az egyes baktériumok számára szükséges kis tápanyagmolekulák hogyan jutnak át a GlpF glicerincsatornán keresztül megvalósított ellenőrzőpontokon. A GlpF négy párhuzamos csatornát biztosít, amelyeket NAMD és egy új algoritmus segítségével számítással követtünk nyomon, amely elég gyorsan feltárja a csatorna energetikáját ahhoz, hogy módszertanilag megvalósítható legyen a mai számítógépeken. Az eredmények azt mutatják, hogy a glicerin fizikai jellemzői, az úgynevezett hidrogénkötések kialakítására való képességük, elektromos dipólusmomentumuk, diffúziós mobilitásuk és saját rugalmasságuk hogyan szondázható a csatorna mentén (Henin et al, Biophysical Journal, in press ).

Publikációk

-//W3C//DTD XHTML 1.0 Transitional//EN” “http://www.w3.org/TR/xhtml1/DTD/xhtml1-transitional.dtd”>Publications Database Diffusion of glycerol through Escherichia coli aquaglyceroporin GlpF.Jerome Henin, Emad Tajkhorshid, Klaus Schulten, and Christophe Chipot. Biophysical Journal, 94:832-839, 2008. Exploring gas permeability of cellular membranes and membrane channels with molecular dynamics.Yi Wang, Jordi Cohen, Walter F. Boron, Klaus Schulten, and Emad Tajkhorshid. Journal of Structural Biology, 157:534-544, 2007. Mechanism of gating and ion conductivity of a possible tetrameric pore in Aquaporin-1.Jin Yu, Andrea J. Yool, Klaus Schulten, and Emad Tajkhorshid. Structure, 14:1411-1423, 2006. A növényi aquaporin kapuzás szerkezeti mechanizmusa.S. Törnroth-Horsefield, Y. Wang, K. Hedfalk, U. Johanson, M. Karlsson, E. Tajkhorshid, R. Neutze és P. Kjellbom. Nature, 439:688-694, 2006. Mitől lesz egy aquaporin glicerincsatorna: Yi Wang, Klaus Schulten és Emad Tajkhorshid. Structure, 13:1107-1118, 2005. Egycsatornás víztranszport kinetikai elmélete és szimulációja.Emad Tajkhorshid, Fangqiang Zhu és Klaus Schulten. In S. Yip, editor, Handbook of Materials Modeling, Vol. I: Methods and Models, pp. 1797-1822. Springer, Hollandia, 2005. Towards understanding membrane channels.Emad Tajkhorshid, Jordi Cohen, Aleksij Aksimentiev, Marcos Sotomayor, and Klaus Schulten. In Boris Martinac and Andrzej Kubalski, editors, Bacterial ion channels and their eukaryotic homologues, pp. 153-190. ASM Press, Washington, DC, 2005. Kollektív diffúziós modell a mikroszkopikus csatornákon keresztül történő vízpermeációra: Fangqiang Zhu, Emad Tajkhorshid és Klaus Schulten. Physical Review Letters, 93:224501, 2004. (4 oldal). Computational studies of membrane channels.Benoit Roux és Klaus Schulten. Structure, 12:1343-1351, 2004.