アクアポリンの構造、ダイナミクス、機能

Structure, Dynamics, and Function of Aquaporins

2004 Winner of Visualization Challenge in Science and Engineering,
全米科学財団とサイエンス誌が主催したもの。 (関連するScienceの記事を参照）
水透過動画と2003年ノーベル化学賞

アクアポリンの水輸送の技術

アクアポリンは膜水チャネルで、細胞内の水分量を制御する上で重要な役割を担っています。 このチャネルは、バクテリア、植物、哺乳類など、あらゆる生物界に広く分布している。 ヒトの体内には10種類以上のアクアポリンが存在し、先天性白内障や腎性糖尿病などの疾患は、これらのチャネルの機能低下と関連していると言われています。 細胞膜上で4量体を形成し、水や、場合によっては他の小さな溶質の膜を越えた輸送を促進する。 これは、膜の電気化学的電位を維持するために重要な特性であると同時に、プロトンは通常、水分子を介して容易に移動することができるため、逆説的な性質でもある。 このたび、シミュレーションの結果、この興味深い性質の背後にあるメカニズムについて、新たな知見が得られました。 チャネルを通過する水分子は、タンパク質の静電気力によってチャネルの中心で反転することを余儀なくされ（アニメーションを参照）、それによってプロトン移動に必要なドナー・アクセプターの配置が崩れます（詳しい説明はScienceの論文でお読みください）。

Functional Implication of a Peculiar Protein Architecture

2000年に、UCSFのストラウド研究室はX線結晶学によってアクアポリンの最初の高解像度構造を解明することに成功した。 このアクアポリンは、グリセロールのような小さな直鎖の糖分子に対しても透過性を示す。 POPE脂質二重層中の4量体GlpFのナノ秒MDシミュレーションにより、チャネル内の基質伝導の完全な経路を明らかにした。 また、基質とチャネル内部の水素結合の相互作用の解析により、アクアポリンファミリー全体で保存されている、エネルギー的に不利な二次構造要素を含む2つの特徴的なループをなぜこれらのチャネルがそのアーキテクチャに組み込んでいるのかを初めて説明した (Jensenet al.)。

Energetics of Sugar Permeation

次に、チャネルを通過する際に基板が乗り越えるべき障壁を理解するために輸送イベントのエネルギー的特徴を探りました。 自由エネルギープロファイルを記述するために、外部からの力を加えてチャネルを通過するグリセロールの動きを加速した軌道から、完全な伝導事象の平均力のポテンシャルを計算した。 この方法はSMD（steeredmolecular dynamics）と呼ばれ、MDシミュレーションの時間スケールで遅い事象を観察することができる。 しかし、軌道が非平衡であるため、結果を解析する際に、不可逆的な仕事を考慮しなければならないという問題に直面します。 そこで、Jarzinskyの恒等式（非平衡系における自由エネルギーと仕事の等式）を用いて、グリセロールの輸送のエネルギー論を完全に記述することができるようになった。 計算された平均力ポテンシャルは、平衡MDシミュレーションや結晶構造の結果とほぼ一致し、チャネルの主要な結合部位や障壁を捉えていた。 さらに、その形状は顕著な非対称性を示し、タンパク質の非対称構造が環境から栄養分子を効率的に取り込むために機能的に重要である可能性が示唆された。 (Jensen, etal., PNAS, 2002).

What Makes an Aquaporin a Glycerol Channel

アクアポリンは膜タンパク質の非常に幸運なファミリーで、構造決定に対して悪名高い抵抗性であった。 我々はいくつかのアクアポリンの高分解能構造を手に入れた。 GlpF、AQP1、AQP0、そしてAqpZである。 さらに多くの構造が間もなく現れると期待される。 大腸菌の2つのAQP、1つは純粋な水チャネル（AqpZ）、もう1つはグリセロールチャネル（GlpF）の構造が得られたことは、遺伝的にも構造的にも非常に相同性の高い2つのチャネルを用いて、異なる物質の膜輸送を行う際に自然が採用した選択性の原則を理解するユニークな機会を与えてくれた。 実際、GlpFよりも全体的に細孔が狭くなっている（下図参照）。 同じファミリーから生まれた2つのタンパク質が異なる伝導特性を示すようになるために、自然はチャネルの孔の大きさを調節するという、非常に基本的なメカニズムに目を向けたようだ。 全文はWang, etal., STRUCTURE, 2005をご覧ください。

Putting Channels under Pressure

メンブラン水チャネル（浸透圧較差を利用して膜を越えて水の流れを引き起こす）の導電性について生化学的測定結果と直接比較するために、MDシミュレーションの新しいメソドロジーを開発しました。 バルク領域（図参照）の水分子に小さな力を加えることで、膜に静水圧勾配を発生させることができます。 この圧力勾配は伝導速度を引き起こし、通常数ナノ秒に制限されているMDシミュレーションで調べることができます。 この方法はGlpFを介した水の透過のシミュレーションに適用され、加えた圧力とフラックスの間に線形相関が得られた(Zhu et al., Biophys. J., 2002)。

Gating of Water Channels

アクアポリンによる水の透過は膜上の浸透圧の方向に従う受動的なプロセスであり、膜上の浸透圧の方向に沿って水が透過する。 多くのアクアポリンは常に開いているチャネルとして機能するが、特に植物のアクアポリンのサブグループは、水の交換が生物にとって有害となるような環境の厳しい条件に対応して、チャネルを閉じることができる高度な分子機構を進化させてきた。 例えば、干ばつや洪水などの過酷な環境下では、細胞内のシグナル（脱リン酸化やpH変化）が引き金となり、チャネルが閉鎖されるのである。 このような膜チャネルのゲーティングの分子メカニズムを調べるために、最近解明されたホウレンソウ由来のアクアポリンの構造をさまざまな条件下でシミュレーションした。 その結果、ゲーティングが可能なアクアポリンでは、細孔の入り口を細孔が閉じた状態でふさぎ、細孔への水分子のアクセスを阻害する細孔ループが存在することが明らかになった。 リン酸化によってこのループが変位すると、シミュレーションで観察されたように、ループが孔の細胞質側の入り口から外れる。 さらに、このループと構造的に密接に結合している疎水性アミノ酸は、ループの移動の結果、チャネルから引き戻されることになる。 これらの分子的な事象が組み合わさって、水分子が透過可能な開放型チャネルが形成される。 この研究は、『Nature2006』に掲載された。

Gating and Ion Conductivity of the Tetrameric Pore

AQPは一般に水に対して高い透過性を持つことで知られています。 しかし、水以外の小分子の透過や細胞間情報伝達など、他の細胞機能への関与が示唆されている。 AQPの構造的特徴として、4量体化が挙げられる。 4つのモノマーはそれぞれ機能的に独立した水孔を形成するが、機能するためには4量体化が必要であることから、オリゴマー化の相乗効果が示唆され、AQPの中心孔の役割の可能性についてさらに分析が必要である。 興味深いのは、cGMP活性化に伴うイオン伝導に中心孔が関与している可能性である。 私たちは、AQP1の膜埋め込み型モデルのMDシミュレーションを用いて、この性質を調べ、どのような形態や水和条件下で中心孔がどのように伝導し、伝導性がどのように制御されるかを明らかにしました。 細胞質内ループの1つであるアルギニンリッチループDは、我々のシミュレーションにより、cGMPを介した中心孔の活性化に重要な役割を果たすと示唆された。 このループDの役割は、ループDを設計した変異体がイオン伝導性を完全に失うことによって実験的に証明された( Yu et al., Structure, 2006 )。

気体分子は細胞内を移動する

毎朝、多くの人は車で通勤し、他の人は自転車やバス、地下鉄を利用していることだろう。 例えば、細胞膜を通過する際、疎水性の小さな気体分子は脂質膜を拡散し、水分子はアクアポリン（AQP）を通過します。興味深いことに、バスと車の両方で通勤することができるように、気体分子にも膜を通過する方法が複数あることが最近判明しています。 しかし、これらのガス分子がどのような経路をたどるかは、これまで不明でした。NAMDを用いた分子動力学法により、AQP1のガス透過性を、陽的ガス拡散シミュレーションと陰的リガンドサンプリングの2つの相補的手法で検討しました。 シミュレーションの結果、AQP1の4量体孔は水チャネルとして機能するが、中央孔はガス分子が膜を通過する経路として機能することが示唆された(Wang et al., Journal of Structural Biology, 2007 ).

Molecular Obstacle Course

生物細胞は細胞膜により内部構造を守る一方で、栄養の輸入によりその機能が保たれている。 この輸入のために、望ましい化合物と望ましくない化合物を区別する信頼性の高いチェックポイントを含む高速伝導チャンネルを進化させてきた。 チェックポイントは、正しい化合物だけが素早く通過できるような、まさに障害物コースを作っている。 しかし、栄養素の動態に関する詳細な実験データがないため、チャネルの設計を理解することは困難である。 現在、最も詳細な情報は、静的な結晶構造から始めて、計算機でチャネルのダイナミクスを見ることから得られている。 最近の研究では、ある種の細菌が必要とする小さな栄養分子であるグリセロールが、グリセロールチャネルGlpFを通して実現されるチェックポイントをどのように通過するかが調べられている。 GlpFは4つの並列チャネルを持ち、NAMDと新しいアルゴリズムを使って計算でモニターされた。このアルゴリズムは、現在のコンピュータで方法論的に実現可能なほど、チャネルのエネルギーを素早く探索することができる。 その結果、グリセロールの物理的特性、いわゆる水素結合を形成する能力、電気双極子モーメント、拡散移動度および固有の柔軟性が、チャネルに沿ってどのようにプローブされるかが示された（Henin et al, Biophysical Journal, in press ).

Publications

– 。//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.Diffusion of glycerol through Escherichia coli aquaglyceroporin GlpF.Jerome Henin, Emad Tajkhorshid, Klaus Schulten, and Christophe Cipot. 生物物理学雑誌, 94:832-839, 2008. 分子動力学による細胞膜および膜チャネルのガス透過性の探索.Yi Wang, Jordi Cohen, Walter F. Boron, Klaus Schulten, and Emad Tajkhorshid. Journal of Structural Biology, 157:534-544, 2007. アクアポリン-1における4量体孔の可能性のあるゲーティングのメカニズムとイオン伝導性.Jin Yu, Andrea J. Yool, Klaus Schulten, and Emad Tajkhorshid. Structure, 14:1411-1423, 2006. 植物アクアポリンゲーティングの構造メカニズム.S. Törnroth-Horsefield, Y. Wang, K. Hedfalk, U. Johanson, M. Karlsson, E. Tajkhorshid, R. Neutze, and P. Kjellbom.「植物アクアポリンの構造的メカニズム」. Nature, 439:688-694, 2006. アクアポリンをグリセロールチャネルにするもの。 AqpZとGlpFの比較研究.Yi Wang, Klaus Schulten, and Emad Tajkhorshid. Structure, 13:1107-1118, 2005. シングルチャンネル水輸送の動力学的理論とシミュレーション.Emad Tajkhorshid, Fangqiang Zhu, and Klaus Schulten. S. Yip, editor, Handbook of Materials Modeling, Vol.I: Methods and Models, pp.1797-1822 において。 Springer, Netherlands, 2005. 膜チャネルの理解に向けて.Emad Tajkhorshid, Jordi Cohen, Aleksij Aksimentiev, Marcos Sotomayor, and Klaus Schulten.日本学術振興会特別研究員(PD), 日本学術振興会特別研究員(PD), 日本学術振興会特別研究員による。 In Boris Martinac and Andrzej Kubalski, editors, Bacterial ion channels and their eukaryotic homologues, pp.153-190. ASM Press, Washington, DC, 2005. ミクロなチャンネルを通る水の透過に対する集団拡散モデル.Fangqiang Zhu, Emad Tajkhorshid, and Klaus Schulten.The System for Water Permeation for Microscopic channels. Physical Review Letters, 93:224501, 2004. (4ページ)。 膜チャネルの計算科学的研究.Benoit Roux and Klaus Schulten. 構造, 12:1343-1351, 2004.