水分子通道蛋白的结构与功能_隋海心

第16卷第2期2004年3月

化　学　进　展

PROGRESSINCHEMISTRY

Vol.16No.2

　Mar.,2004

编者按　瑞典皇家科学院在2003年10月8日宣布,当年的诺贝尔化学奖颁发给在

水通道和离子通道的基础研究中分别做出突出贡献的PeterAgre和RoderickMackin-non,同时指出:“In2000and2001,thefirsthigh-resolution3DstructuresofAQP1andare-latedglycerol-selectivebacterialchannelprotein(GlpF)werereported(Fuetal.,2000;Mu-rataetal.,2000;Renetal.,2001;Suietal.,2001).Basedonthesestructures,detailedmodelshavebeenputforwardtoexplainthehighpermeationrate,thestrictwaterselectivity,andtheabilityofAQP1topreventprotonleakage(…)”(引自瑞典皇家科学院在2003年10月8日发布的Advancedinformation)

在上述引文的第一作者中,Murata是与P.Agre等一道发表论文的日本科学家,其它三位都是中国青年学者:富大雄(Fu,D.),任罡(Ren,G.)和隋海心(Sui,H.),他们的论文出处见本文的参考文献[33]、[31]和[32]。本文作者隋海心是大连理工大学材料工程系的研究生(1989—1995)、任罡是北京科技大学材料物理系的研究生(1993—1997)。他们都师从郭可信院士,在中国科学院北京电子显微镜实验室从事电子显微像的图像处理与三维重构的博士论文工作。隋海心在博士毕业后还在1996年从国家自然科学基金委员会申请到题为“电子晶体学图像处理在准晶近似相结构研究中的应用”的资助。任罡在彭练矛研究员的具体指导下的博士论文题目是“定量电子显微学及其应用”。他们在国内已有扎实的电子显微学和晶体学基础,在去美转攻蛋白膜水通道的研究工作后,很快作出优异成绩,引起世人注意。

水分子通道蛋白的结构与功能

隋海心任　罡

＊

(LifeSciencesDivision,LawrenceBerkeleyNationalLaboratory,Berkeley,CA94720,USA)

＊

(DepartmentofCellBiology,TheScrippsResearchInstitute,LaJolla,CA92037,USA)

摘　要　水分子穿越双磷脂生物膜的输运机理是生理学和细胞生物学中一个长期未能解决的重要问题。AQP1水通道蛋白的发现和鉴定使得人们确认出一个新的蛋白质家族———水通道蛋白家族。正是这一蛋白家族的存在,使得水分子可以进行快速的跨膜传输。由晶体学方法解出的哺乳动物AQP1水通道蛋白的原子结构,最终揭示了水通道蛋白只允许水分子快速传输而阻挡其他的小分子和离子(包括质子H)的

筛选输运机理。本文概述了水通道蛋白的发现和其对水分子的筛选传输机理。

关键词　水通道蛋白　水传输　结构与功能　膜通道

中图分类号:Q51　文献标识码:A　文章编号:1005-281X(2004)02-0145-08

+

　　收稿:2004年1月

　＊通讯联系人　e-mail:[email protected];[email protected]

·146·

化　学　进　展

第16卷

StructureandMechanismofWaterChannels

SuiHaixin

＊

(LifeSciencesDivision,LawrenceBerkeleyNationalLaboratory,Berkeley,CA94720,USA)

＊

RenGang(DepartmentofCellBiology,TheScrippsResearchInstitute,LaJolla,CA92037,USA)

Abstract　Themechanismofwatertransportacrossbiologicalmembraneshasbeenalongstandingprobleminphysi-ologyandcellbiology.ThediscoveryandcharacterizationoftheAQP1waterchannelproteinleadstotheidentificationoftheaquaporinfamilyofwaterchannelswhichisresponsibleforthewaterpermeabilityofbiologicalmembranes.Theatom-icstructureofmammalianAQP1revealshowthisfamilyofproteinstransportswatermolecules,butnotothersmallmole-culesandions(includingprotons),rapidlyacrosscellmembranes.Thisreviewsummarizesthediscoveryofwaterchan-nelproteinsandtheirmechanismofwater-specifictransport.

Keywords　aquaporin;watertransport;structureandfunction;membranechannel

由此可见,水通道蛋白对于生命活动至关重要。

一、水通道蛋白的重要性

活细胞外面有一层由磷脂组成双层膜,称为双磷脂细胞膜。它将细胞的内环境物质及细胞器等与外部环境区分开。水、离子以及其他极性分子一般

不能透过这层双磷脂细胞膜。但是细胞生命活动经常需要有选择性地对这些物质进行快速跨膜传输。这是通过镶嵌在细胞膜上具有输运化学物质功能的膜蛋白来实现的,不同膜蛋白具有输运不同化学物质的能力。

水是活细胞的主要组成部分。在活细胞中,水的比例占总重量的70%左右。大多数的细胞生化反应都是在水环境中进行的。水分子的跨膜输运是如何实现的是生命科学中一个非常重要的基本问题。水分子虽然可以以简单渗透扩散方式通过细胞膜,但是扩散速度非常缓慢。科学研究证明,水分子跨越细胞膜的快速输运是通过细胞膜上的一种水通道蛋白(aquaporin,AQP)实现的。一个AQP1水通道蛋白分子每秒钟可以允许30亿个水分子通过。水

[1]

通道蛋白大量存在于动物、植物等多种生物中。在哺乳动物中,水通道蛋白大量存在于肾脏、血细胞和眼睛等器官中,对体液渗透、泌尿等生理过程非常重要。在植物当中,水通道蛋白直接参与根部水分吸收及整个植物的水平衡。由于水通道蛋白的存在,细胞才可以快速调节自身体积和内部渗透压。

　＊通讯联系人

,它是1 12的质量,二、水通道蛋白的发现与分类

早在19世纪中叶,人们就设想生物器官的表面存在传输水和小分子溶质的“通道(channel)”。从

20世纪50年代后期到80年代中期,一些对血红细胞进行研究的学者提出在血红细胞膜上可能存在有可以传输水分子的蛋白

[2—7]

。例如Macey和Farmer

在1970年发现血红细胞的很好的透水性可以被水

[4]

银化合物所阻塞。由此他们推断,红细胞膜上应该存在一种基本上只允许水分子通过的水通道蛋白。这种蛋白的过滤性质可以被pCMBS等水银化合物所改变。这一设想与发现水通道蛋白后的一些实验结果相符合

[8—10]

。但是上述这些工作并没有确

定无疑地找到并表征出水通道蛋白。同不少科学上的重要成果一样,第一个水分子通道蛋白的发现和纯化是一个意外收获。80年代中期,JohnHopkins大学的PeterAgre研究小组设法从血细胞膜上提纯Rh血液组抗原的32kDa单元。他们在提纯过程中发现有一种分子量为28kDa的物质总是会被一同提纯出来。他们起初以为这是Rh蛋白的降解产物。后来意识到这是一种以前没有被发现的蛋白。于是Agre研究组的主要研究方向转而投向这个新蛋白。他们于1988年从血红细胞和肾小管中分离纯化了这种蛋白

[11]

＊＊

,并根据其分子量命名该蛋白为

第2期隋海心等　水分子通道蛋白的结构与功能·147·

CHIP28(channel-likeintegralmembraneprotein,28kDa)。考虑到CHIP28很可能就是大家一直在寻找的水通道蛋白,Agre小组用一个巧妙的办法进行了测试。他们用微管注入的方法将CHIP28的mR-NA注入到蛙卵细胞(xenopusoocytes)内,从而将该蛋白表达到了蛙卵细胞膜上。在溶液中加入高渗透压介质后,表达了CHIP28的蛙卵细胞迅速膨胀直至破裂,而没有表达CHIP28的细胞则几乎没有变化(见图1)。于是水分子通道蛋白第一次被确定无疑地鉴定了出来。CHIP28蛋白也被重新命名为1号

[13]

水通道蛋白:aquaporin1AQP1。

[8]

[12]

反而造成了一些分类概念上的混乱。在此我们仍然沿用“主体蛋白家族”的名称。主体蛋白家族大致可以分成两个蛋白家族,即允许水分子通过的“水通道

蛋白”AQP和允许甘油分子通过的“甘油通道蛋白(glycerolfacilitators)”

[18,19]

。甘油通道蛋白的发现和

[20,21]

鉴定早于水通道蛋白的发现和鉴定,其家族成

员大多存在于细菌、真菌等低等生物中。绝大多数甘油通道蛋白在传输甘油分子的同时也可以允许一些水分子通过。水通道蛋白家族成员则主要存在于动物和植物中,除一部分水通道蛋白可以允许少量甘油分子通过外,其余的水通道蛋白都能高效地阻挡其他分子和离子(包括质子)并只允许水分子快速通过。AQP1蛋白就是一个存在于哺乳动物中的只传输水分子的典型水通道蛋白。它在哺乳动物中保

＊

守性非常好。

三、水通道蛋白的结构与机理

蛋白质的功能是通过其结构来实现的。要解决

图1　注入了AQP1水通道蛋白mRNA的蛙卵细胞在高

渗透压介质环境中迅速膨胀(上一行图);与之相对应,没有注入AQP1蛋白mRNA的蛙卵细胞则没有

[8]变化(下一行图)(本图经PeterAgre教授同意使

一个蛋白的功能机理问题,必须首先解出它的原子

结构。目前研究膜蛋白结构的主要方法是X光晶体学和电子晶体学。用X光晶体学解决蛋白质的结构问题已经发展得非常成熟和完善。这种方法是对蛋白质三维晶体进行衍射实验,然后对收集到的只含有振幅信息的衍射强度进行分析计算,得出衍射的相位信息,然后通过傅里叶合成得到电荷密度图,从而解出原子结构。电子晶体学方法历史相对短暂,但已经成功地解出了几种重要的蛋白质结构

[23—25]

模型。这种方法是由RichardHenderson等人为研究二维蛋白质晶体结构而发展出来的

[22,23]

用)

Fig.1　XenopusoocytesmicroinjectedwithAQP1mRNA

sweldrapidlywhenplacedinahypo-osmoticmedium(thefirstrowoftheimages),incontrasttononinject-edoocytes(thesecondrowoftheimages)(ThefigurewasreprintedwithpermissionfromProf.PeterAgre)

在提纯并鉴定AQP1蛋白为水分子通道蛋白后,人

们在哺乳动物中又陆续发现了多种不同的水通道蛋白。这些蛋白被归类成10种水通道蛋白,即:AQP0—AQP9

[14—17]

。概括

地说就是通过对用电子显微镜收集的显微照片及衍射图进行分析处理,取得二维晶体在傅里叶空间的相位和振幅信息,从而重构出蛋白的电子密度图以解出其结构。详细方法请参阅《电子显微学进展》中的“生物大分子的电子显微学”一文。

为了澄清水通道蛋白只允许水分子快速通过的机理,AQP1水通道蛋白发现之后不久,几个世界著名的研究组就开始用不同方法对AQP1的结构进行研究。最初的一些低分辨率结构信息都是用电子晶体学方法获得的。如伯克利的LawrenceBerkeley国家实验室,圣地亚哥的Scripps研究所,以及以美国JohnHopkins大学的PeterAgre为首并包括日本和瑞士科学家的多国联合课题组同时于1997年取得了　　　

[26]

。它们构成了人们通常所说的

AQP水通道蛋白家族的主体。由于基因的相似性,水通道家族蛋白又可以被归于另一个更大的蛋白家族———主体蛋白(MIP:majorintrinsicprotein)家族之中。AQP1被鉴定为水通道蛋白以后,人们对植物、细菌、真菌等中被归于主体蛋白家族的350多个成员进行了进一步研究,发现它们与水通道蛋白之间存在很多的相似性(参阅文献[1],[18])。因而有人提出将“主体蛋白家族”改名为“水通道蛋白家[19]

族”。这一提议只获得了部分学者的响应,由此　　

(、、),,。

·148·

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[27—29]

第16卷

6—8 的低分辨率的三维密度图。在2000年

到2001年间,与PeterAgre合作以日本京都大学Fu-jiyoshi研究小组为主体的多国联合课题组和Scripps研究所的任罡等人用电子晶体学方法分别得到了分辨率为3.8 和3.7 的AQP1水通道蛋白结构

[30,31]

。Berkeley实验室的隋海心等人则用X光晶

体学方法解出了分辨率为2.2 的AQP1水分子通道蛋白原子结构,并观察到陷嵌在通道管中的水分子

[32]

。在此之前,加州大学旧金山分校的富大雄等

人用X光晶体学方法解出了与水通道蛋白家族相关的甘油通道蛋白GlpF(GlycerolfacilitatorinE.co-li)的高分辨率(2.2 )原子结构

[34]

＊

[33]

。Rockefeller大学

RoderickMacKinnon小组的Doyle等人解出了KcsA钾离子通道蛋白结构。通过将GlpF甘油通道和KcsA钾离子通道蛋白的原子结构与AQP1水通道蛋白原子结构进行分析比较,水通道蛋白的功能机理终于得以澄清。

AQP1在细胞膜中以四聚体形式存在(图2)。每个单聚体(即一个AQP1分子)是一个独立功能单元,中心存在一个通道管。它由6个贯穿膜两面的长α螺旋构成基本骨架,其中间有两个嵌入但不贯穿膜的短α螺旋几乎顶对顶地放置着(图3)。在两个短螺旋相对的顶端各拥有一个在所有水通道家族　　　

[32]

图3　水通道蛋白的α螺旋结构构造。一个AQP1分子是

由6个贯穿膜两面的长α螺旋构成基本骨架,其间还有两个嵌入但不贯穿膜的短α螺旋几乎顶对顶地放置着(本图根据文献[36]的图11改绘)

Fig.3　ArchitectureofαhelicesinanAQP1monomer.Each

monomercontainssixtransmembranehelicespackedto-gethertolikeastick-bundle.Thenon-membrane-span-ninghelices,positionedend-to-end,defineamajorportionofthewatertransportationporerunningthroughthecenterofthebundle.(ThefigurewasmodifiedfromFigure11ofreference[36])

蛋白中都保守存在的Asn-Pro-Ala(NPA)氨基酸组

单元。它们使得这种顶对顶结构得以稳定存在。从两个螺旋的顶端分别延生出一条氨基酸残基松散链条分别回绕,走向各自的膜面。后面我们会看到这种短α螺旋结合松散链条组成的结构单元对水通道功能非常重要。事实上,这种结构单元不仅存在于水通道蛋白中,还在其他小分子或离子通道蛋白中

图2　水通道蛋白的投影密度图。在双磷脂膜中,4个

AQP1水通道蛋白分子构成一个四聚体。每个水通道分子单体的中心存在一个只允许水分子通过的通道管(本图取自文献[35],经作者同意使用)Fig.2　ProjectiondensitymapofAQP1waterchannelprotein.

ThefunctionalunitofAQP1isatetramerwitheachmonomerprovidinganindependentchannelporethattransportswateracrosscellmembrane(ThefigurewasmodifiedfromtheFigure1cinreference[35])

起关键作用。例如,KcsA钾离子通道蛋白的过滤管就是由这种结构单元构成的(见图6(b))。在水通道蛋白结构解出之后,这种结构单元特征引起了膜蛋白结构生物学和蛋白质结构推算领域的学者们的极大兴趣。

水通道蛋白的通道管部分长约20 。参与构成通道管的是6个贯穿膜的长α螺旋中靠近四聚体中心的4个螺旋,以及上面所提到的由两个对顶短α　　　

。

第2期隋海心等　水分子通道蛋白的结构与功能·149·

螺旋所延生出的两个松散链条(参见图6(a))。通道管由4个贯穿膜的长α螺旋参与构成的部分多为非极性氨基酸组成,而由两个松散链条参与构成的　　

部分多为极性氨基酸组成。如果从中间将之纵劈为两半,通道管可视为一半亲水,而另一半疏水。整体看来,通道管不具有很好的亲水性。

图4中蓝色斑点所示为水通道蛋白的通道管部分。与大家原先的猜测有所不同,通道管的限制口位置不在靠近两个NPA组单元的管道中点,而是位于其上方大约8 处。狭口由His182,Arg197,Phe58和Cys191这4个氨基酸残基构成。这4个氨基酸构成的狭口对于水通道蛋白对水分子筛选机理至关重要。AQP1水通道的通道管狭口处直径约为2.8 ,有少许”Z”型扭折,除此之外的大部分管道的宽度为4 左右,走向与膜面基本垂直。

用于衍射分析的AQP1蛋白的三维晶体可以给

[39]

出比2.2 还低的衍射斑点,从解出的电子势密度图中可以清楚地看到陷嵌在通道管中的水分子。水分子在通道管中的位置对于我们理解水通道的筛选机理有重要意义。通道管中在图4所示的4个绿色球珠的位置上有了水分子。这4个位置分别处于狭口附近内侧,通道中心两边分别靠近两个短α螺旋顶部的Asn194和Asn78的位置,以及通道管下部

图4　AQP1水通道蛋白的通道结构及通道中水分子的

位置。蓝色斑点所示为水通道蛋白的通道管部分。通道的限制口位于中点上面8 左右的地方,由His182(H182),Arg197(R197),Phe58(F58)和Cys191(C191)4个氨基酸残基构成。通道管中的4个绿色珠球所示为陷嵌其中的水分子位置。这些水分子附近的氨基酸残基为其提供近似水环境。这些氨基酸残基主要来自于从两个不穿膜的小螺旋的顶端延生出的松散链条(参见图6(a))(本图参考文献[32]的图2和图4,用MOSCRIPT[37]和RAS-TER3D[38]软件绘制)

Fig.4　Structureofthewaterchannelandlocationsoftrapped

watermolecules.Thestructuralbackboneisinribbonformat.Theporeprofileishighlightedbyanarrayofbluedots.Theconstrictionregion,formedbyHis182,Arg197,Phe58andCys191,isvisibleasthepinched-inareaintheextracellularhalfoftheprofilewhichisabout8 abovethemiddle.Fourwatermoleculestrappedinsidethechannelporearedepictedasgreenspheres.Therelativelyhydrophilicenvironmentaroundthewaterbindingpositionswasprovidedmainlybytheaminoacidresiduesfromthetwoloopsextendingfromofthenon-membrane-spanningαhelices(ThisfigurewasproducedusingMOLSCRIPT[36]andRaster3D[37]basedonFigures2and4fromreference[32])

与狭口相对应的His76附近。尽管这4个水分子呈直线状排列,但由于水分子的相对取向和距离等因

素限制,它们之间不能形成连续的氢键链。对沿着通道管方向的氨基酸的亲水性分析表明,嵌镶在通道管中的水分子正好处于亲水性较好的峰点附近。

四、水通道蛋白对水分子的筛选机理

水分子可以通过AQP1水通道快速传输,而其他小分子和离子则无法通过。这种选择性过滤功能是通过控制AQP1的通道管空间尺寸及溶质结合位置而实现的。

(1)通道管的空间尺寸限制了比水分子大的小分子的通过

AQP1通道管上由His182,Arg197,Phe58和Cys1914个氨基酸残基构成的狭口直径约为2.8 。这恰好是一个水分子的大小,使得任何尺寸大于水分子的“小分子”,如甘油等,都无法通过通道。在这4个氨基酸残基处发生任何变化,对水通道的水分子选择性快速通过将有重大影响。例如,对于与AQP1水通道蛋白相关的GlpF甘油通道蛋白,其通道管狭口是由与上面4个氨基酸残基相对应的Gly191,Arg206,Trp48和Phe200构成(参见图5)。这样的变化使得GlpF的狭口尺寸比AQP1略大,亲水[33]

·150·

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第16卷

　　如图6所示,除了靠近狭口附近,在通道管中另外还分布了3个水分子结合位置。如前所述,这个直径约为4 的通道管中是一个亲水性不好的环境。但是通道管中分布了可结合水分子的亲水位点,这使得水分子通过整个通道管的能量壁垒大大降低了,水分子可以顺利通过整个通道管。前面已经指出,对通道管的亲水性的贡献主要来自由短α螺旋顶端延生出的两条松散氨基酸链。

(3)通道管有限度的亲水环境阻碍水溶液中离子的通过

要理解AQP1水通道阻挡溶液中离子通过的机理,我们先来看一下KcsA钾离子通道蛋白是如何传输钾离子的。KcsA钾离子通道蛋白的结构如图6(b)所示。其最重要的筛选过滤管是由4个短α螺

图5　AQP1水通道蛋白和GlpF甘油通道蛋白构成限制口

的氨基酸残基比较。构成AQP1水通道限制口的氨基酸残基(H182,R197,F58,和C191)由黑体字表示,构成GlpF甘油通道限制口的氨基酸残基(G191,R206,W48,和F200)由空心字表示。比较两者的侧链可以看到,AQP1水通道的限制口比GlpF甘油通道小,而且亲水性更好(本图取自文献[32]的图5,经作者同意使用)

Fig.5　Acomparisonoftheresiduesdefiningtheconstrictionre-gionofAQP1andGlpF.Residuesinvolvedinthefor-mationoftheAQP1constrictionregion(H182,R197,F58andC191)aredepictedinboldletterswhilethehollowedlettersarethoseoftheequivalentresiduesfoundinthestructureofGlpF(G191,R206,W48andF200).ThesesidechaindifferencesresultinalargerandmorehydrophobicconstrictionregioninGlpF(Thefigurewasreproducedfromthefigure5ofreference[32])

[34]

旋结合松散链构成的结构单元构成。4个短α螺旋耦极的阴极全部指向位于通道中心的空腔部分,使得钾离子得以以较高浓度在此聚集。4条散链上拥有在整个钾离子通道家族中都保守存在的Gly-Tyr-Gly-Asp氨基酸组单元,它们围绕着一个4次旋转轴构成一个狭窄的过滤管。这里是钾离子通道蛋白选择性过滤机制的关键所在。在这个长度只有约12 的过滤管中,共有16个羰基氧原子以每4个一环自上而下堆垛搭排。这样提供的管内环境使得钾离子得以剥离周边所有与之紧附的水合水分子,进入并通过过滤管。

离子与水分子之间的水合作用比水分子之间大得多。AQP1水通道的通道管中,主要来自于两条松散氨基酸链条的水合水分子替代位置不足上述Kc-sA钾通道过滤管的一半。对于水分子通道管的狭口及大部分通道管部分而言,只脱去部分水合水分子的离子水合物尺寸太大,无法通过通道的2.8 的狭窄口。

同其他离子一样,质子(在水溶液中为H3O而不是H)也无法以通常方式通过水通道。Pomes等人提出,如果排列成一条直线的水分子形成连续的氢键链,质子可以通过所谓“Grotthus效应”进行快速

[40]

传输。虽然我们在AQP1水通道管中观察到了4个水分子,其中只有中间两个水分子距离近到可以形成氢键。在水通道结构中顶对顶搁置的两个短α螺旋耦极的阳极指向管道中心(参见图6(a)),这使得位于通道中的水分子在取向上不利于形成氢键链。由此,质子通过“Grotthus效应”在水通道中连续传输在能量上是不可行的。

+

+

蛋白。

(2)通道管的溶质结合位置分布使水分子得以

顺利通过

我们知道,任何可溶于水溶液中的溶质,包括水分子本身,都是极性的。在水溶液中,溶质分子或离子都不是一个孤立的个体,而是引附着周围的水分子和其它极性分子或离子的水合物。当一个水分子要通过直径是2.8 的水通道狭口时,它必须要剥除其周围与之水合的水分子。而在狭口周围,极性的His182,Arg197残基以及Cys191,Gly190,和Gly192主链上的羰基氧都为其提供了可形成氢键的替代组元。这使得这种去水合过程在能量上成为可行。

第2期隋海心等　水分子通道蛋白的结构与功能·151·

图6　短α螺旋结合松散链构成的结构单元在(a)AQP1水通道蛋白中和(b)KcsA钾离子通道蛋白的

中构造。这种结构单元的空间构造以及短α螺旋的耦极取向使通道蛋白具有不同的分子或离子筛选功能(本图根据AQP1[32]和KcsA[34]的原子结构用MOSCRIPT[37]和RASTER3D[38]软件绘制)

Fig.6　ArchitectureofAQP1waterchannel(a)andKcsApotassiumchannel(b)consistsofloop-helixmotifs.

Theloop-helixmotifisformedbyashort,non-membrane-spanning,αhelixfollowedbyanextendedloop.Thevarietyofmotifarrangementsenablesdifferentchannelproteinstohavedifferentspecificitiesforsmallsolventmoleculesand orions(ThisfigurewasproducedusingMOLSCRIPT[36]andRaster3D[37]basedonstructureofAQP1[32]andKcsA[34])

五、结　论

在2000到2001年间,AQP1水通道蛋白和与之

相关的GlpF甘油通道蛋白的结构被相继解出。由此,人们不仅从分子水平揭示了水通道蛋白对水分子的筛选机理,而且令水、甘油、离子等小分子蛋白通道的功能机制及理解得以互相联系和印证,使得整个小分子通道膜蛋白的研究上了一个

[41,42]

新台阶。由于在水通道蛋白的发现和鉴定上的重要贡献,PeterAgre与在钾通道蛋白结构和机理研究上取得重要成绩的RoderickMacKinnon共享了2003年度诺贝尔化学奖(见http: www.nobel.se chemistry laureates 2003 index.html,PeterAgre:forthediscoveryofwaterchannels;RoderickMacKinnon:forstructuralandmechanisticstudiesofionchannels)。

参考文献

[1,.J,[30—33]

[2][3][4][5][6][7]

PaganelliCV,SolomonAK.J.Gen.Physiol.,1957,41:259SidelVW,SolomonAK.J.Gen.Physiol.,1957,41:243MaceyRI,FarmerRE.Biochim.Biophys.Acta.,1970,211:104

MaceyRI,KaranDM.Farmer,R.E.,Biomembranes,1972,3,331

BengaG,PopescuO,PopVI,HolmesRP.Biochemistry,1986,25:1535

BengaG,PopescuO,BorzaV,PopVI,MuresanA,MocsyI,BrainA.Wrigglesworth,JM.Eur.J.CellBiol.,1986,41:252

[8][9][10][11][12]

PrestonGM,CarrollTP,GugginoWB,AgreP.Science,1992,256:385

ZeidelML,AmbudkarSV,SmithBL,AgreP.Biochemistry,1992,31:7436

vanHoekAN,VerkmanAS.J.Biol.Chem.,1992,267:18267

DenkerBM,SmithBL,KuhajdaFP,AgreP.J.Biol.Chem.,1988,263:15634

PrestonGM,AgreP.Proc.Natl.Acad.Sci.USA,1991,88:

·152·

[13][14][15][16][17][18]

化　学　进　展

[27][28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38][39][40][41][42]

第16卷

AgreP,PrestonGM,SmithBL,JungJS,RainaS,MoonC,GugginoWB,NielsenS.Am.J.Physiol.,1993,265:F463AgreP.Biol.Cell,1997,89:255

IshibashiK,KuwaharaM,GuY,TanakaY,MarumoF,SasakiS.Biochem.Biophys.Res.Commun.,1998,244:268MeinildAK,KlaerkeDA,ZeuthenT.J.Biol.Chem.,1998,273:32446

BorgniaM,NielsenS,EngelA,AgreP.Annu.Rev.Biochem.1999+ADs.,1999,68:425

DuchesneL,DeschampsS,PellerinI,LagreeV,FrogerA,Tho-masD,BronP,DelamarcheC,HubertJF.KidneyInt.,2001,60:422

LiH,LeeS,JapBK.Nat.Struct.Biol.,1997,4:263WalzT,HiraiT,MurataK,HeymannJB,MitsuokaK,Fujiyo-shiY,SmithBL,AgreP.EngelA.Nature,1997,387:624ChengA,vanHoekAN,YeagerM,VerkmanAS,MitraAK.Nature,1997,387:627

MurataK,MitsuokaK,HiraiT,WalzT,AgreP,HeymannJB,EngelA,FujiyoshiY.Nature,2000,407:599

RenG,ReddyVS,ChengA,MelnykP,MitraAK.Proc.Natl.Acad.Sci.USA,2001,98:1398

SuiHX,HanBG,LeeJK,Walian,P,JapBK.Nature,2001,414:872

FuD,LibsonA,MierckeLJ,WeitzmanC,NollertP,KrucinskiJ,StroudRM.Science,2000,290:481

DoyleDA,CabralJM,PfuetznerRA,KuoAL,GulbisJM,CohenSL,ChaitBT,MacKinnonR.Science,1998,280:69RenG,ChengA,MelnykP,MitraAK.J.Struct.Biol.,2000,130:45

RenG,ChengA,ReddyV,MelnykP,MitraAK.J.Mol.Bi-ol.,2000,301:369

KraulisPJ.J.Appl.Crystallogr.,1991,24:946

MerrittEA,BaconDJ.MethodsEnzymol.,1997,277:505SuiHX,WalianPJ,TongG,OhA,JapBK.ActaCrystallogr.DBiol.Crystallogr.,2000,56:1198—2000PomesR,RouxB.Biophys.J.,1996,71:19UngerVM.Nat.Struct.Biol.,2000,7:1082LawRJ,SansomMS.Curr.Biol.,2002,12:R250

[19][20][21][22][23][24][25][26]

HeymannJB,EngelA.NewsPhysiol.Sci.,1999,14:187SannoY,WilsonTH,LinEC.Biochem.Biophys.Res.Com-mun.,1968,32:344

HellerKB,LinEC,WilsonTH.J.Bacteriol.,1980,144:274

HendersonR,BaldwinJM,DowningKH,LepaultJ,ZemlinF.Ultramicroscopy.,1986,19:147

HendersonR.BaldwinJM,CeskaTA,ZemlinF,BeckmannE.Downing,KH.J.Mol.Biol.,1990,213:899KuhlbrandtW,WangDN.Nature,1991,350:130

NogalesE,WolfSG,DowningKH.Nature,1998,391:199李慧林,施丹,任罡,隋海心,谌东华,王大能.透射电子显微学进展(叶恒强,王元明主编),北京:科学出版社,2003.114