窄孔构象的水甘油通道蛋白 AQP3 和 GlpF：结构新发现与功能机制探索

《Nature Communications》：Narrowed pore conformations of aquaglyceroporins AQP3 and GlpF

研究人员解析大鼠 AQP3 和 GlpF 的冷冻电镜结构，揭示独特构象及多样性，助力相关疾病研究。

　　在生物膜的微观世界里，水和小分子溶质跨膜运输的奥秘一直吸引着科学家们的目光。水通道蛋白（Aquaporins，AQPs）作为一类膜蛋白，能够高效地促进水跨脂质双分子层运输，而其中的水甘油通道蛋白（aquaglyceroporins）还能运输甘油等小分子溶质。目前，虽然已经对多种 AQPs 进行了研究，但仍存在诸多未知。例如，AQP3 等水甘油通道蛋白的结构和功能调控机制尚不明确，不同 AQPs 的结构多样性及其对功能的影响也有待深入探索。为了解开这些谜团，来自日本的研究人员开展了一系列研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。

在本研究中，研究人员聚焦于大鼠水甘油通道蛋白 AQP3 及其细菌同源物 GlpF，运用多种先进技术深入探究它们的结构与功能。研究用到的主要关键技术方法包括：冷冻电镜技术（cryo-EM），用于解析蛋白质的三维结构；分子动力学模拟（MD simulations），研究蛋白质结构稳定性和水分子分布；定点突变技术，构建 AQP3 的突变体以探究特定氨基酸残基的作用；脂质体重构和停流分析技术，评估 AQP3 及其突变体的水和甘油通透性。

研究结果如下：

• AQP3 的结构：研究人员在不同环境下解析了 AQP3 的结构。在 n - 十二烷基 -β-D - 麦芽糖吡喃糖苷（DDM）胶束中，AQP3 的芳香 / 精氨酸（ar/R）区域形成直径为 2.8? 的孔；而在 1 - 棕榈酰 - 2 - 油酰 - sn - 甘油 - 3 - 磷酸胆碱（POPC）纳米圆盘里，Tyr212 插入孔内，形成了一种前所未有的窄孔构象。通过对 AQP3 Tyr212-out 和 Tyr212-in 两种构象进行 MD 模拟，发现 Tyr212-in 构象稳定，且极大地抑制了水的通透性。构建 Y212F 和 Y212T 突变体研究表明，芳香族残基是 AQP3 在 POPC 纳米圆盘里孔插入的必要条件。此外，AQP3 在 POPC 脂质体中表现出了水和甘油的通透性，这表明在运输过程中，Tyr212-in 构象可能发生改变。
• AQP7 和 GlpF 的结构：尽管 AQP7 和 GlpF 在对应于 AQP3 的 Tyr212 位置上也有芳香族残基，但它们在 POPC 纳米圆盘里并未呈现出类似 AQP3 的窄孔构象。GlpF 的结构较为特殊，其孔被细胞内 loop D 覆盖，不过该 loop 具有柔性，且与 GlpF 的通透性关联不大。

研究结论和讨论部分指出，本研究揭示了 AQP3、AQP7 和 GlpF 的不同构象，尤其是 AQP3 特有的窄孔构象。这种结构信息的发现具有重要意义，AQP3 在皮肤角质形成细胞中发挥着重要作用，与皮肤的生理和病理状况密切相关，还参与癌症进展。新发现的结构信息可能为开发针对 AQP3 的化学物质和药物奠定基础，有助于深入理解相关疾病的发病机制，并为疾病的治疗提供新的靶点和思路。