水チャネル（アクアポリン）の発見

要旨

細胞への水の出入りは、生命維持に欠かせない基本的な生命現象の一つである。 このような水の動きは、個々の細胞の活動を制御するだけでなく、多くの器官系の機能や全身の水分バランスの維持にも関与している。 生体細胞膜を通過する水の動きは、何らかの形で孔やチャネルによって促進されているのではないかと長い間考えられてきたが、そのチャネルを特定するための探索は長く退屈なものであった。 科学の世界ではよくあることだが、結局、水チャネルの秘密は、1992年、ボルチモアのジョンズ・ホプキンス大学で赤血球膜タンパク質の研究をしていたピーター・アグレらによって偶然に発見されたのである。 この「最初の」水チャネルは、当初CHIP28と名付けられ、現在はアクアポリン1として知られている。 Agreはこの発見により、2003年にノーベル化学賞を受賞している。 現在、哺乳類には13のアクアポリンが知られており、ほとんどの組織に分布しているが、下等生物および植物界ではさらに多くのアクアポリンが同定されている。 尿の濃度や体液の恒常性、脳機能、腺の分泌、皮膚の水分補給、男性の不妊、聴覚、視覚など、想像し得る最も重要な身体機能へのアクアポリンの関与が、現在、科学的に厳しく検討されているところである。 また、アクアポリンの機能異常は、様々な疾患や病態に関連している。 この簡単なレビューでは、その背景、発見、および特定の身体プロセスにおける機能、特に水分補給に焦点を当てて議論する。

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なぜ我々は水チャネルに興味があるのか

我々の体を構成する細胞のほとんどは水でできている。 細胞の約65％は水である。 総体積で見ると、赤ちゃんが最も「ジューシー」で、75%が水で構成されており、痩せた大人では60%、高齢者では50%しか水を含んでいません。 水以外の乾燥重量の大部分は骨である。 ちなみに、最も水分の多い生物はレタス（水分95%）で、人間はバナナ（水分65%）に匹敵する。 進化の過程で、すべての生物の細胞は、このような水分の多い環境で最適に働くように進化してきた。細胞の水分含有量に著しい変動があると、その分子成分が濃縮または希釈され、正常な機能が保てなくなるのである。 したがって、細胞は、溶質、イオン、電解質、タンパク質、核酸などの細胞質濃度を調節するために、細胞膜を通して出入りする水の量を調節する必要があるのである。 また、生体内の細胞外空間の水分量も厳密に制御されている。 ヒトやその他の哺乳類では、血液量、血管の外側の間質空間、脳脊髄液、目の房水、腺分泌物などが含まれるが、これらに限定されない。

なぜ水チャネルが必要なのか

絶えず変化する代謝要求や周囲の状況に対処するために、細胞はその細胞質（内部）と外部環境（外部）の間で迅速に水を交換して、一定の量を維持する必要がある。 これは、細胞の体積調節のための精巧なメカニズムを発達させてきた多くの下等生物にとって重要であり、通常、水輸送だけでなく、浸透圧の異なる外部流体（例えば、塩分の多い海水から希薄な雨水まで）にさらされたときに過度の膨潤や収縮から回復するための膜のイオンフラックス（主にNa+、K+、Cl-）が関与している 。 このようなイオン輸送機構は哺乳類にも存在しますが、高等生物における「ホメオスタシス」機能の多くは、細胞が存在する内部環境（Claude Bernard が定義した有名な「milieu intérieur」または「内部の海」）を一定に保つことによって達成されています。 これは、脳が血漿量と濃度（浸透圧）を感知し、尿中に放出する水分量を増減させることで反応する腎臓の働きによって実現されている部分が大きい。 このことについては、以下で詳しく説明する。

細胞の体積を維持することに加え、細胞間の迅速な水分交換により、組織や器官はその生理機能の一部として、水を分泌および／または吸収することができる。 一部の腎臓尿細管を裏打ちする上皮細胞は特にこの機能によく適応しているが、他の器官系の細胞も経上皮水移動を調節して機能的に重要なプロセスの発生を可能にすることができる。 例えば、膵臓、胆管、涙腺、唾液腺、乳腺、そして脈絡叢や網膜色素上皮から分泌される液体はすべて、急速な上皮横断的な水の移動に関わっている。

細胞への水の出入りはどのように行われるか

これらの生理的プロセスはすべて細胞膜を介する水の移動に関係している。 ほとんどの細胞を蒸留水の中に入れると、かなり膨張し、最終的には破裂することが長い間理解されてきました。 一方、細胞質内の塩分やその他の成分よりも高濃度の塩溶液に入れると、細胞は収縮する。 この過程は、細胞膜の両側の浸透圧濃度を平衡させようとするシステムによる、濃度勾配を上下する浸透圧水の流れに大きく起因している。 では、細胞膜を通過する水はどのように移動するのだろうか？ 研究者らは、赤血球の膨張・収縮を測定できる特殊な装置と、入手・操作が容易な実験モデルを用いて、水が膜を通過する経路が2通りあることを突き止めた。 浸透圧による膨潤と収縮を異なる温度でモニターしたところ、ソロモンは、温度に依存したゆっくりとした過程に、温度に依存しないはるかに速い過程が重なっていることを発見した（図1）。 この遅いプロセスは、細胞膜の脂肪脂質二重層を介した水の拡散透過性を反映していた。拡散は温度に敏感である。 しかし、速い過程は、膜に水孔が存在し、拡散を伴わない浸透圧駆動の高速な水の通過が可能であることと矛盾しない（図1）。 その後、MaceyとFarmerらは、塩化水銀という化合物がこのプロセスの高速成分を著しく阻害することを示し、膜内にタンパク質の孔、つまり水チャネルが存在することを示唆したのである。 塩化水銀は、タンパク質上のスルフヒドリル基（システイン残基）に結合して、その機能（この場合は水の透過性）を阻害する。 このように、赤血球に着目した今回の研究により、温度や浸透圧に影響されずに生体膜をすばやく通過できるのは、水孔のおかげであるという考え方が明確になった。 後述するように、この孔は後にアクアポリンとして同定された。

腎臓は体の水分量を調節する

腎臓は、尿素やその他の毒素といった廃棄物を取り除くために血を「ろ過」して、尿を作り出すことで最も知られている、驚くべき器官である。 1日に約180リットルの血液がろ過されますが、ほとんどの人は1.5リットルしか尿を作りません。 正確な量は、飲酒量、暑さ、運動量（発汗による水分損失）などに左右されます。 ろ過された水分の約90％は腎臓の近位部で除去され、この値はほとんどの人でほぼ一定です。 しかし、残りの10％（18L）は、抗利尿ホルモンであるバソプレシン（VP）の影響で、腎臓の集合管で再吸収される。 VPは、脱水（血清浸透圧濃度の上昇）や体積減少に反応して、下垂体後葉から放出される。 バソプレシン受容体（V2R）と呼ばれる特定の受容体を介して腎臓の集合管上皮細胞に作用して水の再吸収を促し、問題を解決して血液濃度や体積を正常なレベルに回復させるのです。

腎臓のモデルとしてのヒキガエル膀胱

VPの作用機構がどのように実験的に検討されたかを一歩引いて見てみる価値はある。 VPの腎機能に対する作用は以前からよく知られていたが、その細胞作用を詳細に解剖するには、腎臓よりも身近なモデル系が必要であった。 腎臓の尿細管は直径が約40μmと非常に小さいため、1本1本を扱うことは非常に難しい（不可能ではないが）。 ベントレーは、ヒキガエルの膀胱が抗利尿ホルモンに反応して水を運搬することを発見し、研究を大きく前進させた。 これは、ヒキガエルが野生で生き残るための自然なプロセスなのだ。 ヒキガエルは水に浸かると皮膚から水を吸収し、非常に希薄な尿を大量に作り、風船のような大きな膀胱に貯める。 池の水へのアクセスが制限され、脱水状態になると、ヒキガエル自身の抗利尿ホルモン（バソトシンというVPの類似物質）が分泌され、膀胱上皮を水に対して透明にさせる。 こうして、膀胱に蓄えられた水分が血液に戻され、生き物の水分補給となる。 要するに、ヒキガエルは自分のペットボトルの水を膀胱に入れて持ち歩いているのである。 このように、ヒキガエルの膀胱は、腎臓の集合管上皮におけるVPによる水の流れを調べ、理解するための代用品として広く用いられるようになりました。 VP-受容体相互作用の下流でこのプロセスを制御する多くの細胞シグナル伝達経路が同定された。 多くのヒキガエル膀胱の研究から得られた最も興味深い知見の一つは、上皮細胞の細胞膜に水チャネルが挿入され、膜、ひいては上皮の水の透過性を高めているという概念であった。 ホルモンの投与が中止されると、この「水チャネル」は細胞内に取り込まれ（エンドサイトーシスと呼ばれるプロセス）、細胞膜が元の不透過性の状態に戻り、水の流れが妨げられるのである。 この考えを発表したWadeは、水チャネルが細胞表面と行き来する様子をNASAのスペースシャトルになぞらえて「シャトル仮説」と名付け、発表した。 しかし、この水路の性質は不明のままでした。

アクアポリン水路の発見

水路を形成するタンパク質を特定しようとする多くの試みにもかかわらず、この分野は何年も時が止まったままになっていました。 ヒキガエルの膀胱や腎臓の赤血球の精製膜からこのタンパク質を単離する試みはすべて失敗に終わったが、それに近い論文もあれば、分子サイズ（約30kD）の情報など重要な情報を提供してくれた論文もあった。 そして偶然にも、アグレのグループが赤血球膜のアカゲザルの因子タンパク質を調べているときに、ゲル上に約28kDの一貫した「汚染」バンドがあることに気がついたのです。 彼らはこの情報を捨てるのではなく、もう少し掘り下げて、これが赤血球の水チャネルである可能性があるという結論に達した。 このバンドは単離・精製され、抗体によって、腎臓の近位尿細管とヘンレ下行枝の細胞にも発現していることが示された。 これは水の通り道なのだろうか？ アグレのグループが、このタンパク質をコードするmRNAを、試験管内の発現系であるXenopus卵母細胞に注入したとき、決定的な瞬間が訪れました。 卵子の膜は通常、水に対して非常に不透過性である。卵子は真水に沈められるが、膜が不透過性であれば破裂してしまうからだ。 しかし、水チャネルをコードするmRNAを注射した後、蒸留水に落とした卵母細胞はまさにそのとおりに破裂した。 アグレのグループは、注入したmRNAが、卵母細胞に新しいタンパク質を作らせ、それが細胞内輸送機構によって卵母細胞膜に移動すると、膜が水に対して非常に透明になることを突き止めたのである。 このタンパク質を細胞内輸送機構によって卵子膜に移動させると、膜は水に対して高い透過性を持つようになる。 その後の一連の論文で、CHIP28（channel-forming integral membrane protein of 28 kD）と呼ばれるこの新しいタンパク質が、決定的に同定された最初の水チャネルであることが確認されたのです。 それらはアクアポリンとして知られるようになった。 この名前が最初に使われたとき、哺乳類にはAQP1, 2, 3, 4の4つのアクアポリンが知られていた。 現在では、13種類の哺乳類アクアポリンが存在し、植物を含む他の生物でも数百種類が同定されている。 これらはすべて同じ構造的特徴を持ち、分子量は非グリコシル化体で約30kD、いくつかの異なるグリコシル化状態によってより高い分子量となる。 これらはすべて6つの膜貫通ドメインを持っており、C末端とN末端はともに細胞質内にある。脂質二重層中で機能的な4量体を形成し、タンパク質内の水孔の構造はいくつかのアクアポリンについてはX線結晶構造解析によって解明されている . 予想に反して、アクアポリンの中には水透過性の高いものや、水以外の分子を輸送できるものがある。 例えば、AQP3はグリセロールを透過し、AQP9は尿素を透過する。 また、アクアポリンの中には、CO2やNOなどの気体に対して透過性を示すものもある。 このようにアクアポリン生物学の領域は拡大し続けており、様々な細胞や組織で予想外の新しい機能が報告され続けている。

Aquaporin 1 and 2 (VP Sensitive Water Channel in Kidney)

AQP1, 赤血球水チャネルは、近位尿細管と細いヘンレ下行肢に高発現し、両者は常時水に対して高い透過性を有している 。 これらの尿細管は、ろ過された水の90%を再吸収するのに関与している。 第2のアクアポリンであるAQP2は、腎臓の集合管主細胞で同定された 。 これらの細胞は、ヒキガエル膀胱と同様に、抗利尿ホルモンであるVPに応答して水の透過性を変化させ、残りの水分（1日に約20リットル）の再吸収を制御している。 AQP2は、VPが制御する水チャネルである。 VPが存在すると、AQP2は主細胞の表面に集積し、水は浸透圧勾配によって上皮を横断する（図2）。 これらの尿細管の基底側面は、尿細管内腔の液体に対して高張であり、VPの存在下では、水はこの勾配に沿って下方に流れていく。 腎臓の様々な部位にAQP3またはAQP4が存在するため、主細胞の基底側膜は常に水透過性である 。 したがって、頂膜のAQP2の量が、腎臓の集合管における水の再吸収を制御する律速因子である。 長年の研究により、AQP2は主細胞内で細胞膜と細胞質小胞の間を循環し、VPが細胞表面に多く、細胞内に少なくなるように平衡を変化させ、膜透過性の上昇を担っていることが分かっている（図2）。 このプロセスの基礎となる細胞生物学は部分的に理解されており、VPとその受容体の相互作用によって開始されるシグナル伝達カスケード、アデニル・サイクラーゼの活性化による細胞内cAMPの増加、プロテインキナーゼAの活性化、AQP2タンパク質のリン酸化が関与している。 リン酸化はAQP2の膜蓄積を引き起こす重要なイベントであり、いくつかの研究室がこのプロセスのさらなる解明を目指した研究に取り組んでいる。 興味のある読者はこのプロセスに関する最近の詳細なレビューを参照されたい。

アクアポリンの病態生理

予想されるように、アクアポリンはいくつかの疾患、特に腎臓に関係している（図3）。 アクアポリン2またはより一般的なV2Rの機能不全や変異は腎性糖尿病(NDI)を引き起こすが、この場合患者は尿を濃縮することができず、理論的には1日に18 Lもの希釈尿、つまり通常は集合管に再吸収される量の尿を排泄することができる。 しかし、他の代償機構により、NDI患者のほとんどは1日に5〜10Lの尿を排泄しています。 現在ある治療法では症状を部分的に緩和することしかできず、より良い治療法を見つけるにはさらなる努力が必要である。 NDIの最も一般的な原因は、双極性障害でリチウム治療を受けている患者さんです。 リチウムは、完全には解明されていない理由で、AQP2遺伝子の深刻なダウンレギュレーションを引き起こします。 リチウムは双極性障害に非常に有効な治療法であるが、この副作用や他の副作用のために、多くの患者がリチウム治療のコースに入ることを躊躇している。 その他のAQP関連疾患としては、尿濃縮障害（AQP1ヒトが同定）、白内障（AQP0）、脳卒中（AQP4）、水和不全による皮膚の脆弱化（AQP3）などが、ノックアウト動物モデルで確認されている。 また、AQP1とAQP2は、細胞の移動と創傷治癒にも関与しているとされている。 最後に、アクアポリンの魅力は、例えば化粧品業界などに関わる広告代理店の想像力をかきたてます。 ググって見てください！

Future Directions

アクアポリン生物学における興味深い分野の一つは、これらのチャネルタンパク質のいわゆる月光機能の出現である。 これらは、AQP1のガス透過性の場合のようにチャネル機能に関連することもあれば、インテグリンや細胞外マトリックスとの相互作用を介して腎臓の発達に関与するAQP2の場合のようにチャネル活性とは無関係なこともある。 今後の研究によって、アクアポリンの予想外の性質がさらに明らかにされるに違いない。 アクアポリンの多くは、植物、微生物、菌類など、哺乳類以外の下等生物に存在することが分かっている。 このことは、AQPの機能を刺激することによって植物の成長や適応を改善したり、アクアポリンを阻害することによって微生物や真菌の感染に対抗したりするために、この情報を利用する道を開くものである。 このような特異的な阻害剤はまだありませんが、もし開発されれば、アクアポリン（高血圧の治療薬）や、おそらくがん（転移の阻止）など、医学の分野でも重要な役割を果たす可能性があります。 また、アクアポリン輸送の細胞生物学についても学ぶべきことがたくさんあります。 アクアポリンはどのように細胞内を移動しているのでしょうか？ 他のタンパク質とどのように相互作用するのだろうか？ また、NDIにおけるV2Rシグナル伝達の欠陥を回避するために、代替のシグナル伝達経路を特定し、活用することは可能なのだろうか？ この研究は現在進行中であり、アクアポリンの生物学だけでなく、他の多くのヒト疾患に関与している他の重要な細胞輸送現象に関連する細胞の秘密を明らかにすることが期待される。 D.B.はDanone ResearchよりH4H Scientific Conference出席のための旅費と登録料の払い戻しを受けた。

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