아쿠아포린

1. 개요

아쿠아포린은 세포 내외부로 물 분자를 선택적으로 수송하는 막 단백질로, 1990년 물 채널의 기능적 발현이 입증되면서 단백질임이 밝혀졌다. 아쿠아포린은 세포막을 통해 물의 투과성을 높이며, 일부는 글리세롤, 이산화 탄소, 암모니아, 요소와 같은 작은 비전하 용질도 운반한다. 아쿠아포린은 인간을 포함한 다양한 생물체에서 발견되며, 특히 식물에서는 물 수송과 가뭄 스트레스 저항에 중요한 역할을 한다. 아쿠아포린은 6개의 막횡단 알파 나선으로 구성되며, 구조 내의 특정 모티프와 필터는 물 분자의 선택적 통과를 조절한다. 아쿠아포린 관련 질병으로는 요붕증과 백내장이 있으며, 심장 질환 및 뇌졸중과 같은 질환 치료에 활용될 가능성이 연구되고 있다.

2. 역사

1992년 존스 홉킨스 대학교의 피터 아그레는 Rh 혈액형 시스템 항원을 연구하던 중 최초의 아쿠아포린인 '아쿠아포린-1'(원래 CHIP 28로 알려짐)을 발견했다. 처음에는 Rh 분자 조각이나 오염 물질이라고 생각했지만, 이는 신장 세뇨관과 적혈구와 같은 구조에 존재하며, 초파리 뇌, 박테리아, 눈의 수정체, 식물 조직 등 다양한 기원의 단백질과 관련 있는, 알려지지 않은 기능을 가진 새로운 종류의 분자로 밝혀졌다.

1999년 아그레는 다른 연구팀들과 함께 아쿠아포린-1의 3차원 구조에 대한 최초의 고해상도 이미지를 보고했다. 이후 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션을 사용한 연구를 통해 물이 채널을 통과하는 경로를 확인하고, 작은 용질의 통과 없이 물이 어떻게 구멍을 통과할 수 있는지를 입증했다. 2003년 아그레는 이 발견과 물 채널 연구로 노벨 화학상을 수상했다.

하지만 막을 통한 단백질 매개 물 수송에 대한 최초의 보고는 1986년 게오르게 벵가 등에 의해 이루어졌으며, 이로 인해 벵가의 연구가 아그레나 노벨상 위원회로부터 적절하게 인정받지 못했다는 논란이 일었다.

2.1. 초기 연구

1950년대 후반, 솔로몬(Solomon)과 그의 동료들은 세포막을 가로지르는 물 투과성에 대한 선구적인 연구를 수행했다. 1960년대 중반에는 물 분자가 물 상과 지질 상 사이에서 분할된 후 막을 통해 확산되어 다음 계면까지 이동하여 지질을 떠나 수성 상으로 되돌아간다는 "분할-확산 모델"이 제시되었다. 1990년, 베르크만(Verkman)의 실험은 물 채널의 기능적 발현을 입증하여 물 채널이 실제로 단백질임을 나타냈다.

3. 기능

아쿠아포린은 이온과 다른 용질의 이동을 막으면서 세포 안팎으로 물 분자를 선택적으로 유도한다. 물 분자는 아쿠아포린 채널의 구멍을 통해 한 줄로 이동하며, 이는 물의 투과성을 높인다.

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아쿠아글리세로포린이라고 불리는 일부 아쿠아포린은 글리세롤, 이산화탄소, 암모니아, 요소와 같은 작은 비전하 용질도 운반한다. 예를 들어, 아쿠아포린 3 수로는 8–10 옹스트롬의 기공 폭을 가지며 150~200 Da 범위의 친수성 분자의 통과를 허용한다. 그러나 물 구멍은 세포막의 전기화학적 전위 차이를 보존하는 데 필수적인 양성자를 포함한 이온을 완전히 차단한다.

아쿠아포린은 "세포의 배관 시스템"으로, 물은 세포를 통해 조직적으로 이동하며, 아쿠아포린 수로가 있는 조직에서 가장 빠르게 이동한다.

인간의 많은 세포, 특정 종류의 세균, 그리고 식물과 같은 유기 생명체에게 이러한 물 분자를 수송하는 시스템은 필수적이다. 식물에서는 물 수송 시스템과 가뭄 및 염 스트레스에 대한 내성에 필수적이다.

식물의 아쿠아포린은 아래 네 종류가 있다.

* PIP (Plasma membrane Intrinsic Protein)
* TIP (Tonoplast Intrinsic Protein)
* NIP (Nodulin-26 like Intrinsic Protein)
* SIP (Small basic Intrinsic Protein)

4. 구조

아쿠아포린은 6개의 막횡단 α-나선 다발로 구성된 단백질이다. 세포막에 삽입되어 있으며, N 말단과 C 말단은 세포질 쪽, 즉 세포 내부를 향하고 있다. 아미노 절반과 카르복실 절반은 서로 유사한 뉴클레오티드 패턴을 반복하는데, 이는 절반 크기였던 유전자가 중복되어 생성되었을 것으로 추정된다.

나선 사이에는 세포막 안팎으로 고리 모양을 이루는 5개의 영역(A – E)이 있다. 이 중 B와 E는 소수성이며, 아스파라진-프롤린-알라닌("NPA 모티프") 패턴을 갖는다. NPA 모티프는 독특한 모래시계 모양을 만드는데, 수로의 중앙은 좁고 각 끝은 더 넓다.

아쿠아포린은 세포막에서 4개 부분의 클러스터(사합체)를 형성하며, 각 단량체는 수로 역할을 한다. 아쿠아포린은 종류에 따라 서로 다른 크기의 수로를 가지며, 가장 작은 유형은 물 분자만 통과시킨다.

X선 단면도는 아쿠아포린이 두 개의 원뿔형 입구를 가지고 있음을 보여준다. 이러한 모래시계 모양은 최적의 투과성을 향한 자연 선택의 결과일 수 있다.

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4.1. ar/R 선택성 필터

방향족/아르기닌(ar/R) 선택성 필터는 물 분자에 결합하고 채널에 들어오려는 다른 분자를 배제하는 역할을 하는 아미노산 집합체이다. 이는 아쿠아포린이 물 분자를 선택적으로 결합하여 통과시키고 다른 분자의 진입을 막는 메커니즘이다. ar/R 필터는 NPA 모티프의 양쪽에 위치하며, 보통 NPA 모티프 외부 쪽으로 8 Å 떨어진 곳에 있고, 채널에서 가장 좁은 부분이다. 이 좁은 구조는 물 분자 간의 수소 결합을 약화시켜 양전하를 띠는 아르기닌이 물 분자와 상호 작용하고 원치 않는 양성자를 걸러낼 수 있게 한다.

ar/R 선택성 필터는 나선 B(HB)와 E(HE)에서 유래한 두 개의 아미노산 그룹과 루프 E(LE1, LE2)에서 유래한 두 그룹으로 구성된다.

4.2. NPA 모티프

아쿠아포린 채널은 시뮬레이션에서 물 분자가 사실상 일렬로 통과하기 때문에 물만 통과시키는 것으로 나타난다. 각 물 분자의 산소는 채널에 들어갈 때 앞을 향하고, 중간 지점에서 방향을 바꿔 산소가 뒤를 향한 채로 나간다. 채널의 두 부분에 있는 서로 반대 방향의 정전기적 전위 배치는 양성자의 흐름을 막는 반면 물은 자유롭게 통과하도록 한다.

아쿠아포린은 6개의 오른쪽 방향의 막관통 알파 나선 구조를 포함하며, N 말단과 C 말단은 세포질 쪽의 세포막 표면에 돌출되어 있다. N 말단 쪽과 C 말단 쪽의 절반 배열은 유사하며, 반복 배열이 존재한다. 나선 사이에는 5개의 루프 구조(A-E)가 존재하며, 세포 외와 세포 내의 연락을 하고 있다. 루프 B와 E는 소수성이며, Asn-Pro-Ala(NPA) 모티프라고 불리는 구조를 포함하고 있다.

NPA 모티프는 인지질 이중층 내부에서 겹쳐져 있으며, 3차원의 깔때기 모양 구조를 하고 있다. 이 부분이 물 분자를 통과시킨다. 이 겹쳐진 두 부분 중 하나는 펩타이드의 채널 조임 사이트(channel constriction site)라고 불린다. 다른 하나는 더 좁은 형태를 하고 있으며, ar/R 선택 필터(ar/R selectivity filter)라고 불린다.

컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 통해 물 분자는 한 줄로 채널을 통과한다는 것이 밝혀졌다. 물 분자는 채널 벽의 원자가 만드는 전장에 순응함으로써 좁은 채널을 통과한다. 물 분자는 채널에 들어가면 산소 원자를 아래쪽으로 향하게 한다. 중간 부분에서는 배향이 역전되어 산소 원자가 위를 향한다. 이 세공 내 물의 회전 운동은 두 개의 NPA 모티프의 아스파라긴과 물 분자의 산소 원자 사이의 수소 결합에 의한 것이다. 물 분자는 한 줄로 채널에 아래쪽으로 들어가 위쪽으로 나온다. Grotthuss 메커니즘(Grotthuss mechanism)에 의해 역방향의 물 분자를 멀리함으로써 채널의 물 분자 통과 속도를 높이고 있다.

5. 분류

아쿠아포린은 크게 포유류, 식물, 그리고 기타 생물에서 발견되는 다양한 유형으로 분류된다.

포유류에는 13가지 유형의 아쿠아포린이 알려져 있으며, 이 중 6개는 신장(콩팥)에 위치한다. 가장 잘 알려진 아쿠아포린은 아쿠아포린 1, 아쿠아포린 2, 아쿠아포린 3, 아쿠아포린 4이다.

식물에서 아쿠아포린은 세포막과 액포막에서 발견되며, 물의 흡수 및 이동에 중요한 역할을 한다. 식물의 아쿠아포린은 세포막 내재 단백질(PIP), 토노플라스트 내재 단백질(TIP), 노듈린-26 유사 내재 단백질(NIP), 작은 염기성 내재 단백질(SIP)의 네 가지 주요 하위 그룹으로 나뉜다.

이 외에도, 규조류와 갈조류를 포함한 헤테로콘트에서 발견되는 대형 내재 단백질(LIP)과 곰팡이, 원생동물에서도 아쿠아포린이 발견된다.

5.1. 포유류

포유류에는 13가지 유형의 아쿠아포린이 알려져 있으며, 이 중 6개는 신장(콩팥)에 위치한다. 하지만 훨씬 더 많은 종류가 존재할 것으로 보인다. 가장 많이 연구된 아쿠아포린은 다음과 같다.

5.2. 식물

식물에서 물은 뿌리를 통해 토양에서 흡수되어 피질에서 혈관 조직으로 이동한다. 이러한 조직에서 물이 흐르는 경로는 아포플라스트 경로, 심플라스트 경로, 형질전환 경로의 세 가지가 있다. 아쿠아포린은 식물의 세포질 막뿐만 아니라 액포막에서도 발견된다. 형질전환 경로는 세포질 막과 액포막을 가로지르는 물의 수송을 포함한다. 식물 뿌리가 아쿠아포린을 억제하는 염화제이수은에 노출되면 이온의 흐름은 변하지 않는 반면 물의 흐름은 크게 감소하여, 아쿠아포린과 같이 이온 수송과 독립적인 물 수송 메커니즘이 존재한다는 것을 알 수 있다. 아쿠아포린은 팽창하는 세포로의 물 유입을 허용함으로써 신장 성장에 중요한 역할을 하며, 이는 식물 발달을 유지하는 데 필요한 과정이다. 또한, 식물 아쿠아포린은 무기 영양과 이온 해독에 중요하며, 이는 붕소와 같은 무기물의 항상성에 필수적이다.

식물의 아쿠아포린은 다음과 같은 네 가지 주요 상동 하위 집단 또는 그룹으로 나뉜다.

* 세포막 내재 단백질(Plasma membrane Intrinsic Protein, PIP)
* 토노플라스트 내재 단백질(Tonoplast Intrinsic Protein, TIP)
* 노듈린-26 유사 내재 단백질(Nodulin-26 like Intrinsic Protein, NIP)
* 작은 염기성 내재 단백질(Small basic Intrinsic Protein, SIP)

이 다섯 개의 하위 집단은 나중에 DNA 염기서열을 기반으로 더 작은 진화적 하위 그룹으로 나뉜다. PIP는 PIP1과 PIP2의 두 하위 그룹으로 묶이고, TIP는 TIP1, TIP2, TIP3, TIP4 및 TIP5의 5개 하위 그룹으로 묶인다. 각 하위 그룹은 다시 동질형으로 나뉜다(예: PIP1;1, PIP1;2). 식물 내에서 다양한 아쿠아포린 동질형의 선택과 함께 세포 및 조직 특이적 발현의 고유한 패턴도 존재한다.

식물 아쿠아포린이 침묵되면 잎의 수력 전도도와 광합성이 감소한다. 식물 아쿠아포린의 게이팅이 발생하면 단백질의 구멍을 통한 물의 흐름이 중단된다. 이는 다양한 이유로 발생할 수 있으며, 예를 들어 식물에 가뭄으로 인해 세포 내 물의 양이 적을 때 발생할 수 있다. 아쿠아포린의 게이팅은 게이팅 메커니즘과 아쿠아포린 간의 상호 작용에 의해 수행되며, 이로 인해 단백질에 3차원 변화가 발생하여 구멍을 막아 구멍을 통한 물의 흐름을 허용하지 않는다. 식물에는 적어도 두 가지 형태의 아쿠아포린 게이팅이 있다. 가뭄에 대한 반응으로 특정 세린 잔기의 탈인산화에 의한 게이팅과 침수에 대한 반응으로 특정 히스티딘 잔기의 양성자화이다. 아쿠아포린의 인산화는 온도에 대한 반응으로 꽃잎의 열림과 닫힘에 관여한다.

5.3. 기타 생물

특정 아쿠아포린인 대형 내재 단백질(LIP)은 규조류와 갈조류를 포함한 헤테로콘트에서 발견되었다. LIP는 대부분의 MIP에서 전형적으로 나타나는 두 번째 보존된 NPA 모티프 대신 NPM 모티프를 포함한다.
아쿠아포린은 곰팡이 사카로미세스 세레비시아(효모), 딕티오스텔리움, 칸디다 및 우스틸라고, 원생동물 트리파노소마 및 플라스모디움에서 발견되었다.

6. 임상적 의의

아쿠아포린 돌연변이로 인한 질병의 명확한 예는 두 가지가 있다. 아쿠아포린-2 유전자의 돌연변이는 인간에게 유전성 신성 요붕증을 유발하며, 아쿠아포린-0 유전자 불활성화 돌연변이를 가진 동형접합체 생쥐는 선천성 백내장이 발생한다.

소수의 사람들에게서 아쿠아포린-1의 심각하거나 완전한 결핍이 확인되었다. 그들은 일반적으로 건강하지만, 물을 마시지 못할 때 소변에서 용질을 농축하고 물을 보존하는 능력에 결함이 있다. 아쿠아포린-1을 표적 제거한 생쥐 또한 역류 증폭에 의해 신장 수질에서 용질을 농축할 수 없어 물 보존에 결함을 보인다.

아쿠아포린은 증가된 소변 생성을 유발하는 질환인 획득형 신성 요붕증에서 중요한 역할을 한다. 아쿠아포린 2는 세포 표면 수용체에 결합하면 cAMP 신호 전달 경로를 활성화시키는 바소프레신에 의해 조절된다. 이것은 아쿠아포린-2를 포함하는 소포가 물 흡수를 증가시키고 순환으로 돌아가게 한다. 아쿠아포린 2 바소프레신 수용체의 돌연변이는 획득성 요붕증의 원인이다. 쥐에서, 획득성 신성 요붕증은 리튬 염 투여, 혈중 낮은 칼륨 농도(저칼륨혈증) 및 혈중 높은 칼슘 농도(고칼슘혈증)로 인한 아쿠아포린-2의 손상된 조절로 인해 발생할 수 있다.

인간에서 아쿠아포린 4에 대한 자가면역 반응은 데빅병을 생성한다. 아쿠아포린을 조작할 수 있다면, 이는 심장 질환으로 인한 체액 저류 및 뇌졸중 후 뇌 부종과 같은 의학적 문제를 해결할 수 있다.