Peter Agre (2013) - Aquaporin Water Channels: From Atomic Structure to Malaria

Aquaporin (AQP) water channel proteins enable high water permeability of certain biological membranes. Discovered in human red cells but expressed in multiple tissues, AQP1 has been thoroughly characterized and its atomic structure is known. Expression patterns of the thirteen known human homologs predict phenotype

Good morning, guten Morgen. You know it’s a real challenge to follow Steve Chu. I’ll do my best. This is my 8th Lindau conference. And I think if you polled the laureates they would tell you this is a really special part of the year. And we’re so grateful to all who made this happen. And particularly grateful to you young scientists. First: congratulations for being invited and thank you for coming here; this is a very special time. So I’m going to talk about water. And I’m going to get right through and try to move this along. The introductions in the last 2 talks I think were very helpful. We’re all aware of the importance of water in global issues. Steve talked about the melting of the Greenland ice cap; the warming of the Gulf Stream; the Katrina disaster; the tsunami disaster. It’s clear that when water, global water supplies, are in disequilibrium great dangers occur. But water is also very important in biology. Each of us - two thirds of our body mass is water. While we’re sitting here in the next 20, 30 minutes we’ll each be releasing cerebral spinal fluids and absorbing it. The balance maintains brain homeostasis. Imbalance can lead to hydrocephalus or brain oedema. The same thing in the orbits of our eyes, aqueous humour: too much humour - increased pressure of glaucoma. So there are clear instances of water in biology where disequilibrium causes pathology. And as Wolfgang mentioned, the Nobel Prize in 2003 came to Roderick MacKinnon and myself for the discoveries of channels. Now I’d just like to point out that Rod MacKinnon and I are both medical doctors. But in 2003 the medicine prize went to 2 chemists, Peter Mansfield and Paul Lauterbur. And I think this reflects the ambiguity of precise boundaries in scientific disciplines. As in the time of the renaissance science moves on amongst regions and into domains. And chemistry and biology and physics are sort of merged now in a complex form of science. So the issue of how water moves into and out of cells has to do with the barrier. The major barrier being the plasma membrane. Discovered 100 years ago, it was realised that some degree of water transfer occurs by simple diffusion. As you can see in the left panel: water passing into cells. And this is something that was recognised by all scientists. But a subset of scientists over the past century questioned if that was the only explanation for water transport into and out of cells. And pioneers, pioneers such as Arthur Solomon in New York, Gheorghe Benga in Romania, Guillermo Whittembury in Venezuela – a worldwide group of biophysicists challenged the issue and did precise experiments, which indicated that certain tissues such as renal tubules, secretory glands and red cells must have another explanation. Because they had massive water transport. And their experiments indicated that there were some very special features to this water transport, very specific water moves. The hydronium ion which is the same mass with a charge doesn’t move. And the movement appeared to be directed by osmotic gradients. So this topic of osmosis that we all learned about as small children in schools can occur rapidly in some tissues, if these putative water channels actually existed. Now in 1970, when I was your age, I started my medical career as a student. An important experiment was undertaken by Robert Macey at the University of California, Berkeley. Looking at agents which would disorder the lipid bilayer, he measured a number of increases in water transport. And then he came to the chemical compound mercuric chloride. And he found a surprise: mercuric chloride stopped membrane water transport in red cells. And he watched the membranes and treated with chemical reducing agents he could restore it. He could turn it off, he could turn it on, calculated a low Arrhenius activation energy and concluded there must be an aqueous pore through the membranes with a free sulfhydryl to explain it. But neither Macey nor the others could actually identify the molecule responsible for water transport. And in science having ideas and hypotheses is great, but the proof is what moves science forward. So the discovery of the water channel protein actually involved a lot of serendipity. And I won’t go into the discovery, but it had to do with my taking my children on a trip to Disneyworld and talking to some people. And lo and behold a new idea was provided for a new protein we’d isolated for which we did not have a function. This protein, first isolated from red cells, had homologues in other tissues, for example protein in the lens of eye, in the brains of insects, known to allow some bacteria to use glycerol as a carbon source and genes related to this fragment in the roots of plants. We were stuck, we didn’t know the function. And it was really this conversation, this serendipitous event that turned us on the right path. And we did some very simple experiments, collaborating with my friend Bill Guggino at Johns Hopkins, to test if this new protein is in fact an aqueous pore, a water channel. So you see in this slide there are 2 amphibian oocytes, Xenopus laevis, a South African frog. And the control oocyte is injected with buffer alone. The test oocyte is injected with complementary RNA, about 2 nanograms, encoding this new protein. And they’re incubated 3 days together in isotonic culture media. And there’s no appreciable difference. But of course there’s no osmotic gradient when they’re transferred rapidly to distilled water. An immediate and amazing difference occurred: a very simple experiment which changed everything in the understanding of membrane water transport occurs. Producing also much jubilation in the lab. And there’s a little, this is Greg Preston the postdoc who did these early studies. If you don’t find intense joy in the discovery in your laboratories, even a small discovery, you’re in the wrong business. Because this is the currency we really are working for: to see for the first time a new phenomenon at a molecular level. It’s also about challenges because we were a small laboratory. Most laboratories are small laboratories. And how does a small laboratory compete with a big laboratory? The answer is: by collaborating with other scientists. And I’m going to show you during the rest of my talk the photographs of my colleagues, and particularly our younger colleagues who made everything happen. Our first challenge was to solve the structure of the water channel proteins. And our team for this included Yoshinori Fujiyoshi from the University of Kyoto. Andreas Engel from the University of Basel in Switzerland. And together over several years with the pivotal work of Tom Walz, a graduate student, the same age as you here, we achieved a 3-dimensional structure which explained how water transfer occurred. On the left panel viewing from the top down the channel has a single aqueous pore, 3 angstroms in diameter. And since you’re all chemistry students you’re probably aware that the average diameter of a water molecule is 2.8 angstroms, just big enough. And in cross section now we have water from the outside of the cell in communication with water on the inside of the cell. How does this work? Well, of course water, as my father who is a real chemist would tell his chemistry students, water exists not as H2O but H2O^n. The hydrogen bonding between these molecules, between this oxygen and this hydrogen for example forms a consortium with free exchange of protons. So we have a structure which we term the hourglass with an extracellular vestibule with water in bulk solution and an intracellular vestibule with water in bulk solution. But then the channel itself is a long pore of about 20 angstroms in length - which is narrow, water fits through, nothing else larger fits through. And there are fixed barriers blocking the movement of protons for example, these highly conserved residues. And then there’s a unique mechanism - I won’t go into it - but in the very centre where an individual water molecule, separated from the chain of water molecules, interrupting the so called Grotthus effect and preventing protons from hopping up and down this chain. For a billionth of a second this water molecule is held separately. And this structure has now been confirmed by Bob Stroud and Bing Jap and other scientists. Last week’s Science magazine, Richard Neutze from Gothenburg, Sweden had a sub atomic structure of a water channel protein from bacteria. It’s one of the structural features of all life forms. And this is a diagram prepared by David Kozono, a talented student, now a faculty member at Harvard University. And if you look at the very narrowest part of the centre of the pore, you’ll see the tightness of the …(inaudible 8.54) of a single water molecule, surrounded by arginine, a positive charge; histidine, a partially positive charge; and cysteine, the mercurial inhibitory site Now to understand the physiology of the water channel protein, we had to understand the distribution. And we were fortunate to team up with Søren Nielsen from the University of Aarhus in Denmark. He was just finishing his graduate studies, he was 29 years old when he started these studies. And he pinpointed the location of the water channel protein first in kidney – kidney being the organ where the greatest amount of information about transport biology had been accumulated. And just in short, our kidneys - we have 2 of them - reside below the diaphragm, are formed from about a million nephron units, the glomerulus filtration occurs. And just for your information: the million nephron units will filter about 200 litres of plasma a day - enormous. Of course we must reabsorb 99% of the water or we would die of dehydration. And the presence of the proximal convoluted and descending thin limp of the loops of Henle where constitutively high water transport is known to occur documents the presence of AQP1, aquaporin 1, in the proximal nephron. But note the collecting ducts where regulated water transport was known to occur failed to have the water channel protein, predicting there must be another homologue in the collecting ducts. This immunogold electron micrograph of the brush border of a proximal tubule shows an intense staining of the antibody connected to the nanogold protein A, showing the marked presence of the protein at the surface of the cell, but not on the inside of the cell. So the cartoon explaining how this works, shown here: A single cell in a renal tubule, epithelium. And the cells are bound to each other by tight junctions, preventing leakage of water. The explanation is water in the primary urine: the lumen would be above, enters the apical surface through aquaporin 1 and passes through the basal and lateral surfaces through aquaporin 1; moving from primary urine to cytoplasm to the interstitium and back into the blood system, very efficiently. Again: 200 litres a day. Now as a medical doctor I am intensely interested in the cause of disease and the treatment of disease. And at work we were able to identify the molecular structural gene and the short arm of human chromosome 7 which allowed us to identify humans with mutations in the AQP1 gene. And I should point out they’re extremely rare. But because of the collaborative nature of the blood group testing agencies we were able to identify from the 6 known coded null individuals a number of individuals we brought to Johns Hopkins for clinical testing. And I should point out they’re all homozygous from knockout mutations in the AQP1 gene. And shown here with permission is one of the individuals from the south of France. And you should see that she looks normal, she feels normal. Is it because the protein is not important or is it because it’s important in times of stress? And it is clearly it is important in times of stress. Every night when we go to bed we’ll sleep 7 or 8 hours, and in the morning when we empty our bladders; that’s the entire night-time collection of urine. The next few drops are highly concentrated. So in the face of water deprivation we’ll concentrate our urine up to about 1000 milliosmole, the concentration of seawater. The AQP1 null individuals can concentrate a little bit, enough to get through the night - but no further. They’re of course at risk of dehydration if they’re thirsted further. And of course during human evolution our ancestors were frequently faced with water deprivation. So it’s an important physiological event. And the work was catalysed by the work of Landon King, a colleague, then a postdoc, now the Vice Dean for research at Johns Hopkins. A second phenotype was identified by Landon. Because he’s a lung physician, he looked at the presence of the AQP1 protein in capillary endothelia. And here you should see by this immunogold preparation, this is abundant both with luminal and the abluminal membranes of the cells. This explains how capillaries are so freely permeable to water. And it also explains why the presence of this protein in the pulmonary microvasculature is so important at the time of birth, when with his first breath the infant absorbs the amniotic fluid from the lungs into the vascular space in order to absorb oxygen. So somewhat of a foot race emerged with the discovery of AQP1. Where in our laboratory and laboratories around the world by homology cloning techniques were identified a large number of aquaporins. If you go to the genetics data base presently there are about 500 different aquaporins from all different forms of life: from vertebrates, invertebrates, microorganisms, plants and even archaea. But the human repertoire is somewhat simpler, there are about, I think, 13 genes of which 11 or 12 have been well characterised. And they are formed by the 2 subsets: those permeated by water which we classify as the classical aquaporins; and those that are slightly different structurally which are permeated by water and glycerol, which we term the aquaglyceroporins. So here is the AQP1, our original discovery. And I’ll tell you briefly about some of the other members of the family. So the first to follow the discovery of aquaporin 1 was aquaporin 2 in the collecting ducts of kidney. This is a very important part of our concentration mechanisms. Primitive tribal people did not understand the concept of normal short-term time, but the warriors could stage war parties in the middle of the night. How? They recognised that at sundown if they drank a large volume of water they’d be up 2 or 3 hours later, in our time sense, to empty their bladders and to wage war. So the idea of fluid excess, release of dilute urine, fluid deprivation to the concentration of urine is something that human anthropologists tell us has been long recognised. And AQP2 is the final concentrating source. It’s present in the collecting duct. And in a slide I borrowed from Søren Nielsen and Mark Knepper from their work, it shows how this works. Not by gating, opening and shutting, but the presence of the AQP2 water channel protein in intracellular vesicles in the diuretic stage or at the cell surface in the anti-diuretic stage explains everything. So if you took a typical graduate student and gave him a litre of beer to drink - what’s the first place he visits afterwards? The toilet. His kidneys would look like this: The aquaporin 2 is internalised; the surface of the principle cells is impermeable to water and releases a large volume of dilute urine. Take the same student, allow him to play tennis in the hot sun for 2 hours. He’s in the anti-diuretic state. Now aquaporin 2 is at the cell surface and he absorbs water maximally to preserve vascular space. So it’s a fundamental issue with survival. And the cartoon shows that G protein - Brian Kobilka talked about G proteins on Monday - leads to vasopressin working through a cascade, leads to phosphorylation and insertion of the cell surface. And this is important in a number of clinical settings. Inherited defects are rare but cause children to require up to 20 litres of water a day to maintain normal hydration because of their profound polyuria. Acquired defects in the overexpression of the protein are found in all forms of fluid retention: congestive heart failure which is very common. The individual retains fluid because the kidney is excessively efficient in retaining water. And underexpression is found in all forms of polyuria, including bed wetting in small children. So it’s a fundamental process. Now I’m going to skip rapidly through the members of the family telling you a little bit about the protein, where it lives and what we think the clinical significance is. I’m also going to use this as an excuse to tell you about the young people who did the studies, because their role is pivotal in this: Masato Yasui joined us from Tokyo for a number of years where he worked on the aquaporin 0, present in the lens of eye. And mutations in the aquaporin 0 gene cause congenital cataracts. And the reason we call it 0 rather than 3 is because the protein had been identified previously but not functionally understood. So for this work we’re really profoundly grateful to Masato and he has returned to Japan where he’s the chairman of Pharmacology at Keio University. Aquaporin 4 is present in a number of tissues including brain. So our brains are very different from the rest of our capillary beds because our brains are encased in a rigid cranium to protect the brain. But should we sustain a head trauma through close head injury or stroke or tumour our brains are in jeopardy, because any damaged brain tissue will swell. And by swelling it will compress adjacent brain tissue leading to permanent brain damage. And the presence of AQP4 is in the astroglial endfeet which surround the brain: the suction cup, a structure which resembles a suction cup so that the aquaporin 4 surrounds this membrane - this is in immunogold preparation - but not these membranes. And this distribution predicted that this protein would be pivotal in explaining the manifestations of brain oedema. Brain oedema is a deadly phenomenon. Stroke is the third-leading cause of death in Western Europe and the United States. And it is the brain swelling that causes the major pathology. Ariel Sharon, the former prime minister of Israel, sustained a stroke from which the brain swelling could not be controlled. He’s left in a vegetative state. So the consequences are severe. Now an important series of experiments, reported a few years back, explained how mutations in the AQP4 gene or the proteins bracketing it at the proper membrane might be a new key to the prevention and treatment of brain oedema. Now I’d like to introduce my colleague Mahmood Amiry, because Mahmood was not so many years ago a student at the Lindau conference just like yourselves. His origins are quite interesting. His family were refugees from Iran. He was living in a refugee camp in Pakistan when he was adopted by the Norwegian social services, brought to Oslo, given a chance to study. And he was an excellent student and is now a top European neuroscientist. And the study that Mahmood organised shows us a very interesting outcome. If defining brain injury is experienced in laboratory mice, the mice are then sacrificed. You notice the pale staining here which is oedematous in infarcted brain tissue. Mice with a variety of different mutations in the aquaporin 4 protein, the gene encoding it, or the bracket proteins sustain much smaller brain injury. A prediction that if we could develop new medicines we would have a way of avoiding this horrific clinical problem of brain oedema. Another member of the family aquaporin 5, again cloned by a young person from far away, Surabhi Raina who came to our laboratory from Banaras Hindu University - she is now a Professor at Syracuse University – cloned the aquaporin 5 from secretary glands, salivary glands, lacrimal glands; the last membrane water crosses during the release of tears, sweat and saliva. Now Steve mentioned the importance of global climate change in terms of the heat wave in 2003. but you know I’m 64, I don’t feel I'm quite ready to give up the ghost. Is it possible the aquaporins are important in this? And for this we have no direct information but the indirect information suggests that the stress response of the aquaporins is important. Because as you know that many physiological pathways decline with age. At age 64 I love to exercise but I can’t run as fast, I don’t move oxygen as fast, my heart doesn’t beat as fast as when I was younger. And for a lot of these things we can compensate. But sometimes when stressed to the maximum - an older individual in a heat wave, unable to get up, get around to get fluids, to sense thirst, to concentrate urine or sweat - it might be life or death. Now I’m going to touch briefly on the aquaglyceroporins and these are structurally very similar. I’ve borrowed this slide from Bing Jap from the Lawrence Berkeley Laboratories. And in this the narrowest past of the pore - this lining residues from a water channel, this is bovine AQP1 – and a bacterial glycerol channel, GlpF, are aligned. And the darker residues represent the water channel and the lighter represent the glycerol transport mechanism. What you should see is this arginine is perfectly conserved but here’s the cysteine, the mercury inhibitory site from the water channel. You will notice it’s been replaced by a phenylalanine, a larger hydrophobic residue which projects into the aqueous pore, and of course the aqueous pore is shown here. The histidine which is present in all water channels is replaced by glycine in the glycerol transporters. And this small glycine gives mobility to this phenylalanine which opens up by a trap door and Helmut Grubmüller and Bert de Groot in Göttingen -, allowing the channel to open up permitting the passage of the 3-carbon polyol. In biology, is glycerol transport important? And in truth, I’ve gotten pretty far along in my career, I never heard that glycerol transport occurred or might even be important. But it is the work of Johan Ågren who did a nice sabbatical in our laboratory a few years back, where he showed that the presence of the aquaglyceroporin 3 protein is very abundant in skin in the basal levels of both prenatal and postnatal rats. Now it did not take very long for the beauty industry to get into this. A few years back I was visited by some executives from the Christian Dior Company. Now I don’t know about your laboratories, but my laboratory doesn’t often get executives from the Christian Dior Company visiting. So I was very suspicious there was some commercial interest. And they revealed they had a new product they would be releasing. Their chemists had identified some small molecules that reach subtle increases in aquaglyceroporin 3 expression in sun-exposed skin. And I should point out I have no financial ties to Christian Dior. There are plenty of days I would love to have financial ties to Christian Dior, but none were offered without strings attached. So this is just to represent what they advertise on the back cover of the Marie Claire beauty magazine: their product which is extremely expensive hydraction skin cream. And they would like you to buy this for €50 a jar and use a lot so you look just like this. I’m not sure there’s proof that it works. But I take this to show you some of the spectacular advertising claims that are made. And I use this to illustrate the fact that we really can’t control where our science goes. I show this - this is my mother. If you read French you’ll see spectacular results of profound hydration. And what’s this, the Nobel Prize in chemistry? (laughter) My mother is a farm girl, she never went to university but she has profound natural wisdom, common sense. She smiled and she said, "Peter I think you may finally be doing something useful." (laughter) Well our mothers know us better than we know ourselves. I think she was kidding, I’m not sure, but we’re still trying to do something useful. And in fact the aquaglyceroporin 3 is present in red cells. It’s responsible for glycerol transport which turns out to be pivotal in the manifestations of malaria. And it’s because of this work and my interest in global health we’ve refocused the laboratory entirely upon malaria. And I’ll dwell on that for just a few minutes here. The malaria parasite resides in red cells. This is in a vacuole. It can grow and divide synthesising lipids without the biological machinery to manufacture glycerol. Where do the glycerol lipids come from? And the answer is through aquaglyceroporins. When the cell divides, and here’s a single parasite in a red cell, it will divide up 32 daughter cells, break the cell and releasing 32 parasites. Takes about 2 days, do the numbers: 32 times 32 - in 2 cycles that’s 1,000 parasites, in 4 cycles that’s a million parasites, 6 cycles that’s a billion parasites. So within just a week or 2 the people infected with malaria can have huge amounts of toxic sludge, malarial sludge, in their circulatory systems causing horrific fevers and organ damage. In a series of knockout studies - I’ll just show you the bottom line. By knocking out the gene, encoding the parasites aquaglyceroporin, we can diminish the virulence. So here are normal mice injected with a wild-type malaria. Notice that within 3 weeks they’re all dead. If we knock out the aquaglyceroporins they live a little longer. Somewhat of a disappointment, yes: it had a beneficial effect but no: it probably would not be a good drug target. Because we need new drugs for malaria and that’s where the value of you young people will be so immense. The current medicines for the treatment of malaria are becoming less and less effective due to drug resistance. And who gets malaria? People like these children who work outside our field station in southern Zambia, innocent little children between 2 and 8 years of age. Most malarial deaths, and there are about a million a year, are children aged 5 and younger from the developing world. By preventing them from getting malaria and by aggressive treatment, we can save their lives. And often do, but not all cases, this little boy was brought into the clinic in a profound coma. His life was saved by Philip Thuma, the paediatrician who worked in the hospital in Zambia. You’ll notice he’s left with a dysconjugate gaze: because of brain oedema from the malaria parasite, he’s left with cortical blindness; he’ll never see again. And I’ll skip the micrograph which explains this. Just to talk briefly on the nature of malaria being a global problem. If it’s taken care of in one region that’s great. But if it’s not taken care of in an adjacent region it will come right back. And this colonial bridge, which spans the Zambezi connecting Zimbabwe and the far bank and Zambia on the near bank, shows the problem. Because there’s no barrier for the world’s deadliest animal: the Anopheles mosquitos that pass malaria. And the Anopheles mosquitos have an interesting cascade of aquaporins themselves. I won’t tell you about it but it’s a big problem. Can we control the mosquitos to prevent malaria? And I think the answer is yes. But we need more chemistry. We need more young chemists. You have a big role, trust me. And in closing I’ll just mention briefly that aquaglyceroporins are also present in fat. This is where glycerol is released during times of fasting and starvation, taken up by the liver, converted to glucose. So even to the very end of starvation we can maintain blood glucose levels for normal mentation. I’m going to skip the arsenic transport, I’m going to run out of time. Plants also have these, this is work of a German scientist, Ralph Kaldenhoff, while at the University of Würzburg. Notice this Arabidopsis and this mutant Arabidopsis with their rootlets knocked down so that the plant maintains stem sugar by sending out a greater number of rootlets. Again life processes managed by aquaporins. This is a photograph of the laboratory on a special morning when the phone rang informing me I would share the Nobel Prize for Chemistry. They said in 10 minutes there would be a press conference in Stockholm, I should get ready for my day. So I sprinted for the shower. My wife Mary who is always very organised and calm, called my mother back in Minnesota to give her the news. It was early in the morning, she thought for a moment, she said Mary tell Peter that’s very nice, but don't let this go to his head. Remember the doing-something-useful business, and I think that’s what it’s all about. So I challenge you young scientists, when you get to the ends of your careers, and the laureates, when we are at the ends of our careers, looking back was it worth it? And the answer is absolutely positively ‘yes’. The most important experiments you may ever do in your career you may do next week. The world can change in a very positive way. So go to it. Thanks so much. Applause.

Guten Morgen. Es ist wirklich eine Herausforderung, nach Steve Chu zu sprechen. Ich werde mein Bestes geben. Das ist meine achte Lindau-Konferenz. Ich glaube, wenn man die Preisträger befragen würde, dann würden sie sagen, dass dies wirklich ein ganz besonderer Teil des Jahres ist. Wir sind allen, die das möglich gemacht haben, sehr dankbar. Ganz besonders danken wir den jungen Wissenschaftlern. Zunächst einmal: Herzlichen Glückwunsch, dass Sie eingeladen wurden, und vielen Dank dafür, dass Sie gekommen sind. Das ist eine ganz besondere Zeit. Ich werde über Wasser sprechen, und ich werde gleich zur Sache kommen. Die letzten beiden Vorträge waren als Einleitung sehr hilfreich, denke ich. Wir kennen alle die Bedeutung von Wasser für globale Probleme. Steve hat über das Schmelzen der Eisdecke von Grönland gesprochen, über die Erwärmung des Golfstroms, die Katrina-Katastrophe, den Tsunami. Es ist klar: Wenn die weltweiten Wasservorräte ins Ungleichgewicht geraten, drohen große Gefahren. Wasser ist aber auch in der Biologie von großer Bedeutung. Jeder von uns – zwei Drittel unserer Körpermasse ist Wasser. Während wir hier sitzen, wird jeder von uns in den nächsten zwanzig, dreißig Minuten Rückenmarksflüssigkeit abgeben und aufnehmen. Das Gleichgewicht erhält die Gehirn-Homöostase aufrecht. Ungleichgewicht kann zu Hydrozephalus oder Gehirnödemen führen. Das Gleiche gilt für unsere Augenhöhlen, Humor aquosus: zu viel Kammerwasser – erhöhter Augendruck. Es gibt also in der Biologie im Zusammenhang mit Wasser eindeutige Beispiele dafür, dass Ungleichgewicht Krankheitssymptome hervorruft. Wie Wolfgang gesagt hat, ging der Nobelpreis im Jahr 2003 an Roderick MacKinnon und mich Ich möchte darauf hinweisen, dass Rod MacKinnon Arzt ist, ebenso wie ich selbst. Doch im Jahr 2003 ging der Medizin-Nobelpreis an zwei Chemiker, an Peter Mansfield und Paul Lauterbur. Daran sieht man, dass sich die wissenschaftlichen Disziplinen nicht mehr präzise voneinander abgrenzen lassen. Wie zur Zeit der Renaissance schreitet die Wissenschaft in verschiedenen Regionen und in mehrere Bereiche fort. Chemie, Biologie und Physik sind mittlerweile zu so etwas wie einer komplexen Form von Wissenschaft verschmolzen. Das Problem, wie Wasser in Zellen hinein und wieder heraus kommt, hat etwas mit der Barriere zu tun, mit der großen Barriere in Gestalt der Plasmamembran. Nach ihrer Entdeckung vor hundert Jahren erkannte man, dass der Wassertransfer bis zu einem gewissen Grad auf einfacher Diffusion beruht. Sie sehen das im linken Bild: Wasser dringt in die Zelle ein. Das wurde von allen Wissenschaftlern anerkannt. Doch eine kleine Gruppe von Wissenschaftlern stellte sich im vergangenen Jahrhundert die Frage, ob das die einzige Erklärung für Wassertransport in Zellen hinein und wieder heraus ist. Und Pioniere, Pioniere wie Arthur Solomon in New York, Gheorghe Benga in Rumänien, Guillermo Whittembury in Venezuela Man führte präzise Experimente durch, die darauf hinwiesen, dass es bei bestimmten Geweben wie Nierentubulus, sekretorischen Drüsen und roten Blutkörperchen eine andere Erklärung geben musste. Dort gibt es nämlich einen massiven Wassertransport. Ihre Experimente zeigten, dass dieser Wassertransport einige ganz besondere Merkmale aufwies, sehr spezifische Wasserbewegungen. Das Hydroniumion, das mit Ladung dieselbe Masse aufweist, bewegt sich nicht. Die Bewegung schien durch osmotische Gradienten gesteuert. Dieses Thema – die Osmose, über die wir alle als kleine Kinder in der Schule gelernt haben, kann in einigen Geweben sehr schnell vonstattengehen, wenn diese vermeintlichen Wasserkanäle tatsächlich existieren. An der University of California, Berkeley, führte Robert Macey ein wichtiges Experiment durch. Als er Wirkstoffe untersuchte, welche die Lipiddoppelschicht in Unordnung bringen würden, konnte er reihenweise messen, dass der Wassertransport zunahm. Dann kam er zu der chemischen Verbindung Quecksilberchlorid. Und er stellte etwas Überraschendes fest: Quecksilberchlorid stoppte den Transport von Membranwasser in rote Blutkörperchen. Er beobachtete die Membrane – wenn er sie mit chemischen Reduktionsmitteln behandelte, konnte er den Transport wiederherstellen. Er konnte ihn an- und abschalten. Er errechnete eine niedrige Arrhenius-Aktivierungsenergie und kam zu dem Schluss, dass es als Erklärung hierfür eine wasserhaltige, durch die Membran führende Pore mit einer freien Sulfhydrylgruppe geben musste. Doch Macey konnte ebenso wenig wie die anderen das für den Wassertransport verantwortliche Molekül identifizieren. In der Wissenschaft ist es großartig, Ideen zu haben und Hypothesen aufzustellen, aber erst der Beweis bringt die Wissenschaft voran. Die Entdeckung des Wasserkanalproteins war mit einer Menge Glück verbunden. Ich will auf die Entdeckung nicht eingehen, doch sie hatte etwas damit zu tun, dass ich mit meinen Kindern nach Disneyworld fuhr und mit einigen Leuten redete. Und siehe da – für ein neues, von uns isoliertes Protein, für das wir keine Funktion hatten, wurde eine neue Idee geboren. Dieses zuerst aus roten Blutkörperchen isolierte Protein hatte Homologe in anderen Geweben von denen man wusste, dass sie einigen Bakterien ermöglichen, Glycerin als Kohlenstoffquelle zu verwenden, und Gene hingen mit diesem Fragment in den Wurzeln von Pflanzen zusammen. Wir steckten fest, wir kannten die Funktion nicht. Und es war tatsächlich diese Unterhaltung, diese glückliche Fügung, die uns den richtigen Weg wies. Wir führten in Zusammenarbeit mit meinem Freund Bill Guggino an der Johns Hopkins einige sehr einfache Experimente durch, um zu testen, ob es sich bei diesem neuen Protein tatsächlich um eine wasserhaltige Pore, um einen Wasserkanal handelt. Auf dieser Folie sehen Sie zwei amphibische Oozyten des Xenopus laevis, des südafrikanischen Frosches. Der Kontrolleizelle wird nur Puffer injiziert. Der Testeizelle wird komplementäre, dieses neue Protein kodierende RNA injiziert, etwa zwei Nanogramm. Sie werden drei Tage lang zusammen in einem isotonischen Kulturmedium ausgebrütet. Es gibt keinen erkennbaren Unterschied. Aber natürlich gibt es keinen osmotischen Gradienten. Wenn sie rasch in destilliertes Wasser transferiert werden, stellt sich sofort ein verblüffender Unterschied ein: Ein ganz einfaches Experiment, das alles auf den Kopf stellte, was man über den Transport von Membranwasser wusste. Es führte außerdem zu großem Jubel im Labor. Und es gibt ein bisschen... das ist Greg Preston, der Postdoktorand, der diese frühen Studien durchführte. Wenn man an einer Entdeckung im Labor, selbst an einer kleinen Entdeckung, keine große Freude findet, dann ist man im falschen Geschäft. Denn das ist die Währung, für die wir wirklich arbeiten: zum ersten Mal ein neues Phänomen auf molekularer Ebene zu sehen. Es geht auch um Herausforderungen, denn wir waren ein kleines Labor. Die meisten Labore sind klein. Wie kann ein kleines Labor mit einem großen Labor mithalten? Die Antwort lautet: durch Zusammenarbeit mit anderen Wissenschaftlern. Im Verlauf meines restlichen Vortrages werde ich Ihnen Fotos von meinen Kollegen zeigen, vor allem von unseren jüngeren Kollegen, die all das ermöglicht haben. Unsere erste Herausforderung bestand darin, die Struktur des Wasserkanalproteins zu lösen. Zu unserem hierfür zusammengestellten Team gehörte Yoshinori Fujiyoshi von der Universität Kyoto. Andreas Engel von der Universität Basel in der Schweiz. In mehreren Jahren gemeinschaftlicher Arbeit – wobei Tom Walz, ein Doktorand in Ihrem Alter, entscheidende Beiträge leistete – realisierten wir eine dreidimensionale Struktur, die erklärte, wie der Wassertransfer vonstattengeht. Im linken Bild, einer Draufsicht, sieht man, dass der Kanal über eine einzelne wasserhaltige Pore mit einem Durchmesser von 3 Angström verfügt. Da Sie alle Chemiestudenten sind, wissen Sie wahrscheinlich, dass der durchschnittliche Durchmesser eines Wassermoleküls 2,8 Angström beträgt – gerade groß genug. Und im Querschnitt sehen wir nun, wie Wasser von außerhalb der Zelle mit Wasser im Inneren der Zelle kommuniziert. Wie funktioniert das? Nun, Wasser existiert natürlich, wie mein Vater, ein echter Chemiker, seinen Chemiestudenten erklären würde Die Wasserstoffbindung zwischen diesen Molekülen, zwischen diesem Sauerstoff und diesem Wasserstoff zum Beispiel, bildet eine Gemeinschaft mit freiem Austausch von Protonen. Wir haben also ein Gebilde vor uns, das wir als Sanduhr bezeichnen Doch der Kanal selbst ist eine lange Pore mit einer Länge von etwa 20 Angström Und es gibt feste Barrieren, die zum Beispiel die Bewegung von Protonen verhindern, diese in hohem Maße konservierten Residuen. Dann gibt es einen einzigartigen Mechanismus – ich kann darauf nicht eingehen das den so genannten Grotthus-Effekt unterbricht und die Protonen daran hindert, an dieser Kette entlang auf- und abzuhüpfen. Eine Milliardstel Sekunde lang wird dieses Wassermolekül getrennt gehalten. Diese Struktur wurde jetzt von Bob Stroud und Bing Jap sowie von anderen Wissenschaftlern bestätigt. In der Zeitschrift Science von letzter Woche stellte Richard Neutze aus dem schwedischen Göteborg die subatomare Struktur eines Wasserkanalproteins von Bakterien vor. Es ist ein strukturelles Merkmal aller Lebensformen. Urheber dieser Grafik ist David Kozono, ein begabter Student, mittlerweile Hochschullehrer an der Harvard University. Wenn Sie die engste Stelle des Zentrums der Pore betrachten, sehen Sie die Enge ... eines einzelnen, von Arginin umgebenen Wassermoleküls, eine positive Ladung; Histidin, eine teilweise positive Ladung; und Cystein, das Quecksilber-Inhibitionszentrum – gerade groß genug für Wasser. Um die Physiologie des Wasserkanalproteins zu verstehen, mussten wir die Verteilung verstehen. Glücklicherweise konnten wir mit Søren Nielsen von der Universität Aarhus in Dänemark zusammenarbeiten. Er beendete gerade seine Promotion, die er mit 29 Jahren begonnen hatte. Er bestimmte den Ort des Wasserkanalproteins zuerst in der Niere – die Niere ist das Organ, in dem die größte Menge an Information über Transportbiologie zusammengetragen ist. In aller Kürze: Unsere Nieren – wir haben zwei davon – befinden sich unter dem Zwerchfell. Sie bestehen aus ungefähr einer Million Nephronen, in denen die glomeruläre Filtration stattfindet. Nur zu Ihrer Information: Eine Million Nephronen filtern ungefähr 200 Liter Plasma täglich – enorm. Natürlich müssen wir 99 % des Wassers wieder aufnehmen, sonst sterben wir an Dehydrierung. Und die Anwesenheit des proximalen Konvoluts sowie des absteigenden dünnen Teils der Henle-Schleife, wo bekanntermaßen ständig Wassertransport in großem Umfang stattfindet, belegt die Anwesenheit von AQP1, Aquaporin 1, im proximalen Nephron. Beachten Sie jedoch, dass die Sammelrohre, in denen bekanntermaßen regulierter Wassertransport stattfindet, das Wasserkanalprotein nicht aufweisen. Das weist darauf hin, dass sich in den Sammelrohren ein anderes Homolog befinden muss. Diese elektronenmikroskopische Immunogold-Aufnahme des Bürstensaums eines proximalen Tubulus lässt eine intensive Einfärbung des mit dem Nanogoldprotein A verbundenen Antikörpers erkennen, was auf die starke Präsenz des Proteins an der Zelloberfläche, nicht jedoch im Inneren der Zelle hinweist. In dieser Grafik wird erklärt, wie das funktioniert: Eine einzelne Zelle in einem renalen Tubulus, Epithel. Die Zellen sind durch „Tight Junctions“ miteinander verbunden, was den Austritt von Wasser verhindert. Die Erklärung lautet wie folgt: Wasser im Primärharn – das Lumen wäre darüber – tritt durch Aquaporin 1 in die apikale Oberfläche ein und dringt durch Aquaporin 1 durch die basalen und lateralen Oberflächen; es kommt vom Primärharn in das Zytoplasma, in das Interstitium und zurück in den Blutkreislauf – sehr effizient. Nochmals: 200 Liter täglich. Als Arzt bin ich stark an den Ursachen und der Behandlung von Krankheiten interessiert. Bei unserer Forschungsarbeit konnten wir das molekulare strukturelle Gen sowie den kurzen Arm des menschlichen Chromosoms 7 isolieren... identifizieren, was uns in die Lage versetzte, Menschen mit Mutationen im AQP1-Gen ausfindig zu machen. Ich muss darauf hinweisen, dass sie extrem selten sind. Da aber die Stellen für Blutgruppentests gut zusammenarbeiten, konnten wir aus den sechs bekanntermaßen mit null kodierten Personen einen Anzahl von Personen identifizieren, die wir zu klinischen Tests ins Johns Hopkins brachten. Ich muss darauf hinweisen, dass sie alle durch Knockout-Mutationen im AQP1-Gen homozygot sind. Hier sehen Sie – mit ihrer Erlaubnis – eine dieser Personen aus dem Süden Frankreichs. Sie sehen, dass sie normal aussieht; sie fühlt sich auch normal. Kommt das daher, dass das Protein nicht wichtig ist oder daher, dass es in Stressphasen wichtig ist? Und es lässt sich nicht bestreiten, dass es in Stressphasen wichtig ist. Wir gehen jeden Abend zu Bett und schlafen sieben oder acht Stunden lang. Wenn wir am nächsten Morgen unsere Blase entleeren, dann ist das der gesamte in der Nacht angesammelte Urin. Die wenigen nächsten Tropfen sind hoch konzentriert. Bei Wasserentzug konzentrieren wir unseren Urin auf bis zu etwa 1000 Milliosmol, die Konzentration von Meerwasser. Die Personen ohne AQP1 können eine geringe Menge konzentrieren, genug, um durch die Nacht zu kommen – aber nicht weiter. Sie riskieren natürlich Dehydrierung, wenn sie noch weiter dursten. Und bekanntlich waren unsere Vorfahren im Verlauf der menschlichen Evolution ständig mit Wasserentzug konfrontiert. Es also ein bedeutendes physiologisches Ereignis. Die Arbeit wurde beschleunigt durch die Arbeit von Landon King Landon identifizierte einen zweiten Phänotypen. Als Lungenarzt suchte er in kapillaren Endothelzellen nach dem AQP1-Protein. Und hier, an dieser Immunogold-Aufnahme, sehen Sie – es ist reichlich mit luminalen und abluminalen Zellmembranen ausgestattet. Das erklärt, warum Kapillaren für Wasser frei durchlässig sind. Und es erklärt auch, warum die Präsenz dieses Proteins in den pulmonalen Mikrogefäßen zum Zeitpunkt der Geburt so wichtig ist, wenn der Säugling mit seinem ersten Atemzug die amniotische Flüssigkeit von der Lunge in den vaskulären Raum aufnimmt, um Sauerstoff zu absorbieren. Die Entdeckung von AQP1 war so etwas wie der Startschuss zu einem Wettrennen. In unserem Labor und in Laboren auf der ganzen Welt wurden durch Homologie-Klonierungstechniken Aquaporine in großer Zahl identifiziert. Die genetische Datenbank enthält derzeit etwa 500 verschiedene Aquaporine verschiedenster Lebensformen: von Wirbeltieren, Wirbellosen, Mikroorganismen und Pflanzen, sogar von Archaeen. Doch das menschliche Repertoire ist etwas einfacher; es gibt, glaube ich, ungefähr dreizehn Gene, von denen elf oder zwölf gut beschrieben sind. Sie bestehen aus zwei Untergruppen: aus denjenigen wasserdurchlässigen, die wir als klassische Aquaporine einstufen und jenen strukturell geringfügig unterschiedlichen, für Wasser und Glycerin durchlässigen, die wir als Aquaglyceroporine bezeichnen. Hier ist AQP1, unsere ursprüngliche Entdeckung. Ich erzähle Ihnen in aller Kürze etwas über einige andere Mitglieder der Familie. Auf die Entdeckung von Aquaporin 1 folgte Aquaporin 2 in den Sammelrohren der Niere. Das ist ein sehr wichtiger Teil unserer Konzentrationsmechanismen. Primitive Stammesvölker hatten kein Verständnis für das Konzept normaler zeitlicher Befristung, doch die Krieger konnten mitten in der Nacht Kriegsrituale feiern. Wie? Sie erkannten, dass sie, wenn sie bei Sonnenuntergang große Mengen Wasser tranken, nach unserem Zeitgefühl zwei oder drei Stunden länger aufbleiben konnten, um ihre Blasen zu leeren und Krieg zu führen. Die Vorstellung von Flüssigkeitsüberschuss, Abgabe von verdünntem Urin, Flüssigkeitsentzug zur Konzentration von Urin ist also, so sagen es uns die Anthropologen, schon lange bekannt. Und AQP2 ist die finale Konzentrationsquelle. Sie befindet sich im Sammelrohr. Auf einer Folie, die ich leihweise der Arbeit von Søren Nielsen und Mark Knepper entnommen habe, ist zu sehen, wie das funktioniert. Nicht durch „Gating“, also Öffnen und Schließen bzw. an der Zelloberfläche während der antidiuretischen Phase erklärt alles. Wenn man einem typischen Studenten einen Liter Bier zu trinken gibt Seine Nieren sehen dann so aus: Das Aquaporin 2 ist internalisiert; die Oberfläche der Hauptzellen ist für Wasser undurchlässig und setzt große Mengen von verdünntem Urin frei. Lassen Sie denselben Studenten zwei Stunden lang in der Hitze Tennis spielen. Er ist im antidiuretischen Zustand. Jetzt befindet sich Aquaporin 2 an der Zelloberfläche; er absorbiert so viel Wasser wie möglich, um den vaskulären Raum zu erhalten. Es ist ein für das Überleben grundlegendes Thema. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, dass das G-Protein – Brian Kobilka hat am Montag über G-Proteine gesprochen – zum Vasopressin führt, indem es sich durch eine Kaskade arbeitet; es führt zur Phosphorylierung und zur Durchdringung der Zelloberfläche. Das ist in einer Reihe von klinischen Bereichen von Bedeutung. Erbliche Defekte sind selten, führen aber dazu, dass Kinder aufgrund ihrer schwerwiegenden Polyurie täglich bis zu 20 Liter Wasser benötigen, um die normale Hydrierung aufrechtzuerhalten. Erworbene Defekte in der Überexpression des Proteins finden sich in allen Formen der Flüssigkeitsretention; kongestive Herzinsuffizienz ist weit verbreitet. Die Person hält Flüssigkeit zurück, weil die Niere übermäßig effektiv Wasser zurückhält. Und Unterexpression findet sich in allen Formen von Polyurie, wozu auch das Bettnässen bei kleinen Kindern zählt. Es handelt sich also um einen grundlegenden Prozess. Ich springe jetzt schnell durch die Mitglieder der Familie und erzähle ihnen etwas über das Protein Ich benutze das außerdem als Vorwand dafür, Ihnen etwas über die jungen Leute zu erzählen, die die Studien durchführten, denn ihre Rolle ist entscheidend: Masato Yasui stieß aus Tokio zu uns und arbeitete einige Jahre lang am Aquaporin 0, das sich in der Augenlinse findet. Mutationen im Aquaporin-0-Gen führen zu angeborenen Katarakten. Wir nennen es 0 und nicht 3, weil das Protein schon früher identifiziert worden war; allerdings wurde seine Funktion nicht verstanden. Wir sind Masato für diese Arbeit zu tiefem Dank verpflichtet. Er ist mittlerweile nach Japan zurückgekehrt, wo er an der Keio-Universität die Pharmakologie leitet. Aquaporin 4 findet sich in einer Reihe von Geweben, so auch im Gehirn. Unser Gehirn unterscheidet sich stark von unseren anderen Kapillarbetten, da es zu seinem Schutz von einem festen Schädel umschlossen ist. Doch wenn wir ein Schädeltrauma durch Kopfverletzung, einen Schlaganfall oder einen Tumor erleiden, ist unser Gehirn in Gefahr, da geschädigtes Hirngewebe anschwillt. Durch die Schwellung wird benachbartes Hirngewebe zusammengedrückt, was zu bleibenden Hirnschäden führt. Und AQP4 befindet sich in den astroglialen Ausläufern, die das Gehirn umgeben. Die Saugglocke – das ist ein Gebilde, das einer Saugglocke ähnelt; das Aquaporin 4 ist in dieser Membran – das ist eine Immunogold-Aufnahme – aber nicht in diesen Membranen. Und die Verteilung wies darauf hin, dass dieses Protein bei der Erklärung der Manifestationen von Gehirnödemen eine entscheidende Rolle spielen würde. Ein Gehirnödem ist ein tödliches Phänomen. Schlaganfall ist die dritthäufigste Todesursache in Westeuropa und in den Vereinigten Staaten. Und die Gehirnschwellung verursacht den Großteil der Symptome. Ariel Sharon, der frühere Premierminister von Israel, erlitt einen Schlaganfall; die daraus resultierende Hirnschwellung ließ sich nicht kontrollieren. Er befindet sich seitdem im Wachkoma. Die Folgen sind also schwerwiegend. Mehrere wichtige Experimenten, über die vor einigen Jahren berichtet wurde, lieferten eine Erklärung dafür, wie Mutationen im AQP4-Gen bzw. in den Proteinen, die es an der geeigneten Membran umklammern, einen neuen Schlüssel zur Prävention und Behandlung von Gehirnödemen liefern könnten. Ich möchte Ihnen jetzt meinen Kollegen Mahmood Amiry vorstellen. Vor nicht allzu langer Zeit war Mahmood als Student bei der Lindau-Konferenz, so wie Sie. Seine Herkunft ist ziemlich interessant. Seine Familie floh aus dem Iran. Er lebte in einem Flüchtlingslager in Pakistan, als sich der norwegische Sozialdienst seiner annahm. Er wurde nach Oslo gebracht und erhielt die Chance zu studieren. Er war ein hervorragender Student, und heute ist er einer der besten europäischen Neurowissenschaftler. Die Studie, die Mahmood organisierte, brachte ein sehr interessantes Ergebnis. Wenn Labormäuse eine schwere Gehirnverletzung erleiden... die Mäuse werden geopfert... sie sehen hier die helle Färbung, die in infarziertem Hirngewebe ödematös ist. Mäuse mit einer Vielzahl verschiedener Mutationen im Aquaporin 4-Protein – dem Gen, das es kodiert – oder in den Klammerproteinen erleiden viel geringere Hirnverletzungen. Das weist darauf hin, dass es dann, wenn wir neue Medikamente entwickeln könnten, eine Möglichkeit gäbe, dieses schreckliche klinische Problem der Gehirnödeme zu vermeiden. Ein weiteres Mitglied der Familie: Aquaporin 5, wiederum geklont durch eine junge, von weit her kommende Person. Surabhi Raina, die von der Banaras Hindu University in unser Labor kam klonte das Aquaporin 5 aus sekretorischen Drüsen, Speicheldrüsen, Tränendrüsen; die letzte Membran, die Wasser während der Abgabe von Tränen, Schweiß und Speichel durchquert. Steve hat von der Bedeutung des weltweiten Klimawandels im Hinblick auf die Hitzewelle des Jahres 2003 gesprochen. Ich bin vierundsechzig, und ich bin noch nicht bereit, den Löffel abzugeben. Ist es möglich, dass die Aquaporine dabei von Bedeutung sind? Wir verfügen hier über keine direkten Informationen, aber die indirekten Informationen lassen vermuten, dass die Belastungsreaktion des Aquaporins von Bedeutung ist. Denn wie Sie wissen, lassen viele physiologische Bahnen mit zunehmendem Alter nach. Mit 64 trainiere ich immer noch gern, aber ich kann nicht mehr so schnell laufen, ich transportiere den Sauerstoff nicht mehr so schnell und mein Herz schlägt nicht mehr so schnell wie früher, als ich noch jünger war. Viele dieser Dinge können wir kompensieren. Doch manchmal, wenn eine ältere Person während einer Hitzewelle an ihre Belastungsgrenze stößt und nicht mehr in der Lage ist, aufzustehen, herumzugehen, Flüssigkeiten aufzunehmen, Durst zu empfinden, Harn oder Schweiß zu konzentrieren – dann kann es um Leben und Tod gehen. Ich komme jetzt kurz auf die Aquaglyceroporine zu sprechen, die strukturell sehr ähnlich sind. Diese Folie habe ich mir von Bing Jap von den Lawrence Berkeley Laboratories ausgeliehen. Hier sehen Sie die engste Stelle der Pore – beschichtende Residuen eines Wasserkanals; das ist bovines AQP1 – und einen bakteriellen Glycerinkanal, GlpF, aneinander ausgerichtet. Die dunkleren Residuen repräsentieren den Wasserkanal; die helleren repräsentieren den Mechanismus des Glycerintransports. Sie sollten Folgendes sehen: Dieses Arginin ist vollständig erhalten, doch hier ist das Zystein, das Quecksilber-Inhibitionszentrum vom Wasserkanal. Wie Sie sehen, wird es durch ein Phenylalanin ersetzt, ein großes hydrophobes Residuum, das in die wassersführende Pore hineinragt. Die wasserführende Pore ist hier dargestellt. Das in allen Wasserkanälen vorhandene Histidin wird durch Glycin in den Glycerintransportern ersetzt. Und dieses kleine Glycin mobilisiert dieses Phenylalanin, das sich wie eine Falltür öffnet auch von Helmut Grubmüller und Bert de Groot in Göttingen – und so dem Kanal ermöglicht, sich zu öffnen und den Durchgang des 3-Kohlenstoff-Polyols zu gestatten. In der Biologie ist der Glycerintransport von großer Bedeutung. Um die Wahrheit zu sagen – ich bin in meiner Laufbahn sehr weit gekommen, ohne jemals davon gehört zu haben, dass es Glycerintransport gibt und er sogar wichtig sein könnte. Doch Johan Ågren, der vor einigen Jahren in unserem Labor ein Forschungssemester absolvierte, zeigte in seiner Arbeit, dass das Aquaglyceroporin 3-Protein in den basalen Werten der Haut von pränatalen und postnatalen Ratten im Übermaß vorhanden ist. Es dauerte nicht lange, bis sich die Schönheitsindustrie dafür begeisterte. Vor einigen Jahren bekam ich Besuch von Vorständen der Christian Dior Company. Ich weiß nicht, wie das in Ihren Laboren ist, aber mein Labor bekommt nicht oft Besuch von Vorständen der Christian Dior Company. Ich hatte also den starken Verdacht, dass hier ein wirtschaftliches Interesse im Spiel war. Und sie verrieten mir, dass sie ein neues Produkt auf den Markt bringen würden. Ihre Chemiker hatten einige kleine Moleküle identifiziert, die in einer der Sonne ausgesetzten Haut geringfügige Erhöhungen der Aquaglyceroporin 3-Expression hervorrufen. Ich möchte darauf hinweisen, dass zwischen mir und Christian Dior keine finanzielle Verbindung besteht. Es gibt viele Tage, an denen ich liebend gern finanzielle Beziehungen zu Christian Dior hätte, doch sie wurden nicht ohne Bedingungen angeboten. Ich zeige Ihnen das also nur, damit Sie sehen, wie auf der Rückseite des Schönheitsmagazins Marie Claire geworben wird: Bei dem Produkt handelt es sich um die extrem teure Hautcreme „Hydraction.“ Die sollen Sie sich für fünfzig Euro pro Dose kaufen und viel davon verwenden, damit Sie so aussehen. Ich bin mir nicht sicher, ob das ein Beweis für ihre Wirksamkeit ist. Aber daran können Sie sehen, welche spektakulären Werbebehauptungen aufgestellt werden. Und ich möchte damit die Tatsache illustrieren, dass wir nicht wirklich kontrollieren können, wo unsere Wissenschaft landet. Ich zeige dies – das ist meine Mutter. Wenn Sie Französisch verstehen – Sie werden spektakuläre Resultate gründlicher Hydration feststellen. Und was ist das – der Nobelpreis für Chemie? Meine Mutter kommt vom Land, sie war nie auf der Universität, aber sie verfügt über eine tiefe natürliche Weisheit, über gesunden Menschenverstand. Sie lächelte und sagte: „Peter, anscheinend machst du endlich etwas Nützliches.“ Nun – unsere Mütter kennen uns besser als wir selbst. Ich glaube, sie hat nur Spaß gemacht, obwohl ich mir da nicht sicher bin. Aber wir versuchen immer noch, etwas Nützliches zu tun. Das Aquaglyceroporin 3 ist tatsächlich in roten Blutkörperchen vorhanden. Es ist verantwortlich für den Glycerintransport, der sich als entscheidend für die Manifestationen der Malaria erweist. Diese Studie war ebenso wie mein Interesse an der globalen Gesundheit der Grund dafür, warum wir unser Labor vollständig neu ausgerichtet haben – auf Malaria. Das werde ich jetzt ein wenig vertiefen. Der Malariaparasit ist in roten Blutkörperchen zu finden. Hier sehen Sie ihn in einer Vakuole. Er kann wachsen und sich teilen; dabei synthetisiert er Lipide ohne die biologische Maschinerie zur Herstellung von Glycerin. Woher kommen die Glycerinlipide? Die Antwort lautet: Durch Aquaglyceroporine. Wenn sich die Zelle teilt – hier ist ein einzelner Parasit in einem roten Blutkörperchen; er vermehrt sich in 32 Tochterzellen, durchbricht die Zelle und setzt 32 Parasiten frei. In zwei Tagen – rechnen Sie nach: 32 mal 32 – in zwei Zyklen sind es Tausend Parasiten, in vier Zyklen eine Million Parasiten, in sechs Zyklen eine Milliarde Parasiten. In nur einer oder zwei Wochen können mit Malaria infizierte Menschen große Mengen von Giftschlamm, Malariaschlamm, im Kreislauf haben, was schreckliche Fieberanfälle und Organschäden hervorruft. In einer Reihe von Knockout-Studien – ich zeige Ihnen nur das Endergebnis. Durch Ausschaltung des Gens mittels Kodierung des Aquaglyceroporins des Parasiten können wir die Virulenz verringern. Hier sehen Sie normale Mäuse, denen der Wildtyp des Malaria-Erregers injiziert wurde. Beachten Sie, dass alle innerhalb von drei Wochen tot sind. Wenn wir die Aquaglyceroporine ausschalten, leben sie etwas länger. Ja, das ist ein bisschen enttäuschend: Es gab positive Auswirkungen, aber das wäre wahrscheinlich kein gutes Wirkstoffziel. Denn wir benötigen neue Medikamente gegen Malaria, und deshalb werden Sie, die Jugend, von immenser Bedeutung sein. Die Wirkung der derzeitigen Medikamente zur Behandlung von Malaria lässt aufgrund von Wirkstoffresistenzen immer mehr nach. Und wer bekommt Malaria? Menschen wie diese Kinder, die außerhalb unserer Feldstation im Süden von Sambia arbeiten, unschuldige kleine Kinder von zwei bis acht Jahren. Die meisten Malariatoten – jährlich etwa eine Million – sind Kinder im Alter von fünf Jahren und jünger aus den Entwicklungsländern. Wir können ihr Leben retten, wenn wir verhindern, dass sie Malaria bekommen bzw. die Krankheit aggressiv behandeln. Häufig gelingt uns das, aber nicht in allen Fällen. Dieser kleine Junge wurde in einem tiefen Koma in die Klinik gebracht. Philip Thuma, der Kinderarzt, der in dem sambischen Krankenhaus tätig war, rettete sein Leben. Wie Sie feststellen können, ist der Blick des Jungen diskonjugiert: Aufgrund eines vom Malaria-Parasiten verursachten Gehirnödems leidet er an kortikaler Blindheit; er wird nie wieder sehen können. Die mikroskopische Aufnahme, die das erklärt, überspringe ich. Ich möchte nur kurz darauf eingehen, dass die Malaria ihrer Art nach ein weltweites Problem ist. Wenn sie in einem Gebiet bekämpft wird, ist das großartig. Doch wenn sie in einer benachbarten Region nicht bekämpft wird, kommt sie gleich wieder zurück. Diese Brücke aus der Kolonialzeit über den Sambesi, die Zimbabwe im Hintergrund und Sambia im Vordergrund miteinander verbindet, verdeutlicht das Problem. Denn es gibt kein Hindernis für das tödlichste Tier der Welt: Die Anopheles-Mücke, die die Malaria überträgt. Die Anopheles-Mücken haben selbst eine interessante Kaskade von Aquaporinen. Ich werde nicht darauf eingehen, aber es ist ein großes Problem. Können wir die Mücken kontrollieren und Malaria verhindern? Ich glaube, die Antwort lautet: ja. Doch wir brauchen mehr Chemie. Wir brauchen mehr junge Chemiker. Sie spielen eine große Rolle, glauben Sie mir. Zum Abschluss möchte ich noch kurz erwähnen, dass Aquaglyceroporine auch in Fett vorkommen. Dort wird in Fasten- und Hungerzeiten Glycerin freigegeben, von der Leber aufgenommen und in Glukose umgewandelt. Bis zum Ende einer Hungerszeit können wir also den Blutzuckerspiegel für eine normale geistige Tätigkeit aufrechterhalten. Den Arsentransport überspringe ich; die Zeit läuft mir davon. Pflanzen sind keine Ausnahme; das ist die Arbeit des deutschen Wissenschaftlers Ralph Kaldenhoff während seiner Zeit an der Universität Würzburg. Beachten Sie diese Ackerschmalwand und diese mutierte Ackerschmalwand mit ihren ausgeschalteten kleinen Wurzeln Wieder handelt es sich um Lebensprozesse, die von Aquaporinen gesteuert werden. Das ist eine Aufnahme aus dem Labor an einem ganz besonderen Morgen, als das Telefon läutete und ich darüber informiert wurde, dass ich den Nobelpreis für Chemie erhalten würde. Man erklärte mir, in zehn Minuten werde in Stockholm eine Pressekonferenz stattfinden; ich solle mich fertigmachen. Ich sprintete zur Dusche. Meine Frau Mary, die immer sehr organisiert und ruhig ist, rief meine Mutter in Minnesota an, um ihr die Neuigkeit zu überbringen. Es war noch früh am Morgen. Meine Mutter dachte einen Moment lang nach, dann sagte sie: Mary, richte Peter aus, dass das sehr schön ist. Er soll es sich aber nicht zu Kopf steigen lassen. Sie erinnern sich – etwas Nützliches tun. Ich glaube, das ist alles, worum es geht. Ich frage also Sie als junge Wissenschaftler: Wenn wir am Ende unserer Laufbahn, mit Preisen überhäuft, zurückblicken – war es das wert? Und die Antwort lautet: ganz bestimmt ja. Das wichtigste Experiment, das Sie jemals in Ihrer Laufbahn durchführen, ist vielleicht das der nächsten Woche. Die Welt kann sich sehr zum Guten verändern; packen Sie an. Vielen Dank. Beifall.

Peter Agre (2013)

Aquaporin Water Channels: From Atomic Structure to Malaria

Peter Agre (2013)

Aquaporin Water Channels: From Atomic Structure to Malaria

Abstract

Aquaporin (AQP) water channel proteins enable high water permeability of certain biological membranes. Discovered in human red cells but expressed in multiple tissues, AQP1 has been thoroughly characterized and its atomic structure is known. Expression patterns of the thirteen known human homologs predict phenotype. Individuals lacking Colton blood group antigens have mutations in AQP1. In people with no AQP1, lack of water causes defective urine concentration and reduced fluid exchange between capillary and interstitium in lung. Mutations in AQP0, expressed in lens fiber cells, result in familial cataracts. Mutations in AQP2, expressed in renal collecting duct principal cells, result in nephrogenic diabetes insipidus. AQP2 underexpression is found in disorders with reduced urinary concentration, AQP2 overexpression in those with fluid retention.

Mistargeting of AQP5, normally expressed in the apical membranes of salivary and lacrimal gland acini, can occur in Sjogren’s syndrome. Aquaporins also are implicated in brain edema and muscular dystrophy (AQP4), anhidrosis (AQP5), renal tubular acidosis (AQP6), conversion of glycerol to glucose during starvation (AQP7 and AQP9) and cystic fibrosis (several aquaporins).

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