Peter Agre (2015) - Aquaporin Water Channels – From Atomic Structure to Malaria

Aquaporin channels allow water to rapidly cross cell membranes in all living organisms. AQP1 confers red cells and proximal renal tubules with high water permeability. Present in renal collecting duct, AQP2 is regulated by vasopressin, and human mutants are unable to concentrate urine

There can't be any other scientific meeting with young people from 88 countries. There are only 180 in the world, so half the world's countries are represented. And Lindau has had some special occasions where countries that were somewhat out of the world community have participated. I'd like to welcome students from Tehran University of Medical Sciences, Sharif University of Technology in Tehran, Iran is part of our community. Please, I think as Laurates we view ourselves as the excuse for the party, but you the young people are the party and the future. I'm going to talk about water transport, but in a greater sense I'm going to talk about young people in science and the unpredictability of science. I have to push the right button. Science is done by young people. All of you are young people at the peak of your creative talents, your enthusiasm and your energy. This was me when I was a young person entering science. I know it's kind of scary, an old man with a white beard, but time moves along fast. It was really at the age of 21 when I started at Johns Hopkins, I had the idea of getting involved in global health by doing molecular research. A few years later on the faculty, now with a family, small children, running a laboratory, we made a surprise discovery. We were pursuing one topic, the nature of the rhesus blood group antigen, and a second protein fell into our laps, a contaminant. It was either a frustration or a gift from nature. Distinguishing between those two is sometimes a challenge. We chose to think this might be an interesting contaminant and pursued it and indeed it was a gift from nature. We decided to clone out the cDNA and shown here is the deduced sequence. The topology as you can see, a bilayer spanning protein, three bilayer spanning domains repeated three in the other direction. We thought we were pretty clever, we had a new protein and we had its identity in terms of the sequence. but we did not have its functional identity. Having a protein without an identity is a very difficult situation because sooner or later your funding agencies run out of patience, and you've run out of a job. But in science there are a lot of opportunities, so this protein had some interesting sequence homologies. The homologies were from the gene sequences in the genetic database but derived from diverse organisms. For example the lens of eye had a related protein called the major intrinsic protein. The brains of insects had a protein called big brain. The bacteria E. Coli had a polypeptide and somehow involved in the utilization of glycerol and plants had sequences similar. Again, none of these are defined; we were stuck. Now, there's a special issue, I think, in scientific careers: the work-life balance. They didn't discuss this so much when I was young, but they do discuss it now and it's very important. Because many of you, probably most of you also have families, children and how is it you can balance a career and a family? Do you exclude one and then exclude the other or are they sometimes mixed? I think actually they are oftentimes mixed. While we were stuck on this new problem, "What is the function of this new protein?", it was time for our family vacation. My wife very enthusiastically organized camping trips to the National Parks. Every year we would take the children to a different national park. Yosemite, Sequoia, Yellowstone, Smokey Mountains. After doing this for a few years, Mary said, "Let's ask the children which National Park they would like to go next." And the children said, "Disney World!" (Laughter) It's not a National park, but families are not strict democracies. We went to the Everglades, and afterwards we went to Disney World for a few days. We stopped in Chapel Hill, North Carolina on our drive back to Baltimore where we had lived for a few years and had dear friends. It was that visit to Chapel Hill on our way back from the family camping trip where I talked to John Parker, a colleague who with actually a lot of experience in red blood cells. I explained we had a new protein, and we thought it was a channel but we had not a clue as to its function. It was John who said, "Peter, red cell membranes, renal tubules, plant tissues, these share one feature which is very interesting and that's the ability to transport water in large amounts. Have you considered this new protein may be the molecular water channel which physiologists have been looking for for a century?" Of course that never occurred to me, and it was that suggestion that caused us to go into a new direction. The issue of water, of course, is prominent in the news, usually disasters. The Katrina disaster, the Tsunami in South East Asia, the warming of the Gulf Stream, the melting of the Greenland ice cap. Water in biology is also important but not so often discussed. And the issue which John told me about was the challenge of trans-membrane water permeability. It was recognized with the discovery of the lipid bilayer, that a finite degree of water permeability through simple diffusion is likely to occur. But that does not explain the rapid and massive movement of water across special tissues such as renal tubules, secretory glands and red cells. It's this latter issue that we were interested in and pursued it. At the time it was known that water transport in these tissues occurred, some specifics in terms of the selectivity and the movement were known. And it was discovered in 1970 by a scientist at the University of California, Berkeley, named Robert Macey, that certain chemicals could inhibit membrane water transport. Selectively, mercuric chloride could stop water transport in red cells. Treat it with chemical reducing agents and you could restore it. You could turn it off and on. He concluded correctly there must be a membrane channel with a free sulfhydryl somewhere in the water permeation domain. But neither he nor others could identify it. With this background we tested the function of this new protein by expressing it in frog eggs, Xenopus laevis oocytes. On the left you will see a control oocytes injected at 2 ng with a complementary RNA to the new protein. Excuse me, on the left is buffer alone and on the right is a test oocytes injection with a complementary RNA. When cultured, nothing happened. Of course, culture media is isotonic with cytoplasm. Osmosis works when there is a salt gradient. If we drop these oocytes in freshwater, what happens? The test oocyte explodes rapidly. Control oocyte is small and negligible, producing less jubilation in the laboratory. This was Greg Preston, the post-doctorate who did some of these early studies. I actually took this snapshot of Greg three years after the discovery. He was still celebrating. I think that’s a fundamental issue with science. If you make it discovery, it’s exciting. That is the reward. We had a lot of interest in this new protein and we realized that if we were going to continue we have to team up with other scientists. The techniques were too specialised. The competition was too ferocious to go at it alone, and so we teamed up with other scientists and made wonderful scientific friendships which have persisted for years thereafter. One of the first challenges we faced was the structure of this new protein and we refer to the protein as aquaporin. It’s now aquaporin 1 („AQP1“). Water channel, water pore number one. The structure is solved in collaboration with Yoshinori Fujiyoshi from Kyoto University and Andreas Engel from the Biozentrum in Basel, Switzerland. Structural biologists who developed a technique of two-dimensional crystallography. By x-ray analysis of highly refined reconstituted protein in membranes we established the atomic structure. In the panel on the left should see a single pore. The protein itself is tetrameric but each protein has a single pore with a single water transport domain. That pore is about three angstroms in diameter. Just big enough for water. The average diameter of water molecule is 2.8 angstroms. On the right you’ll see a cross-section, so at the top of the projection you’ll see the extracellular surface and at the bottom of the projection you’ll see the cytoplasmic surface. It provides a single pathway for water if you go from the outside of the cell to the inside of the cell. The diagram representing that is shown here. The structure is referred to as the hourglass structure within extracellular vestibule of water in bulk solution, and intracellular vestibule of water in bulk solution. And the small channel, 3 angstroms diameter with barriers to the movement of protons. In the very centre you see a single water molecule, hydrogen bonding to two asparagines residues which are conserved throughout all these family members, isolating a single water molecule for a billionth of a second. Preventing protons from hopping up and down the channel, thereby allowing water to cross the membrane but not protons across the membrane. This was prepared by David Kozono, a talented student at the time. He’s now a Harvard faculty member. If you look at the very narrowest part of the pore, a single water molecule by space filling, you see it virtually fills the pore. Above it is that arginine which is highly conserved providing a positive charge which serves as a barrier to the movement of protons. If you look to the lower right there is a cysteine. This is the Macey residue which binds to mercuric chloride. This structure is conserved amongst aquaporins from all life forms. All life forms, mammals, higher vertebrates, invertebrates, plants, microorganisms, even Archaea, have these aquaporin proteins. Shown on this slide is a representation of the human repertoire. In blue at the top I’ve represented the aquaporins which we first discovered, AQP1, and several others which I’ll talk to you about. And AqpZ which is the bacterial homologue from E. coli. In the bottom of the pile up, shaded in yellow, are those which are permeated by water plus glycerol. We term those aquaglyceroporins. Again, there’s four mammalian homologs and there is one single bacterial one shown here, GlpF. Most species need some aquaporins and some aquaglyceroporins. Microorganisms may need only one. Part of our analysis was to look at tissue expression of the aquaporins, and renal transport was the most advanced in terms of membrane transport mechanisms. We teamed up with Soren Nielsen at the University of Aarhus in Denmark for a series of studies to pinpoint the location of the aquaporin expression. Soren was 29 years old when he started these studies. And by using very sophisticated cell biological techniques we established that the protein is present in the proximal nephron. Now the diagram on the far left of this slide shows a glomerulus where filtration occurs. There are a million or so of nephron units in each of our kidneys. So there is filtration and then the tubule that descends below that, highlighted in green, is the proximal nephron where constituent water permeability is large. At the bottom at the loop of Henle, the tube turns and returns to the surface where there is limited water permeability and enters into the collecting duct. The collecting ducts have large transport of water but it’s regulated. The indications are that the AQP1 is present in the proximal nephron. I think I left a slide out. This is an electron micrograph of the brush border of the apical surface of a single cell in a proximal nephron epithelium. The projections you can see are heavily labelled with immunogold, the black dots being gold particles attached to special antibodies for AQP1. It’s very heavily present there but not in the cytoplasmic part of the cell. Our analysis of the preparation of this diagram, of a single cell, and as I indicated this apical surface where the primary urine is, water is absorbed by the proximal nephron to the apical surface through aquaporin one. What drives it? Osmosis doesn’t occur unless there is an osmotic gradient. There is a small standing osmotic gradient created by the transporter salt and sugar. So water leaves the primary urine into the cytoplasm and then exits the cytoplasm at the bottom of the cell, again through AQP1, into the interstitial and back into the vascular bed. Very efficient. Our kidneys, on an average day our kidneys will filter 200 litres of primary urine, plasma which becomes primary urine, and reabsorb 99% of the water. Being a medical doctor and very interested in human disease, we had anticipated there must be some catastrophic diseases of kidney related to this protein aquaporin one, but we were wrong. By genetic linkage analysis we had established that the red cells surface antigen known as Colton corresponds to the extracellular domain of aquaporin one. In the whole world there are a handful, literally five or six, individuals who are Colton-null that have been identified. Shown in this slide in the centre with permission is a retired schoolteacher from France, who is an aquaporin one null individual. She is homozygous null and while she has had a normal life, she has high levels of antibodies that appeared in her blood after giving birth to a Colton-positive infant. Allowed us to identify her and study her kidney transport mechanisms. What we found is that all of the basic mechanisms were intact. No phenotype. But then a very simple test was performed where the individual was thirsted. Now this is something that happens every night when we go to bed. We sleep seven or eight hours in the morning. We’ve been thirsted seven or eight hours. When we empty our bladders that‘s the entire nighttime collection of urine but the next few drops are highly concentrated. We concentrate our urine up to about 1000 mosM and, as you can see in the diagram on the right, all of the controls after overnight thirsting are up at 1000 mosM. The individuals who are Colton-null, meaning aquaporin now, are stuck at about 400 mosM. They can concentrate a little bit, get through the night, but they would become dehydrated long before any of us would if they didn’t get fresh water when they were thirsted. Of course you and I can go for a day or even longer, depending on conditions, without disaster but these individuals would succumb to dehydration. It’s a pretty profound phenotype. A bit of a foot race emerged in terms of the renal transport mechanisms. The community being very vigorous, and by homology cloning other members of the family were identified. I’ll tell you about aquaporin 2 present in the renal collecting duct. The structure highlighted in the diagram on the left in light blue. In the collecting duct water transport is regulated by antidiuretic hormone, also known as vasopressin. In the United States universities on Friday afternoon they oftentimes have parties for the graduate students referred to as TGIF, thank God it’s Friday. The favourite beverage consumed at TGIF is beer. Let me ask you, drink a half a litre of beer. Drink a litre of beer. What’s the first place you stop? The toilet. You are fluid overloaded and alcohol diminishes the release of vasopressins, so we are releasing dilute urine. The next day playing tennis in the hot sun, fluid underloaded, dehydrated. We are shifting from fluid overload to fluid underload, back and forth. And it’s this mechanism with aquaporin 2 that explains that. In this slide which I borrowed from Mark Knepper and Soren Nielsen. I was not part of the study. They looked at rat kidney. And in the upper left panel, if you look closely, you’ll see immunogold decorations of aquaporin 2 in the renal principal cells - mostly not at the cell surface but over vesicles in the cell body. If you look at the lower left panel, it‘s this projection taken from a rat kidney after infusion of vasopressin. Now the immunogold labelling identified with arrows is largely at the cell surface. So there has been an exocytosis, movement of the channels from within the cell to the surface. And they will be returned into the cell when hydration is corrected. The diagram at the right shows that, because you can see the structure, AQP2, a tetramere of them, moving to the cell surface, allowing water to enter the apical surface of the collecting duct principal cells. But it exits through the basolateral through other aquaporins so it’s a little complex. Again, water moves freely through the cell. Now, aquaporin 2 deficiency is very severe. Peter Deen, Carol van Os and their colleagues in Nijmegen in the Netherlands have identified children with mutations in the aquaporin 2 gene. They suffer from profound nephrogenic diabetes insipidus. Those children have to drink 20 litres or more of fluid every day to maintain hydration because they are releasing dilute urine and can never concentrate. That’s very rare fortunately, but very common defects in renal concentration. Bedwetting, small children. The parents get greatly alarmed. The kids outgrow it. It’s not simply psychological. In many cases the children have an inability to fully concentrate the urine due to under expression of aquaporin 2. The converse happens in fluid retention, congestive heart failure. Patient sustained a heart attack, the pump function is diminished. The kidneys sense underperfusion. They send out the signal, vasopressin is released. Aquaporin 2 leads to increased expression and surface localization and fluid is retained excessively. The demise of the patient is the fluid excess due to aquaporin 2 overexpression. Very common. Now, other members of the family are present in special places. Masato Yasui, who is a postdoc with us from Keio University in Tokyo, worked on the aquaporin 0, we call it. This protein is referred to by others as major intrinsic protein of fibre cells. Aquaporin 0 is present in the lens and mutations in the gene encoding aquaporin 0 lead to congenital cataracts. Infants and small children will develop cataracts. And again it’s fairly rare but it shows the importance of this protein in the lens biology. While it is still unproven, there are cases being identified of older individuals with mutations in the gene encodings aquaporin 0, leading to subtle misfolding of the protein, very subtle. And of course the fibre cells are very long-lived. They live for years and years. A subtle instability in the protein will eventually come up with problems and so this may explain some forms of late onset cataracts in middle age and older. The fourth member of the family is referred to as aquaporin 4. It is present in a number of tissues including brain. In the diagram on the left we see a capillary in brain. Capillaries in brain are very different from capillaries elsewhere in our body. They are supported by a basement membrane astroglial endfeet. The structure surrounding that look like suction cups. Because fluid movements in our brain must be carefully managed, because the cranium which provides a rigid barrier and protection, will not expand if brain injury occurs, the swelling. If you look on the right we should have two projections. And the lower right in particular shows a black immunogold staining of the perivascular membrane, where aquaporin 4 is highly concentrated. This is often referred to as the blood-brain-barrier. This is where fluid movement from blood space into the brain occurs. And this location predicted that this must be involved in the manifestations of brain edema, which is a very common and tragic problem in clinical medicine. In response to stroke, brain injury, tumour, closed head trauma, some tissues will swell compressing adjacent brain tissues. This is a very big problem. Now our colleagues in Norway, led by Mahmood Amiry, actually an Iranian living in Norway, shows that what is found in normal mice compared to mutant mice after a defining brain injury. The mutant mice have a defect in the location of aquaporin 4 but they are protected against injury following edema and necrosis following brain injury. The mice are vulnerable to epilepsy, so it’s not a desirable mutation to have, but it indicates if we could develop medicines to inhibit aquaporin 4 we may have a treatment for the prevention of brain edema. As I said this is very common. Everybody here has a friend or a relative who sustained brain edema and suffered consequences. This is an MRI. Last night at the lecture, at dinner, there was a talk about the MRI. This is a middle-aged lady who developed headache, loss of energy and the MRI showed, as you can see in the upper left, a large meningioma. With the MRI image showing the appearance of brain edema. In the upper right you can see the tumour surrounded by an extensive amount of brain edema. This is in fact causing the problem. After surgery the tumour is gone, but the brain edema persisted and it’s slowly dissipating. It is a very tricky manifestation to manage. This is actually the patient. This is my wife Mary. This is right after surgery in August. The reduction in brain tissue after surgery allowed the reduction in pressure and she is alert, smiling and has continued to improve. But the brain edema is slowly dissipating. I show this not to be overly dramatic but just to illustrate the extent of the problem and the familiarity this has to all of us. I’ll talk briefly about aquaporin 5. Member of the family present in secretory glands. The last membrane where water is released in the form of saliva, tears and sweat. This is a very important of course in manifestations of thermal stress, the ability to sweat allowing us to cool when the stress may be survival. I’m going to shift, just briefly, to talk about the glycerol transfers, aquaglyceroporins. They are similar in structure. The pore has a slightly larger aperture allowing the free carbon polyol to pass. It’s present in skin and particularly in the basal levels of skin. The slide is prepared by Johan Agren from Uppsala University when he was with us a sabbatical worker. I must say it didn’t take the beauty industry long to get interested in this. Several summers ago I was visited by some executives from the Christian Dior Company. I don’t get many visitors from the Christian Dior. I don’t know about you. (Laughter) I was a little suspicious and they wanted to offer some collaborations, some rewards. I have to tell you I don’t have any financial ties to Christian Dior - there were strings attached Although my wife has raised the issue that maybe that was not the right decision. Nevertheless, Christian Dior has a product they would like you to buy. Their chemists have identified some small naturally occurring molecules which would lead to a subtle increase in the expression of aquaglyceroporin 3 in sun exposed skin. Now I can’t believe that. It‘s scientifically proven that if you use enough of this you will look like the model in the photograph, but this is advertising. If you look closely this is the back cover of the Marie Claire beauty magazine. Pretty bold statements in French: I showed this to my mother back in Minnesota. Mother is 80 years old. She was a farm girl. She never went to a university. She saw this, she smiled. She said, “Peter, I think you’re finally doing something useful.” (Laughter) Useful! Mother! Our mothers know us better than we know ourselves. We’re hoping to do something useful. That’s what’s gotten us into malaria. Red cells have a pathway for glycerol, aquaglyceroporin 3. In malaria the challenge for the parasite, which invades the red cells, is to synthesize glycerol lipids rapidly. What is shown here is one parasite cell. If you can imagine it dividing, two, again four, eight, 16, 32 daughter cells. To synthesize glycerol lipid at that rate they need a chemical source of glycerol, and the aquaglyceroporins provide that. I won’t show you the data, but knockout studies have shown that diminished virulence of the parasite can occur. Unfortunately, not sufficiently diminished to make this a good drug target, but that’s research. Here’s a picture of some peripheral blood. You can see in some, the single cell, and in the far right there is a schizont, 32 daughter cells, and you can imagine when that ruptures, 32 parasites will infect 32 new red cells. Pretty soon you have grams of malarial sludge passing to the bodies of these poor victims, causing organ damage and horrific fevers. Who gets malaria? It’s the children of the developing world. Children like these little boys playing outside of our field stations in Southern Zambia where I spend about a third of the year now. They are fortunate. They are being protected against malaria. This little boy was not so fortunate; he was brought in near death in coma. And the paediatrician at the far right, that the Dr. Philip Tuma, a Johns Hopkins paediatrician, who’s devoted his entire career to the children of Zambia. He saved the child’s life but noticed he has a dysconjugate gaze. It’s because his cerebral cortex was damaged by malaria. He’s blind for life. If we look at the cerebral cortex and cerebral malaria, on the left is the normal projection from a mouse brain, and on the right is a mouse model cerebral malaria. You see, what looks like a large blister of fluid. This is what happens and it causes permanent brain damage. Of course mosquitoes are the source of the malaria. Mosquitoes also have aquaporins. That’s how they control their body weight. When they take a blood meal, they have to jettison fluid rapidly to their malpighian tubules, aquaporins are at work. Of course while countries can control malaria, mosquitoes don’t need passports. They can cross borders. This is Zimbabwe on the far side, Zambia on the new side. Zambia where were working have had good control. Zimbabwe, because of political instability, very poor control, and the malaria keeps coming back. Diligence can pay off. Here’s our field team from southern Zambia and they visit the people with malaria in the outback. There are no roads there; it’s difficult to get there. And of course the children who get malaria are treated because they’re deathly ill. It's the carriers that we need to identify by sophisticated analysis. By treating the carriers we can prevent them from re-infecting new children. And this composite of data shows that over the last 12 years we’ve been able to reduce the burden of disease by 97%, but not 100%. Until it’s 100% reduced it will come right back, so there is more work to do. I will end by talking briefly about aquaglyceroporin 7 and 9. where it enters the liver through aquaglyceroporin 9 and is converted back to glucose. So we can maintain our blood glucose level during starvation and this also explains how arsenic is excreted in the bile. I won’t go into that because of the time. Plants have aquaporins. This is a slide provided by a friend Ralf Kaldenhof when he was at the University of Würzburg. On the right is a wild-type Arabidopsis. On the left a mutant strain with reduced aquaporin expression and the plant compensates by sending out more rootlets, each with diminished water uptake but by having more rootlets it can compensate. I summarize the talk here, I’ll skip it. I’m out of time. Here’s the group the morning we got the call. Very pleasant call in October. This is an important telephone call from Stockholm for Prof. Peter Agre. - Hans, is that a good Swedish accent imitation? I said, I sure am. And they explained, I’d share the Nobel Prize in chemistry. And in 10 minutes they’d have a press conference. I should get ready for my day. Mary called my mother back in Minnesota. I sprinted for the shower. Mary called my mother back in Minnesota and explain what happened. Mother thought for a moment. She said, “Nobel Prize in chemistry. Well, tell Peter that’s very nice, but don’t let this go to his head. (Laughter) He still needs to do something useful.” That’s what we’ve been trying to do. Now you can’t control the extent of the celebration. Driving home that evening, the local liquor store is advertising congratulations about the Nobel Prize. Usually their advertising the price of Heineken or something. (Laughter) Here we are on the stage in Stockholm, my family with me. And I would just like to end by challenging you young scientists. The carousel will move fast. It won’t be easy but the rewards could be tremendous. Don’t ever lose sight. Science can change the world forever and you have a great chance to do that. Thank you so much.

Es sind hier 88 Länder vertreten. Es gibt wohl keine andere wissenschaftliche Tagung mit jungen Menschen aus 88 Ländern. Es gibt nur 180 Länder auf der Welt, also die Hälfte aller Länder sind vertreten. Lindau hatte einige besondere Gelegenheiten, Länder als Teilnehmer zu begrüßen, die etwas abseits der Weltgemeinschaft stehen. Und ich freue mich, Studierende von der Medizinischen Fakultät der Teheran-Universität, und der Scharif-Universität für Technology aus Teheran im Iran als Teil unserer Gemeinschaft begrüßen zu dürfen. Bitte, ich glaube, die Preisträger sehen sich selbst als Anlass für die Feier, aber die jungen Menschen sind die Feier und die Zukunft. Ich werde über Wassertransport sprechen, aber in weiterem Sinn werde ich auch über junge Leute in der Wissenschaft und die Unvorhersagbarkeit der Wissenschaft sprechen. Ich muss auf den richtigen Knopf drücken. Wissenschaft wird von jungen Menschen betrieben. Sie sind alle junge Menschen auf dem Höhepunkt Ihrer kreativen Talente, Ihres Enthusiasmus und Ihrer Energie. Das war ich, als ich als junger Wissenschaftler begann. Ich weiß, es ist irgendwie unheimlich: ein alter Mann mit weißem Bart, aber die Zeit vergeht so schnell. Ich war tatsächlich 21, als ich an der Johns Hopkins anfing. Ich wollte zur globalen Gesundheit beitragen, indem ich molekulare Forschung betrieb. Ein paar Jahre später an der Fakultät, nun mit einer Familie und kleinen Kindern, leitete ich ein Laboratorium und wir machten eine überraschende Entdeckung. Wir befassten uns mit der Natur des Rhesus-Blutgruppenantigens und ein 2. Protein tauchte auf, ein Fremdstoff. Es war entweder eine Laune oder ein Geschenk der Natur - den Unterschied zu erkennen, ist manchmal eine Herausforderung. Wir beschlossen, dass das ein interessanter Fremdstoff sein könnte und verfolgten ihn weiterhin, und er stellte sich wirklich als Geschenk der Natur heraus. Wir beschlossen die cDNA zu klonieren, und hier ist die abgeleitete Sequenz. Die Topologie hat, wie Sie sehen, ein Transmembranprotein, drei Transmembrandomänen und drei Repats in die andere Richtung. Wir hielten uns für ziemlich schlau. Wir hatten ein neues Protein und kannten seine Identität in Bezug auf die Sequenz, aber nicht seine funktionelle Identität. Und ein Protein ohne Identität zu haben, ist eine sehr schwierige Situation, weil früher oder später verlieren die finanziellen Förderer die Geduld, und man selbst verliert seinen Job. Aber in der Wissenschaft gibt es viele Möglichkeiten. Also dieses Protein hatte einige interessante Sequenzhomologien. Und die Homologien stammten aus Gensequenzen aus der Gendatenbank, wurden aber von verschiedenen Organismen abgeleitet, z. B. hat die Augenlinse ein verwandtes Protein, das sogenannte MIT (major intrinsic protein). Insektengehirne haben ein Protein namens Big Brain. E. Coli-Bakterien haben ein Polypeptid, das mit der Verwendung von Glyzerol zusammenhängt. Und Pflanzen weisen eine ähnliche Sequenz auf. Nochmals, keine davon waren definiert. Wir steckten fest. Es gibt ein spezielles Problem in wissenschaftlichen Karrieren, die Work-Life-Balance. Als ich jung war, wurde nicht viel darüber diskutiert, aber es wird jetzt diskutiert und ist sehr wichtig, weil viele von Ihnen, wahrscheinlich die meisten, auch Familien und Kinder haben werden. Wie erreichen Sie ein Gleichgewicht zwischen Karriere und Familie? Klammern Sie zuerst das eine aus und dann das andere? Oder sind sie manchmal vermischt? Ich glaube eigentlich, sie sind oft vermischt. Während wir also in diesem Problem zur Funktion dieses Proteins feststeckten, war es Zeit für unseren Familienurlaub. Meine Frau organisierte begeistert Campingurlaube in den Nationalparks. Jedes Jahr fuhren wir mit den Kindern in einen anderen Nationalpark: Yosemite, Sequoia, Yellowstone, Smoky Mountains. Nachdem wir das ein paar Jahre gemacht haben, sagte Mary: Das ist kein Nationalpark. Aber Familien sind keine strengen Demokratien, also fuhren wir zu den Everglades. Danach fuhren wir für ein paar Tage nach Disney World. Und auf dem Rückweg nach Baltimore machten wir Halt in Chapel Hill in North Carolina, wo wir einige Jahre lebten und gute Freunde hatten. Bei diesem Besuch in Chapel Hill, auf dem Rückweg vom Campingurlaub mit der Familie, sprach ich mit John Parker, einem Kollegen, der sehr viel Erfahrung mit roten Blutkörperchen hatte. Und ich erläuterte ihm, dass wir ein neues Protein hatten, das wir für einen Kanal hielten, aber wir wussten nichts über seine Funktion. Und John antwortete: „Peter, Membrane von roten Blutzellen, Nierentubuli und Pflanzengewebe haben ein interessantes gemeinsames Merkmal, nämlich die Fähigkeit, Wasser in großen Mengen zu transportieren. Habt Ihr in Betracht gezogen, dass das neue Protein der molekulare Wasserkanal sein könnte, den Physiologen seit einem Jahrhundert suchen?" Natürlich hatte ich nie daran gedacht, und es war dann diese Anregung, die uns in eine neue Richtung führte. Das Thema Wasser ist ausgesprochen oft in den Medien, normalerweise Katastrophen, Katrina, der Tsunami in Südostasien, die Erwärmung des Golfstroms, das Schmelzen des Grönlandeises. Wasser ist auch in der Biologie wichtig, wird aber nicht so oft diskutiert. Der Punkt, den John angesprochen hatte, war die transmembrane Permeabilität für Wasser. Und mit der Entdeckung der Lipiddoppelschicht wurde anerkannt, dass eine begrenzte Wasserpermeabilität durch eine einfache Diffusion wahrscheinlich ist. Aber das erklärt nicht die schnellen und großen Wasserbewegungen über spezielle Gewebe, wie Nierentubuli, Speicheldrüsen und roten Blutzellen. Der letzte Punkt interessierte uns, und wir verfolgten ihn. Damals wusste man, dass der Wassertransport in diesen Geweben stattfand. Einige Besonderheiten in Bezug auf die Selektivität und der Bewegung waren bekannt. Und 1970 entdeckte Robert Macey, ein Wissenschaftler an der Universität von Kalifornien, Berkeley, dass gewisse chemische Stoffe selektiv den Wassertransport durch die Membran inhibieren können. Mit Quecksilberchlorid konnte man den Wassertransport in den roten Blutzellen gezielt stoppen, mit chemischen Reduktionsmitteln konnte man ihn wiederherstellen. Man konnte ihn ein- und ausschalten. Und unsere Schlussfolgerung war richtig: dass es einen Membrankanal geben muss, mit einer freien Zellbarriere irgendwo im Bereich der Wasserdurchlässigkeit. Aber weder er noch andere konnten sie identifizieren. Vor diesem Hintergrund untersuchten wir die Funktion dieses neuen Proteins, indem wir Froscheier, Xenopus laevis-Oozyten, verwendeten. Links sehen Sie eine Kontroll-Oozyte, in die 2 ng der kodierenden RNA injiziert wurden, Verzeihung, links ist der Puffer, und rechts die Test-Oozyte, die mit der kodierenden RNA injiziert wurde. Als Züchtung passierte nichts. Natürlich sind Nährmedien mit Zytoplasma isotonisch. Osmose findet statt, wenn es einen Salzgradienten gibt. Also was passiert, wenn wir die Oozyten in Trinkwasser geben? Die Test-Oozyte explodiert schnell, die Kontroll-Oozyte schwillt kaum an, was zu großer Freude im Labor führte. Das ist Greg Preston, der Postdoc, der einige dieser frühen Studien durchführte. Ich nahm dieses Foto von Greg 3 Jahre nach der Entdeckung auf, er feierte immer noch! Das ist wohl ein grundlegender Punkt in der Wissenschaft: dass eine Entdeckung aufregend ist - und das ist die Belohnung. Wir waren an diesem neuen Protein sehr interessiert, und merkten, dass wir, um weiter forschen zu können, mit anderen Wissenschaftlern zusammen arbeiten mussten. Die Techniken waren zu spezialisiert, und die Konkurrenz zu heftig, um den Weg allein weiter zu gehen. Also bezogen wir andere Wissenschaftler mit ein und schlossen sehr schöne Wissenschaftler-Freundschaften, die viele weitere Jahre anhielten. Eine der ersten Herausforderungen war die Struktur dieses neuen Proteins. Wir bezeichnen das Protein als Aquaporin, und jetzt heißt es Aquaporin-1, Wasserkanal, Wasserpore Nummer 1. Die Struktur wurde in Zusammenarbeit mit Yoshinori Fujiyoshi von der Universität Kyoto und Andreas Engel vom Biozentrum in Basel, Schweiz, gefunden, beide Strukturbiologen, die eine Technik für die zweidimensionale Kristallographie entwickelte. Durch die Röntgenanalyse von sehr raffinierten, rekonstituierten Proteinen in Membranen fanden wir die atomare Struktur. Auf der linken Seite sehen Sie eine einzelne Pore, das Protein selbst ist tetramer, aber jedes Protein hat eine einzelne Pore mit einer einzelnen Wassertransportdomäne. Und diese Pore hat einen Durchmesser von etwa 3 Angström, gerade groß genug für Wasser. Der durchschnittliche Durchmesser eines Wassermoleküls ist 2,8 Angström. Rechts sehen Sie einen Querschnitt. Im oberen Teil sehen Sie die extrazelluläre Oberfläche, im unteren die zytoplasmische Oberfläche. Es ermöglicht eine einzelne Bahn für das Wasser, wenn Sie von außen nach innen in die Zelle gehen. Hier sehen Sie ein Diagramm, wo das dargestellt wird. Die Struktur, auf die wir uns beziehen, ist die Stundenglas-Struktur mit einer extrazellulären Kammer mit flüssigem Wasser, einer intrazellularen Kammer mit flüssigem Wasser, einem kleinen Kanal mit 3 Angström im Durchmesser, und einer Barriere gegen die Protonenbewegung. In der Mitte sehen Sie ein einziges Wassermolekül, eine Wasserstoffbindung an 2 Asparagin-Reste, die in allen Familienmitgliedern erhalten bleibt. Ein einziges Wassermolekül wird für eine Milliardstel-Sekunde isoliert, hindert Protonen daran, im Kanal auf- und abzuspringen, und erlaubt dadurch dem Wasser, aber nicht den Protonen, die Membran zu passieren. Das wurde von David Kozono untersucht, damals ein talentierter Student, heute ein Fakultätsmitglied in Harvard. Sieht man sich den engsten Teil der Pore an, ein einziges Wassermolekül, man sieht, dass es die Pore praktisch ausfüllt. Darüber befindet sich ein Arginin, das hoch konserviert und positiv geladen ist, und als Barriere für die Protonen dient. Unten rechts können Sie ein Cystin sehen, das ist der Rest, der sich mit dem Quecksilberchlorid verbindet. Diese Struktur wird von Aquaporinen aller Lebensformen: Säugetieren, Wirbeltieren, Pflanzen, und Mikroorganismen verwendet, auch Einzeller haben Aquaporinproteine. Auf dieser Folie wird das menschliche Repertoire dargestellt. Oben in blau sehen Sie die Aquaporine, die wir zuerst entdeckten, AQP1, und einige andere, die ich noch bespreche. Und AqpZ, das ein bakterieller Homolog des E. Coli. Unten an dieser Anhäufung in Gelb haben wir wasser- und glycerinpermeable Homologe. Wir nennen sie Aquaglyzeroporine, und es gibt wieder vier Säugerhomologe, einen einzigen bakteriellen, der hier dargestellt ist, GlpF. Die meisten Arten benötigen einige Aquaporine und einige Aquaglyzeroporine. Bei Mikroorganismen kann es sein, dass sie nur eines benötigen. In einem Teil unserer Analyse untersuchten wir die Gewebeexpression von Aquaporinen, und der Transport in den Nieren war am entwickeltsten, in Bezug auf Membrantransportmechanismen, und wir arbeiteten mit Soren Nielsen von der Universität von Aarhus in Dänemark zusammen, um eine Studien zur Lokalisierung der Aquaporinexpression zu finden. Soren war 29 Jahre alt, als er mit diesen Studien begann. Indem wir sehr moderne zellbiologische Techniken verwendeten, stellten wir fest, dass das Protein im proximalen Nephron vorhanden ist. Das Diagramm ganz links auf dieser Folie zeigt ein Glomerulum, wo die Filterung auftritt. Es gibt ca. 1 Million Nephron-Einheiten in jeder unserer Niere, haben wir die Filterung und dann den Tubulus nach unten, in grün, das ist das proximale Nephron, wo die konstitutive Wasserpermeabilität groß ist. Unten, an der Henle-Schleife, dreht die Tube um und kehrt an die Oberfläche zurück, wo eine begrenzte Wasserpermeabilität ist, und geht in das Sammelrohr über. Die Sammelrohre transportieren sehr viel Wasser, aber auf regulierte Weise. Es gibt Hinweise, dass AQP1 im proximalen Nephron vorhanden ist. Und sehen Sie - ich glaube, ich habe die Folie ausgelassen. Das ist eine Elektronenmikroskop-Aufnahme vom apikalen Bürstenkamm einer einzigen Zelle in einem proximalen Nephronepithel. Sie sehen, die Projektionen sind stark mit Immunogold markiert, die schwarzen Punkte sind Goldpartikel, die an spezielle Antikörper des AQP1 gebunden sind. Es ist hier stark vorhanden, aber nicht im zytoplasmischen Teil der Zelle. Unsere Analyse ermöglichte uns, dieses Diagramm einer einzelnen Zelle zu erstellen, und, wie ich sagte, an dieser apikalen Oberfläche, wo der Primärurin ist, wird Wasser vom proximalen Nephron über die apikale Oberfläche durch Aquaporin-1 absorbiert. Wodurch wird das ausgelöst? Osmose findet nicht statt, außer es gibt einen osmotischen Gradienten. Es gibt einen kleinen osmotischen Gradienten, der durch den Transport von Salzen und Zucker entsteht. Also Wasser geht von der primären Einheit in das Zytoplasma, und verlässt das Zytoplasma durch den Zellenboden wieder durch AQP1 in das Interstitium und zurück in das Gefäßbett. Sehr effizient. Durchschnittlich filtern unsere Nieren pro Tag 200 l primäres Urinplasma, das primärer Urin wird, und nimmt 99 % des Wassers wieder auf. Als Arzt interessiere ich mich sehr für menschliche Krankheiten. Und wir hatten erwartet, dass es einige schwere Nierenerkrankungen geben müsste, die mit diesem Protein Aquaporin-1 zusammenhängen. Aber wir lagen falsch. Durch die genetische Kopplungsanalyse stellten wir fest, dass das rote Blutzellenantigen, das sogenannte Colton, der extrazellulären Domäne von Aquaporin-1 entspricht. Auf der Welt gibt es einige wenige, buchstäblich 5 oder 6 Personen, die Colton-null sind und identifiziert wurden. In der Mitte der Folie sehen wir, mit Erlaubnis, eine pensionierte Lehrerin aus Frankreich, die Aquaporin-1-null ist. Sie ist homozygot-null, und obwohl sie ein normales Leben führte, hatte sie hohe Antikörper-Werte im Blut nach der Geburt ihres Colton-positiven Kindes. Sie erlaubte uns, sie zu identifizieren und ihre Nierentransportmechanismen zu untersuchen. Wir fanden heraus, dass alle grundlegenden Mechanismen intakt waren, kein Phänotyp. Aber dann wurde ein ganz einfacher Test durchgeführt, bei dem die Person nicht trinken durfte. Das passiert jeden Abend, wenn wir zu Bett gehen und 7 oder 8 Stunden schlafen, und am Morgen haben wir sieben oder acht Stunden nichts getrunken. Wenn wir unsere Blasen entleeren, ist es der gesamte gesammelte Urin einer Nacht. Aber die nächsten paar Tropfen sind hochkonzentriert, wir konzentrieren unseren Urin bis zu 1000 mM, und Sie sehen rechts am Diagramm, dass alle Kontrollen nach einer Nacht ohne Trinken bei etwa 1000 mM liegen. Die Personen, die Colton-null - d. h. Aquaporin-1-null - sind, liegen bei ca. 400 mM. Sie können ein wenig konzentrieren, überstehen die Nacht, aber würden viel früher als wir dehydrieren, wenn sie nicht Wasser trinken könnten, sobald sie Durst haben. Natürlich können Sie und ich einen Tag oder länger, je nach Umständen, ohne Gefahr überstehen, aber diese Personen würden dehydrieren. Es ist also ein ziemlich grundlegender Phänotyp. Ein kleiner Wettlauf entstand hinsichtlich der Nierentransportmechanismen, die Gemeinschaft ist sehr kraftvoll. Durch die Klonierung von Homologen wurden andere Mitglieder der Familie identifiziert. Ich erzähle Ihnen über Aquaporin-2, das im renalen Sammelrohr vorhanden ist. Die im Diagramm markierte Struktur ist links in hellblau. Im Sammelrohr wird der Wassertransport durch ein antidiuretisches Hormon reguliert, das auch als Vasopressin bekannt ist. An Universitäten in den USA gibt es am Freitagnachmittag oft Partys für die Studenten, die TGIF genannt werden: Thank God It's Friday. Das beliebteste Getränk, das beim TGIF konsumiert wird, ist Bier. Ich frage Sie, wenn sie 1/2 Liter Bier trinken, oder 1 Liter Bier trinken, wohin gehen Sie als erstes? Auf die Toilette. Sie haben einen Flüssigkeitsüberschuss und Alkohol verringert die Freisetzung von Vasopressin. Wir geben verdünnten Urin ab. Am nächsten Tag spielen wir in der Sonne Tennis. Ein Flüssigkeitsmangel, wir sind dehydriert. Wir wechseln von Flüssigkeitsüberschuss zu Flüssigkeitsmangel, hin und her, und dies wird durch den Aquaporin-2-Mechanismus erklärt. In dieser Folie, die ich mir von Mark Knepper und Soren Nielsen ausborgte, denn ich war nicht bei der Studie dabei, wurde eine Rattenniere betrachtet. Im Bild links oben, wenn Sie genau schauen, sehen Sie die Immungold-Markierung von Aquaporin-2 in den Nierenzellen, nicht so sehr an der Oberfläche, aber über den Vesikeln im Zellkörper. Im unteren Bild links sehen Sie die Projektion von einer Rattenniere, nach einer Vasopressin-Infusion. Das Immunogold-Labelling mit den Pfeilen befindet sich vor allem auf der Zelloberfläche. Es gab hier eine Exozytose, eine Bewegung der Kanäle aus dem Zellinneren an die Oberfläche, und wieder in die Zelle zurück, wenn die Hydration korrigiert wird. Das Diagramm rechts zeigt das. Sie können die Struktur AQP2 sehen, ein Tetramer davon bewegt sich zur Zelloberfläche und ermöglicht, dass Wasser an der apikalen Oberfläche der dominierenden Zelle des Sammelrohrs eintritt. Aber es tritt durch die Basolaterale und anderen Aquaporine aus, es ist ein wenig komplex, aber Wasser bewegt sich wieder frei durch die Zelle. Ein Aquaporin-2-Mangel ist sehr schwerwiegend. Peter Deen und Carel van Os und Kollegen in Nimwegen in den Niederlanden identifizierten Kinder mit Mutationen des Aquaporin-2-Gens, und sie leiden stark an nephrogenem Diabetes insipidus. Diese Kinder müssen 20 Liter oder mehr Flüssigkeit pro Tag trinken, um hydriert zu bleiben, weil der freigesetzte verdünnte Urin, nicht konzentriert werden kann. Das ist zum Glück sehr selten, aber häufig sind Mängel an renaler Konzentration: bettnässende kleine Kinder. Die Eltern sind alarmiert, die Kinder wachsen heraus, es ist nicht nur psychologisch. In vielen Fällen haben die Kinder nicht die Fähigkeit, den Urin aufgrund einer Unterexpression von Aquaporin-2 zu konzentrieren. Und der Gegensatz dazu geschieht bei der Flüssigkeitseinlagerung, dekompensierte Herzinsuffizienz. Patienten erleiden einen Herzanfall, die Pumpfunktion ist verringert, die Nieren spüren eine Minderperfusion und senden ein Signal aus, Vasopressin wird freigesetzt, Aquaporin-2 führt zu einer höheren Oberflächen-Expression und Flüssigkeit wird exzessiv zurückgehalten. Daher leidet der Patient an Flüssigkeitsüberschuss, aufgrund einer Aquaporin-2 Überexpression. Sehr häufig. Andere Mitglieder der Familie sind an besonderen Stellen vorhanden. Masato Yasui, der mit uns Postdoc von der Keio Universität in Tokyo war, arbeitete an Aquaporin-0, so nennen wir es. Dieses Protein bezeichnen andere als wichtiges intrinsisches Protein der Faserzellen. Aquaporin-0 ist in der Linse und Genmutationen von Aquaporin-0 verursachen angeborene Katarakte. Neugeborene und Kleinkinder werden Katarakte entwickeln. Es ist zwar ziemlich selten, zeigt aber die Bedeutung dieses Proteins in der Linsenbiologie. Obwohl noch nicht bewiesen, gibt es Fälle, die bei älteren Personen identifiziert werden, mit Genmutationen von Aquaporin-0, die zu einer ganz leichten Fehlfaltung des Proteins führen. Natürlich sind die Faserzellen sehr langlebig, sie leben viele Jahre. Es ist die subtile Instabilität im Protein, die letztlich Probleme verursacht, und das kann die späte Entwicklung von Katarakten in Personen ab dem mittleren Alter erklären. Das 4. Mitglied der Familie, das wir Aquaporin-4 nennen, ist in zahlreichen Geweben, auch dem Gehirn, vorhanden. Am Diagramm links sehen wir ein Kapillargefäß des Gehirns. Die Kapillargefäße des Gehirns unterscheiden sich sehr von den Kapillargefäßen in anderen Teilen unseres Körpers. Sie werden durch eine Basalmembran in Astroglia-Fortsätzen unterstützt, den umgebenden Strukturen, die wie Saugnäpfe aussehen. Flüssigkeitsbewegungen in unserem Gehirn müssen sorgfältig ablaufen, weil der Schädel, der eine starre Barriere ist und Schutz bietet, sich bei einer Gehirnverletzung mit Schwellung nicht ausdehnt. Auf der rechten Seite sehen Sie zwei Projektionen, die rechts unten zeigt besonders viele Immunogold-Markierungen der perivaskulären Membran, wo Aquaporin-4 in hoher Konzentration vorkommt. Das wird oft als die Blut-Hirnschranke bezeichnet. Hier tritt die Flüssigkeitsbewegung aus dem Blutkreislauf in das Gehirn auf. Und diese Stelle sagte voraus, dass es sich um ein Hirnödem handelt, was ein sehr häufiges und tragisches Problem in der klinischen Medizin ist. Als Reaktion auf einen Schlaganfall, Hirnverletzung, Tumor, Schädelhirntrauma werden einige Gewebe anschwellen und angrenzende Hirngewebe zusammendrücken. Das ist ein sehr großes Problem. Unsere Kollegen in Norwegen, unter der Leitung von Mahmood Amiry - eigentlich ein Iraner, der in Norwegen lebt - zeigten, was sie herausfanden, wenn normale Mäuse mit Mutantenmäusen nach einer Hirnverletzung verglichen werden. Die Mutantenmäuse haben einen Defekt an der Stelle von Aquaporin-4, aber sie sind gegen Verletzungen nach einem Ödem und Nekrose nach einer Gehirnverletzung geschützt. Die Mäuse sind auch anfällig für Epilepsie, es ist also keine wünschenswerte Mutation. Aber es weist darauf hin, dass wir, wenn wir Medikamente entwickeln können, um Aquaporin-4 zu inhibieren, wir könnten eine Behandlung zur Vermeidung von Hirnödemen haben. Wie ich sagte, kommt das sehr häufig vor. Jeder hier hat einen Freund oder Verwandten, der ein Hirnödem hatte und an den Folgen litt. Das ist eine MRT, gestern Abend bei einem Vortrag, gab es ein Gespräch über die MRT. Es war eine Frau mittleren Alters mit Kopfschmerzen und Energieverlust, und die MRT zeigten wie oben links, ein großes Meningeom. Auf der MRT-Aufnahme können Sie das Hirnödem, oben rechts den Tumor, sehen, der von sehr viel Hirnödem umgeben ist. Das ist die Ursache des Problems. Nach dem Eingriff ist der Tumor entfernt, aber das Hirnödem löst sich nur langsam auf, es ist sehr schwierig zu behandeln. Und das ist die Patientin, meine Frau Mary, kurz nach dem Eingriff im August. Die Reduzierung von Hirngewebe nach dem Eingriff ermöglichte eine Reduzierung des Druck und sie ist munter, lächelt und es geht ihr besser, aber das Gehirnödem löst sich nur langsam auf. Ich zeige das nicht, um zu dramatisch zu sein, sondern das Ausmaß des Problems zu zeigen, und wie gut wir es alle kennen. Ich spreche kurz über Aquaporin-5, Mitglied der Familie, das in sekretorischen Drüsen vorkommt. Die letzte Membran, in der Wasser in Form von Speichel, Tränen und Schweiß freigesetzt wird. Das ist natürlich sehr wichtig in thermalen Stresssituationen. Die Fähigkeit des Schwitzens erlaubt uns, uns abzukühlen, möglicherweise auch zu überleben. Ich werde kurz abschweifen und über die Glyzeroltransporter, Aquaglyzeroporine, sprechen. Sie sind in der Struktur ähnlich, die Pore hat eine etwas größere Öffnung, die allen drei Kohlenstoffen erlaubt, zu passieren. Sie sind in der Haut, vor allem der Basalschicht der Haut vorhanden. Diese Folie wurde von Johan Agren von der Universität Uppsala während eines Sabbaticals bei uns erstellt. Und ich muss sagen, die Schönheitsindustrie war bald interessiert. Vor einigen Jahren wurde ich von einigen Führungskräften von Christian Dior besucht. Ich bekomme nicht viele Besucher von Christian Dior, ich weiß nicht, wie es bei Ihnen ist. Ich war ein wenig argwöhnisch, und sie boten mir eine Zusammenarbeit und Belohnungen an. Ich muss sagen, ich habe keine finanziellen Verpflichtungen Christian Dior gegenüber, es gab Bedingungen. Obwohl meine Frau sprach mich darauf an, dass es vielleicht nicht die richtige Entscheidung war. Dennoch hat Christian Dior ein Produkt, das an Sie verkauft werden soll. Die Chemiker des Unternehmens identifizierten einige kleine, natürlich vorkommende Moleküle, die zu einem leichten Anstieg in der Expression von Aquaglyzeroporin-3 in der Haut führt, die der Sonne ausgesetzt ist. Ich kann nicht glauben, dass es wissenschaftliche Beweise gibt, dass wenn Sie genug davon verwenden, so aussehen wie das Model auf dem Foto, aber das ist Werbung. Wenn Sie genau hinsehen, es ist die Rückseite von einem Marie Claire Schönheitsmagazin. Ziemlich starke Behauptungen, auf Französisch. Und ganz unten „Der Chemie-Nobelpreis." Ich zeigte das meiner Mutter in Minnesota. Meine Mutter ist 80, sie wuchs auf einem Bauernhof auf, sie ging nie zur Universität. Sie sah das, lächelte und sagte: „Peter, ich glaube, du machst endlich etwas Nützliches." Nützlich? Mutter! Unsere Mütter kennen uns besser als wir uns selbst. (Gelächter) Wir hoffen, etwas Nützliches zu tun. Deswegen befassten wir uns mit Malaria. Rote Blutzellen haben einen Weg für Glyzerol, Aquaglyzeroporin-3. Bei Malaria ist die Herausforderung für den Parasiten, der in die rote Blutzelle eindringt, schnell Glyzerolipide zu synthetisieren. Hier ist eine Parasitenzelle abgebildet. Wenn Sie sich vorstellen können, wie sie sich in 2 teilt, dann 4, 8, 16, 32 Tochterzellen. Um Glyzerolipide in diesem Tempo zu synthetisieren, braucht man eine chemische Quelle für Glyzerol, die die Aquaglyzeroporine liefern. Ich zeige Ihnen nicht die Daten, aber Knockout-Studien zufolge kann eine geringere Virulenz des Parasiten auftreten. Leider nicht ausreichend gering, um ein guter Ansatzpunkt für Medikamente zu sein, aber das ist Forschung. Hier ist ein Bild von peripherem Blut, Sie können in einigen eine einzelne Zelle und ganz rechts eine Schizonte sehen, und verursacht Organschäden und schreckliche Fieber. Und wer bekommt Malaria? Die Kinder in den Entwicklungsländern. Kinder, wie diese Buben, die in der Nähe unserer Feldstation im südlichen Sambia spielen, wo ich derzeit etwa 1/3 des Jahres verbringe. Sie haben Glück, weil sie gegen Malaria geschützt sind. Aber dieser kleine Bub hatte nicht so viel Glück. Er kam beinahe tot, im Koma. Und der Kinderarzt rechts ist Dr. Phillip Thuma, ein Johns Hopkins-Kinderarzt, der seine Berufslaufbahn den Kindern von Sambia widmet. Er rettete das Leben dieses Kindes, aber beachten Sie, dass das Kind einen diskonjugierten Blick hat. Der Grund dafür war eine geschädigte Hirnrinde aufgrund Malaria; er wird sein Leben lang blind sein. Wenn wir uns die Hirnrinde ansehen bei der zerebralen Malaria: links ist die normale Projektion eines Mäusehirns und rechts ist eine Maus mit zerebraler Malaria - Sie sehen, es sieht wie eine große Flüssigkeitsblase aus. Das ist es, was passiert, dadurch wird ein permanenter Hirnschaden verursacht. Und natürlich sind die Moskitos die Ursache für Malaria. Moskitos haben auch Aquaporine, damit steuern sie ihr Körpergewicht. Wenn sie eine Blutmahlzeit aufnehmen, müssen sie schnell Flüssigkeit durch ihre malpighischen Kanälchen pumpen. Aquaporine sind am Werk. Und natürlich, während Länder Malaria unter Kontrolle halten können, brauchen Moskitos keine Pässe, sie können einfach über die Grenze. Da ist Zimbabwe jenseits und Sambia diesseits der Brücke. Sambia, wo wir arbeiten hatte eine gute Kontrolle, Zimbabwe, aufgrund der politischen Instabilität, eine sehr schwache Kontrolle, und Malaria tritt immer wieder auf. Aber Sorgfalt kann sich auszahlen. Hier ist unser Feldteam im südlichen Sambia. Sie besuchen die Leute mit Malaria in entlegenen Gebieten, es gibt keine Straßen, und ist schwer zu erreichen. Und natürlich sind die Kinder, die Malaria bekommen, in Behandlung, weil sie todkrank sind. Wir müssen die Überträger durch hochentwickelte Analysen identifizieren und indem wir die Überträger behandeln, können wir verhindern, dass sie Kinder neu infizieren. Dieser Daten-Überblick zeigt, dass wir in den letzten 12 Jahren die Krankheit um 97 % eindämmen konnten, aber nicht 100 %. Bis es 100 % sind, kommen wir zurück, also gibt es noch Arbeit zu tun. Abschließend spreche ich noch kurz über Aquaglyzeroporin-7 und -9. wieder zu Glukose umgewandelt. Wir können unsere Blutglukosewerte während des Hungerns bewahren. Das erklärt auch, warum Arsen in der Galle ausgeschüttet wird. Ich bespreche das nicht aus Zeitmangel. Pflanzen haben Aquaporine. Das ist eine Folie von meinem Freund Ralf Kaldenhoff, als er an der Universität Würzburg war. Rechts sehen Sie eine Wildtyp-Arabidopsis, links einen Mutantenstamm mit reduzierter Aquaporin-Expression. Die Pflanze gleicht das aus, indem sie mehr Wurzelfasern produziert, jede mit weniger Wasseraufnahmefähigkeit, aber indem mehr Wurzelfasern vorhanden sind, kann sie es ausgeglichen. Ich fasste den Vortrag hier zusammen, aber lasse es aus, ich habe keine Zeit mehr, Stefan. Hier ist die Gruppe, am Morgen, als wir den Anruf bekamen, ein sehr angenehmer Anruf im Oktober. Hans, ist das eine gute Imitation eines schwedischen Akzents? Ich sagte, "Ich bin dran." Und man erklärte mir, dass ich mit den Nobelpreis in Chemie teile. In 10 Minuten gäbe es eine Pressekonferenz, ich sollte mich auf meinen Tag vorbereiten. Mary rief meine Mutter in Minnesota an, ich eilte in die Dusche. Mary rief meine Mutter in Minnesota an, und erklärte ihr, was geschehen ist. Mutter dachte einen Moment nach und sagte: „Nobelpreis in Chemie. Sag Peter, das ist sehr schön, aber es soll ihm nicht zu Kopf steigen." Und das ist es, was wir versuchen. Wir können nicht das Ausmaß der Feierlichkeiten kontrollieren. Als ich an diesem Abend nach Hause fuhr, war die Werbung im Getränkeladen ein Glückwunsch zum Nobelpreis. Normalerweise wird der Preis von Heineken oder so angezeigt. Aber hier stehen wir auf der Bühne in Stockholm, meine Familie mit mir. Und ich möchte abschließen, indem ich Sie junge Wissenschaftler herausfordere: Ihre Karrieren werden schnell vorangehen, sie werden nicht leicht sein, aber die Belohnung kann umwerfend sein. Verlieren Sie niemals aus den Augen, dass Wissenschaft die Welt für immer verändern kann, und Sie haben eine gute Möglichkeit, das zu tun. Vielen Dank.

Peter Agre (2015)

Aquaporin Water Channels – From Atomic Structure to Malaria

Peter Agre (2015)

Aquaporin Water Channels – From Atomic Structure to Malaria

Abstract

Aquaporin channels allow water to rapidly cross cell membranes in all living organisms. AQP1 confers red cells and proximal renal tubules with high water permeability. Present in renal collecting duct, AQP2 is regulated by vasopressin, and human mutants are unable to concentrate urine. AQP0 is expressed in lens fiber cells, and mutations result in childhood cataracts. Brain edema after head injury involves AQP4 in astroglia, and autoantibodies to AQP4 cause episodic blindness and paralysis. AQP5 allows release of sweat, tears, and saliva. Glycerol release by AQP7 in adipocytes and uptake by AQP9 in liver maintains blood glucose levels during starvation. Plants express multiple aquaporins, and full virulence of malaria and other parasites is dependent upon aquaporins. Efforts are now underway to target aquaporins for drug development.

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