Q:\201204-201308document\vvv2014114aqp 2

アクアポリンの
構造と機能
アクアポリンと病気
１．AQPとは
２．ヒトAQP分布
３．アクアポリン病：
視神経脊髄炎
尿崩症　４．グリセリン代謝
５．細胞内AQP
6. AQP11と嚢胞腎
water metabolism
明治薬科大学
病態生理学
石橋賢一
cell proliferation
1
2014/10/14
cell movement
tumor
2
allergy
inflammation
3
Distribution of AQP Family
AQPによる細胞運動促進
Bacteria Yeast
GlpF2
GlpF
filopodia
2
AQPZ
water jet
4
5
5
4
MIPModDB：
1008 MIP
341 organisms
38 3D structure
0
PIP
?
2
AQP11/120
13
TIP 10
NL 8
M
SIP 4
5
0
4
3
7
7
3
1
8
2
通る物質
AQP12
AQP11
AQP9
AQP3
AQP10
AQP7
AQP2
AQP5
AQP6
AQP0
AQP1
AQP4
2014/10/14
6
The Human has 13 aquaporins
AQP8
7
Dros HUM
Plant C. eleg
IV水グリセリン
II 水グリセリン
III 水　H2O2
I水
9
9
AQP2
AQP11
AQP11
AQP5
AQP0
AQP9
AQP9
AQP10
AQP11 AQP10 AQP3
AQP6
AQP5
AQP8
AQP11
AQP7
AQP8
AQP11
AQP11 AQP9
AQP11
AQP8
AQP9
AQP2
AQP0
AQP11
AQP10
AQP9
脂肪組織
AQP11
アクアポリン
AQP10
11
10
精巣
10
存在部位
12
病気
AQP0
眼の水晶体
白内障
AQP1
腎臓、赤血球、眼、脳、毛細血管内皮など
軽度尿濃縮障害
AQP2
腎集合管
腎性尿崩症
AQP3
腎臓、気管支、皮膚、大腸など
ほぼ正常
AQP4
脳、腎臓、眼、肺、消化管、骨格筋など
（難聴、視覚障害）
AQP5
唾液腺、涙腺、汗腺、気管支、肺など
（シェーグレン症候群）
AQP6
腎臓
（ほぼ正常）
AQP7
精巣、脂肪細胞、腎臓、心臓、ラ氏島など
グリセロール代謝障害
AQP8
精巣、肝臓、膵臓など
（精巣肥大）
AQP9
肝臓、白血球など
（グリセリン代謝障害）
AQP10
小腸
（偽遺伝子）
AQP11
腎臓、精巣、肝臓、脳など
（嚢胞腎）
AQP12
膵臓
（急性膵炎悪化）
ナガスクジラ（ Balaenoptera
acutorostrata scammoni）stop
MVINLLIQGTLAQAVTSGGTKGNFFT
MFLAGSLGVRLAIYVSGNVSGAHLN
PAFSLATCLLGCLPWAKFPIYSLVQL
LSAFCASGA*VYALYHDALQNYTGG
NLTVTGPKETASIFVTYPVPYLTLSN
GFLDQVLGTWMLIVGILAILDTRNKG
VPAGVEPVVVGLLILAIRLSMGASCG
FPINPAWDLDPRLFTYVAGWGPEVF
RGETASPGARWQWLVVGPLVRATL
STATHQRLVPLHHPEHSEPAQDLEC
AQPEASDLESPAATQVQESKL*
東京工業大学
岡田典弘教授
13
14
13
フタコブラクダ(Camelus ferus)
２カ所１つずつ欠
>EMBOSS_001_1
MEIFFLFLILDGAHLHPGLPLAT*FLGRLRGAKFPIYSAVQLLPAFRASGVTYTL
YYDNL
*KYTDGNLTVTGPKETASIFATYLAPYLSLSNGFLDQVLGTRMLIVGILAILDTW
NKGVP
AVWS***WGC*S*PSGYPWVPTVGSQSTLHRTWAHSFSPMWLAGALKCSAL
VMAGGGCLR
WLGGHPWHNHIPAAGGSEPS*GLRASSESRLCPS*SLRLGKSYLSSDVEVFS
DPEDFQER
SSSK*PPEGAHLGHQIGQAAGICRMVGPTVQYGAQP*GLPPKLGPHCLX
>EMBOSS_001_2
WKFFFFS*SLMGPTCIQAYPWPRDSWDASAGPSFPFTPRCSYCLLSVPLESP
TLSIMTTY
RSIQMGT*Q*LAPRRQPPSLPPTLLPICP*AMASWIRFWAPGC*LWASWPY*T
HGTRECL
RSGASDSGVADPSHQAIHGCQLWVPNQPCTGPGPTAFHLCGWLGP*SVQH
W*WLVVGACG
GWGATLGTITYQLLAALNHPEDSEPAQNLDCAHPEASDWESPTSAQM*KCF
RTLRTSRNV
16
VHQSSHQRVRTLDTRLGRLRESAGWWGRRSSTEHNPRDFLQSLVPTA*
>EMBOSS 001 3
15
視神経脊髄炎
Aquaporinopathies
視神経炎と横断性脊髄炎が特徴
多発性硬化症（MS）急性散在性脳脊髄炎（ADEM）と異う
再発性NMOは自己免疫の女性に多い
抗AQP4抗体はアストロサイト障害性：血液脳関門破綻病
態が生じて脳に移行して発症
• NMO spectrum disorder（NMOsd）は抗AQP4抗体陽性
で種々の脳病変：大脳や脳幹病変が多い
• AQP4発現 多い；脊髄中心灰白質、第三脳室周囲、延髄
背側最後野周囲
• 抗myelin-oligodendrocyte glycoprotein(MOG)抗体も視
神経脊髄炎の原因抗体：男、大脳白質
•
•
•
•
NMO(neuromyelitis optica)視神経脊髄炎
• 抗アクアポリン４抗体（＝NMO-IgG）陽性；
astrocytopathic disease
• 初発症状は視神経炎（視力障害）
• 脊髄炎の前駆症状にしゃっくりや吐気
• 年に１～２回再発
• 視床下部障害（過眠、SIADH、乳汁分泌）
NDI(Nephrogenic diabetes insipidus)腎性尿崩症
• AQP2異常:
白内障
• AQP0
口腔内乾燥症(AQP5)、乾燥肌(AQP3)
17
18
クモ膜下腔
VRS
起
突
足
毛細血管
ニューロン
細
動
脈
脳脊髄液
アストロ
サイト
ニューロピル
ミクロ
グリア
グリンパ系
19
20
21
Naと脳浮腫
AQP4ノックアウトマウス
Nagelhus E A ,
and Ottersen O P
Physiol Rev 2013;
93:1543-1562
•
脳内細胞外スペース拡大＞細胞外K除去遅い＞けいれん遅延
•
•
•
細胞障害性浮腫軽減
ショウジョウバエbig brain (bib)遺伝子
Nature. 1990 May 10;345(6271):163-7.
Similarity of the product of the Drosophila neurogenic gene big brain to
transmembrane channel proteins.
Rao Y1, Jan LY, Jan YN.
•
23
AQP11/DAPI(nucl)
24
2014/10/14
Vacuoles in the epithelia of choroid plexus
in AQP11 KO mice
AQP11 at the epithelia of chroid plexus
脳浮腫形成
原因：精神病多飲
術後
マラソン
エクスタシー使用
オキシトシン誘発分娩
水飲みコンテスト
AQP1
ventricle
Wild mouse
AQP11 KO null
vacuole
vacuole
epithelium
AQP11
bar:10μm
AQP1
endothelium
Merge
脳浮腫消退
25
26 26
bar:10μm
The water contents of the brain were similar
(78.61% vs. 78.96%).
vacuole
27 27 μm
bar:10
AQP11 was present at the endothelium
AQP11/AQP4
1.Acute hyponatremia models
astrocyte
＜method＞　AQP4
capillary
water＋desmopressin (0.4μg/kg) i.p.
Disection after 4 h
control
GFAP
blood
Acute hyponatremia
GLUT-1
Serum Osm
Serum Na
endothekium
bar:20μm
AQP11
(mEq/L)
AQP11
28 28
Wild
29
2-A.acute hypernatremia models
Acute hyponatremia
Serum osm
Serum Na
control
Acute hyponatremia
Brain water
1
100
＊
＊
(mOsm/L)
200
200
0.8
50
200
200
0.2
50
50
100
100
0
0
0
KO
1
0
Wild
31 31
＊P<0.05
normal AQP1 expression in KO (not shown)
(%)
310
130
120
120
＊
79
79
78
78
290
290
77
77
270
110
100
100
76
76
250
250
1
1
Na156
1
34 34
＊P<0.05
AQP1,4,11 mRNA,GFAP mRNA
Brain water
Serum osm
(mOsm/L)
330
330
150
140
140
KO
Wild
1
77
77
KO
KO
1
30 30
＊P<0.05 Wild
1
KO
74
73
73
72
71
71
Wild
AQP4 mRNA
increased
Wild
＊
KO
＊P<0.05
100
1
0.8
0.6
50
0.4
0.2
00
KO
＊P<0.05 1
32 32
1
Both hyponatremia (Na121) and hypernatremia (Na154) significantl
33 33
decreased AQP11 mRNA (not shown)
腎臓のアクアポリン：AQP1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 11
(%)
control
mannitol
Serum Na
1
76
75
75
Na199
＜methods＞　1.1M mannitol ( 0.1ml/10g ) i.p.、
Dissection after 12h
160
160
78
77
77
AQP1,4,11, GFAP mRNA in mannitol model
2-B.mannitol model
(mEq/L)
＊
300
300
100
100
Wild
Wild
78
78
1.2
＊
＊
79
79
0.4
00
＊
400
400
150
150
0.6
500
(%)
(%)
1.4
AQP4 mRNA
AQP4 mRNA
1.2
(mEq/L)
250
＊
control
(%)
＊
＊
79
79
Acute hypernatremia
AQP4 mRNA
increased
1.4
KO
＊
＊
AQP4 mRNA in acute hypernatremia
＜methods＞　2M NaCl (0.16ml/10g ) i.p.
dissection after 6h
control
1
450
400
400
350
300
300
250
200
200
150
100
100
50
0
0
Brain water
(%)
80
80
Na 123
no leakage of biotin injected into heart in AQP11-/- brain
AQP4 mRNA in acute hyponatremia model
＊
＊
180
160
160
140
120
120
100
80
80
60
40
40
20
0
0
Merge bar:5μm
GLUT-1
(mOsm/L)
1
100
0.9
0.8
↓50%
0.7
0.6
↓60%
0.550
0.4
AQP8
↓80%
0.3
0.2
主細胞
0.1
ICa
00
AQP1
AQP4 1 AQP11
GFAP
ＡＱＰ２Ｈポンプ
AQP5 ICb
35 35
36
介在細胞
36
腎髄質部の断面図
Short-Term Functional Adaptation of Aquaporin-1　Surface
Expression in the Proximal Tubule,　a Component of
Glomerulotubular Balance
Marcus Pohl et al. JASN in press
ループには
AQP1なし
ＡＱＰ１あり
集合管中心
集合管中心
ＡＱＰ１なし
有窓血管
血管中心
腎髄質から乳頭部へ
37
long nephronのみAQP1がTDLにあり
• V1A:Ca↑；平滑筋（血管収縮）、血小板（凝集）、肝（糖新生）、心筋（肥大）、子宮
（収縮）
• V1B:Ca↑:下垂体前葉（CRHによるACTH分泌増強）
• V2R：ｃAMP↑；集合管(AQP2移動、合成）, 血管内皮（vWF、第VIII因子分泌）
3000
2500
Ｖ１ａでＰＧＥ２産生
Ｎａ利尿おきる
正常
AQP1
AQP2
AQP3
AQP4
2000
1500
39
ADH受容体
カンガルーラット(腎AQP4欠損）
5000mOsm/kg
3500
39
38
アクアポリン・ノックアウト・マウスの最大尿濃縮
4000
38
ADH受容体阻害薬
•
•
•
•
コニバプタン：V1AとV2阻害：肝腎症候群(CYP3A4代謝)
トルバプタン：V2のみ阻害：モザバプタンの代謝物
Satavaptan (V2)中止,
Lixivaptan(V2)フェーズ３
ナトリウム排泄
ＳＩＡＤＨで
Ｎａ利尿
1000
500
0
口渇
低血圧
肝機能（30日）
42
出血？ 42
ADHはV２でNa吸収刺激
正常
AQP1
AQP2
AQP3
AQP4
AQP7 AQP11
40
41
40
41
AVPによる細胞内シグナリング
慢性心不全ＮＹＨＡⅢ-Ⅳ
Illustration of the many functions of uEVs in kidney disorders.
• 血管側の細胞膜上のV2受容体にAVPが結合
• Gs蛋白、アデニル酸シクラーゼ、プロティンキナーゼAを介し、
AQP2に作用
• 細胞質内に存在するAQP2含有小胞は尿細管の管腔側細胞膜上
へ移動：それを通して水再吸収・尿濃縮作用が発現
• エクソサイトーシスされたAQP2 の3%は尿中に排泄される
（Exosomesエキソソームは、血液、唾液、尿、母乳などの体液中を
循環する（microRNAもエキソソームに封入して分泌）
• 尿のAQP-2レベルは血清AVPと正の相関：AVPに依存した水代謝
に関した疾患の診断に有用な指標
尿エキソゾーム
exosome
43
2014/10/14
44
Salih M et al. Am J Physiol Renal Physiol
2014;306:F1251-F1259
The human urinary exosomal proteome.
細胞外バイオマーカー
Hiemstra T F et al. JASN 2014;25:2017-2027
46
Bockenhauer D , and Bichet D G Am J Physiol Renal
Physiol 2013;304:F1037-F1042
©2014 by American Society of Nephrology
ＡＱＰ２発現変化
Ca感受性受容体とAQP2
増加
• 浮腫状態：ＳＩＡＤＨ、心不全、非代償性肝硬変、妊娠
• 多尿：浸透圧利尿（糖尿）
• TNFα、高浸透圧、インスリン、セクレチン, AVP
低下
49
2014/10/14
H-ATPase
• 多尿：リチウム、低Ｋ、高Ｃａ，尿路閉塞後、低蛋白食、飲
水、慢性腎不全、急性尿細管壊死の多尿期、シスプラチ
ン腎症、Ｃａ拮抗薬、高齢
• 多尿でない尿濃縮障害：ネフローゼ、アドリアマイシン腎症、
代償性肝硬変、急性尿細管壊死の乏尿期
• AVPエスケープ現象：AQP2特異的に減少（遺伝子も）
• ANP、PGE2、ドパミン、アドレナリン、低浸透圧
AQP2
J Clin Invest. 1997
Mar 15;99(6):1399-405.
50
50
CaSR
Am J Physiol. 1998 Mar;
274(3 Pt 2):F611-22
Renkema K Y et al. JASN 2009;20:1705-1713
51
CaSR
AQPによるグリセリン輸送
Skin
adipocyte
脂肪細胞代謝
AQP10
AQP9
DM
血中フリーグリセリン濃度：
ラット0.11-0.85mM
ヒト0.082mM
52
AQP3
AQP9
AQP10
AQP11
XXX
53
54
インスリン分泌刺激
心筋代謝
55
細胞内AQPの役割
Osmotic stress alters chromatin condensation and
nucleocytoplasmic transport.
Biochem Biophys Res Commun. 2011 May 6;408(2):230-5
56
nuclear pore complex
57
AQP12 in the pancreas
wild
58
59
60
Ohta E et al. Am J Physiol Cell Physiol 2009;297:C1368-C1378
ER membrane can be a barrier against water
movement
inside the cell
Cos7 cell
Exocytosis
61
AQP12 null
小胞体ストレス応答
62
63
AQP11KO mice
ＡＱＰ11欠損からみた役割
• AQP11KOマウス：細胞内空胞：多発性のう胞腎、
成長障害
• AQP11発現組織：精巣、胸腺、小腸、肝臓、腎臓、
脳、脂肪細胞
• AQP11：細胞内分布：水輸送・グリセリン
• ＥＲストレス・オートファジー・アポトーシス
• エンドソーム異常・糖鎖化正常
• 細胞障害軽減、脳浮腫軽減
• 小胞体機能障害：糖化＞PKD1トラフィッキング64
Kidney of AQP11 null has vacuoles in the proximal tubule（HE×400)
（HE×40)
normal kidney
（HE×960)
65
66
(Morishita Y et al. 2005)
Three-week-old AQP11 KO kidney
The expanded endoplasmic reticulum
(HE×60
0）
(HE×320）
Liver of AQP11 KO mice
Central vein
Portal area
Endoplasmic
reticulum
① normal
67
③ opened
④ cyst epithelia
② obstructed
68
糖負荷による浸透圧ストレスに
AQP11ヘテロマウス腎は弱い
69
small
intestine
Liver
Rojek et al. Am J Physiol Gastrointest Liver
Physiol 304: G501–G515, 2013.
70
71
AJP-Renal Physiol•doi:10.1152/ajprenal.00344.2012
Choroid
72
plexus
cisplatin injured AQP-/+ kidney more
AQP11-/- stimulated autophagy in kidney
オートファジー
２ｗｋ
Wild
ＷＴ
７ｗｋ ＷＴ
Hetero
ＫＯ
ＫＯ
LC3-GFP transgenic mice
シスプラチンを8～11週齢のマウスに投与
投与3日後に解剖し、採血と腎臓固定
73
Primary cultured proximal cells
with GFP-LC3 from 3wk mice
74
The relative abandance of LC-3 mRNA in the kidney
75
Increased Autophagy in AQP11 null cells
AQP11null
WT=green KO=red
merged
wild
76
The microarray of the 3day old kidneys
77
Microarray analysis in kidney of a week old mice
Atf3: activating transcription factor 3:
cAMP-dependent increases early in response to stress
Ddit3: DNA-damaged inducible transcript 3=CHOP:
null mice exhibit decreased apoptosis in response to ER stress.
Pmaip1: PMA-induced protein 1=NoxA:
p53-inducible apoptotic members of Bcl-2 family:
null mice apear normal but reduced DNA damage-induced apoptosis.
79
１＝7 8KDa glucose regulat ed protein（ H s p a 5 ） 、
2 =Major urinary protein 3 （ M U P 3 ） 3=unknown
78
TUNEL staining of the AQP11 +/+
and AQP11 -/- kidney
81
All are involved in ER stress induced apoptosis.
PKDとADH
多発性のう胞腎の進展
82
83
多発性嚢胞腎のサムスカによる治療
1.
2.
3.
4.
5.
•
•
•
•
•
•
84
AQP11 -/- mouse received daily intraperitoneal injections of
2mg/kg rapamycin for 10 days, starting from postnatal day 9.
総腎容積（両側腎臓容積の合計）が750ml以上
総腎容積の増加率が概ね5％/年以上
服用を開始する場合には、入院
医師はサムスカ講習サイトを受講
使用不可：
本剤に過敏症。
口渇低下・水分摂取困難。
高ナトリウム血症。
eGFR が15mL/min/1.73m²未満。
慢性肝炎、薬剤性肝機能障害既往歴。
妊婦
2014年3月24日より
1日60～120mgと大量：「心不全及び肝硬変における体液貯留」と比して約10倍
85
86
Aberrant Glycosylation and Localization of Polycystin-1
Cause Polycystic Kidney in an AQP11 Knockout Model
ＡＱＰ１１欠損マウスの嚢胞腎への進展
まとめ
• 腎AQP11は腎障害の保護作用：発現増強治療薬
ラパマイシン抑制性細胞増殖
浸透圧ストレス？小胞体ストレス？
新生
１週
87
• 腎AQP11ヘテロは活性酸素や浸透圧障害のリス
クファクターの可能性
３週
２週
• 脳浸透圧変化に応じたAQP11発現変化と、
AQP11欠損マウスでのAQP4発現低下：脳浮腫治
療のターゲットの可能性
88
JASN May 22, 2014
正常
水吸収
小胞体拡張
細胞変性
アポトーシス
オートファジー
細胞再生
再生異常
嚢胞形成
89
90