Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Một cái nhìn cấu trúc về aquaporin 8 thông qua mô hình đồng hình của bảy isoform động vật có xương sống
Tóm tắt
Aquaporin (AQPs) giúp quá trình vận chuyển các phân tử nhỏ phân cực trung tính qua màng tế bào. Ở động vật, có bốn tiểu họ AQP khác nhau, trong đó AQP8 homologues cấu tạo một trong những tiểu họ nhỏ nhất với chỉ một thành viên trong cơ thể con người. AQP8 dẫn nước, amoniac, urê, glycerol và H2O2 qua các màng khác nhau của tế bào động vật. Kênh thụ động này đã được liên kết với một số hiện tượng, chẳng hạn như sự thay đổi thể tích của ti thể, độc tính thần kinh amoniac và rối loạn chức năng ti thể liên quan đến stress oxi hóa. Hiện tại, chưa có cấu trúc AQP8 nào được xác định một cách thực nghiệm, do đó, hiểu biết cấu trúc về tiểu họ này còn hạn chế. Cấu trúc gần đây đã được giải quyết của AQP thực vật, AtTIP2;1, có những đặc điểm cấu trúc và chức năng tương đồng với AQP8, đã mở ra khả năng xây dựng các mô hình đồng hình dự kiến sẽ chính xác hơn so với các mô hình trước đây. Ở đây, chúng tôi trình bày các mô hình đồng hình của bảy AQP8 động vật có xương sống. Mô hình chỉ dựa trên cấu trúc AtTIP2;1 đã tạo ra các mô hình hợp lý ngoại trừ lỗ hổng bị chặn bởi một phenylalanine không có ở AtTIP2;1. Để đạt được lỗ mở, các mô hình này đã được bổ sung với các mô hình dựa trên AQP đặc hiệu nước EcAqpZ, tạo ra mô hình đơn phân chimeric cho mỗi isoform AQP8. Bộ lọc tính chọn (còn được gọi là vùng thơm/arginine), định nghĩa hồ sơ chất nền thấm qua, bao gồm năm dư lượng amino acid trong AtTIP2;1, bao gồm một histidine từ vòng C. So với AtTIP2;1, bộ lọc tính chọn của các AQP8 được mô hình hóa chỉ khác ở chỗ chúng hẹp hơn một chút và có tính kị nước cao hơn do một phenylalanine thay thế histidine từ vòng C. Điều thú vị là, các mô hình không loại trừ sự tồn tại của một lỗ bên dưới vòng C tương tự như mô tả trong cấu trúc của AtTIP2;1. Các mô hình của chúng tôi đồng thuận rằng AQP8 có khả năng có bộ lọc tính chọn giống như AtTIP2;1. Mô tả chi tiết về cấu hình dự kiến của các dư lượng trong bộ lọc tính chọn của AQP8 cung cấp một điểm khởi đầu tuyệt vời cho việc lập kế hoạch cũng như lý giải kết quả của các nghiên cứu đột biến. Chiến lược của chúng tôi để biên soạn các mô hình lai dựa trên nhiều mẫu có thể chứng tỏ hữu ích cho các AQP khác, cho mà thông tin cấu trúc còn hạn chế.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Marcaggi P, Coles JA. Ammonium in nervous tissue: transport across cell membranes, fluxes from neurons to glial cells, and role in signalling. Prog Neurobiol. 2001;64(2):157–83.
Li C, Wang W. Molecular biology of Aquaporins. Adv Exp Med Biol. 2017;969:1–34.
Soria LR, Fanelli E, Altamura N, Svelto M, Marinelli RA, Calamita G. Aquaporin-8-facilitated mitochondrial ammonia transport. Biochem Biophys Res Commun. 2010;393(2):217–21.
Pelagalli A, Squillacioti C, Mirabella N, Meli R. Aquaporins in health and disease: An overview focusing on the gut of different species. Int J Mol Sci. 2016;17(8):1213.
Tingaud-Sequeira A, Calusinska M, Finn R, Chauvigne F, Lozano J, Cerda J. The zebrafish genome encodes the largest vertebrate repertoire of functional aquaporins with dual paralogy and substrate specificities similar to mammals. BMC Evol Biol. 2010;10(1):38.
Engelund MB, Chauvigné F, Christensen BM, Finn RN, Cerdà J, Madsen SS. Differential expression and novel permeability properties of three aquaporin 8 paralogs from seawater-challenged Atlantic salmon smolts. J Exp Biol. 2013;216(20):3873–85.
Bienert GP, Møller ALB, Kristiansen KA, Schulz A, Møller IM, Schjoerring JK, Jahn TP. Specific Aquaporins facilitate the diffusion of hydrogen peroxide across membranes. J Biol Chem. 2007;282(2):1183–92.
Marchissio MJ, Francés DEA, Carnovale CE, Marinelli RA. Mitochondrial aquaporin-8 knockdown in human hepatoma HepG2 cells causes ROS-induced mitochondrial depolarization and loss of viability. Toxicol Appl Pharmacol. 2012;264(2):246–54.
Jahn TP, Moller AL, Zeuthen T, Holm LM, Klaerke DA, Mohsin B, Kuhlbrandt W, Schjoerring JK. Aquaporin homologues in plants and mammals transport ammonia. FEBS Lett. 2004;574(1–3):31–6.
Bienert GP, Chaumont F. Aquaporin-facilitated transmembrane diffusion of hydrogen peroxide. Biochim Biophys Acta. 2014;1840(5):1596–604.
Calamita G, Ferri D, Gena P, Liquori GE, Cavalier A, Thomas D, Svelto M. The inner mitochondrial membrane has Aquaporin-8 water channels and is highly permeable to water. J Biol Chem. 2005;280(17):17149–53.
Lehmann GL, Larocca MC, Soria LR, Marinelli RA. Aquaporins: their role in cholestatic liver disease. World J Gastroenterol. 2008;14(46):7059–67.
Saparov SM, Liu K, Agre P, Pohl P. Fast and selective ammonia transport by Aquaporin-8. J Biol Chem. 2007;282(8):5296–301.
Finn RN, Cerda J. Aquaporin evolution in fishes. Front Physiol. 2011;2:44.
de Groot BL, Frigato T, Helms V, Grubmuller H. The mechanism of proton exclusion in the aquaporin-1 water channel. J Mol Biol. 2003;333(2):279–93.
Beitz E, Wu B, Holm LM, Schultz JE, Zeuthen T. Point mutations in the aromatic/arginine region in aquaporin 1 allow passage of urea, glycerol, ammonia, and protons. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006;103(2):269–74.
Wu B, Steinbronn C, Alsterfjord M, Zeuthen T, Beitz E. Concerted action of two cation filters in the aquaporin water channel. EMBO J. 2009;28(15):2188–94.
Hub JS, de Groot BL. Mechanism of selectivity in aquaporins and aquaglyceroporins. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008;105(4):1198–203.
Fu D, Libson A, Miercke LJ, Weitzman C, Nollert P, Krucinski J, Stroud RM. Structure of a glycerol-conducting channel and the basis for its selectivity. Science. 2000;290(5491):481–6.
Sui H, Han BG, Lee JK, Walian P, Jap BK. Structural basis of water-specific transport through the AQP1 water channel. Nature. 2001;414(6866):872–8.
de Groot BL, Grubmuller H. Water permeation across biological membranes: mechanism and dynamics of aquaporin-1 and GlpF. Science. 2001;294(5550):2353–7.
Kirscht A, Kaptan SS, Bienert GP, Chaumont F, Nissen P, de Groot BL, Kjellbom P, Gourdon P, Johanson U. Crystal structure of an ammonia-permeable aquaporin. PLoS Biol. 2016;14(3):e1002411.
Agemark M, Kowal J, Kukulski W, Nordén K, Gustavsson N, Johanson U, Engel A, Kjellbom P. Reconstitution of water channel function and 2D-crystallization of human aquaporin 8. Biochim Biophys Acta. 2012;1818(3):839–50.
Harries WE, Akhavan D, Miercke LJ, Khademi S, Stroud RM. The channel architecture of aquaporin 0 at a 2.2-Å resolution. Proc Natl Acad Sci U S A. 2004;101(39):14045–50.
Frick A, Eriksson UK, de Mattia F, Oberg F, Hedfalk K, Neutze R, de Grip WJ, Deen PM, Tornroth-Horsefield S. X-ray structure of human aquaporin 2 and its implications for nephrogenic diabetes insipidus and trafficking. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014;111(17):6305–10.
Ho JD, Yeh R, Sandstrom A, Chorny I, Harries WE, Robbins RA, Miercke LJ, Stroud RM. Crystal structure of human aquaporin 4 at 1.8 Å and its mechanism of conductance. Proc Natl Acad Sci U S A. 2009;106(18):7437–42.
Horsefield R, Norden K, Fellert M, Backmark A, Tornroth-Horsefield S, Terwisscha van Scheltinga AC, Kvassman J, Kjellbom P, Johanson U, Neutze R. High-resolution x-ray structure of human aquaporin 5. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008;105(36):13327–32.
Viadiu H, Gonen T, Walz T. Projection map of Aquaporin-9 at 7 Å resolution. J Mol Biol. 2007;367(1):80–8.
Azad AK, Yoshikawa N, Ishikawa T, Sawa Y, Shibata H. Substitution of a single amino acid residue in the aromatic/arginine selectivity filter alters the transport profiles of tonoplast aquaporin homologs. Biochim Biophys Acta. 2012;1818(1):1–11.
Benkert P, Kunzli M, Schwede T. QMEAN server for protein model quality estimation. Nucleic Acids Res. 2009;37(Web Server issue):W510–4.
Lovell SC, Davis IW, Arendall WB 3rd, de Bakker PI, Word JM, Prisant MG, Richardson JS, Richardson DC. Structure validation by Calpha geometry: phi,psi and Cbeta deviation. Proteins. 2003;50(3):437–50.
Olsson MH, Sondergaard CR, Rostkowski M, Jensen JH. PROPKA3: consistent treatment of internal and surface residues in empirical pKa predictions. J Chem Theory Comput. 2011;7(2):525–37.
Gupta AB, Verma RK, Agarwal V, Vajpai M, Bansal V, Sankararamakrishnan R. MIPModDB: a central resource for the superfamily of major intrinsic proteins. Nucleic Acids Res. 2012;40(D1):D362–9.
Porcelli AM, Ghelli A, Zanna C, Pinton P, Rizzuto R, Rugolo M. pH difference across the outer mitochondrial membrane measured with a green fluorescent protein mutant. Biochem Biophys Res Commun. 2005;326(4):799–804.
Santo-Domingo J, Demaurex N. Perspectives on: SGP symposium on mitochondrial physiology and medicine: the renaissance of mitochondrial pH. J Gen Physiol. 2012;139(6):415–23.
Trost P, Fermani S, Calvaresi M, Zaffagnini M. Biochemical basis of sulphenomics: how protein sulphenic acids may be stabilized by the protein microenvironment. Plant Cell Environ. 2017;40(4):483–90.
Medrano-Fernandez I, Bestetti S, Bertolotti M, Bienert GP, Bottino C, Laforenza U, Rubartelli A, Sitia R. Stress regulates Aquaporin-8 permeability to impact cell growth and survival. Antioxid Redox Signal. 2016;24(18):1031–44.
von Heijne G. The distribution of positively charged residues in bacterial inner membrane proteins correlates with the trans-membrane topology. EMBO J. 1986;5(11):3021–7.
Botelho SC, Osterberg M, Reichert AS, Yamano K, Bjorkholm P, Endo T, von Heijne G, Kim H. TIM23-mediated insertion of transmembrane alpha-helices into the mitochondrial inner membrane. EMBO J. 2011;30(6):1003–11.
The PyMOL Molecular Graphics System, Version 1.7.0.3. Schrödinger, LLC.
Arnold K, Bordoli L, Kopp J, Schwede T. The SWISS-MODEL workspace: a web-based environment for protein structure homology modelling. Bioinformatics. 2006;22(2):195–201.
Sievers F, Wilm A, Dineen D, Gibson TJ, Karplus K, Li W, Lopez R, McWilliam H, Remmert M, Söding J, et al. Fast, scalable generation of high-quality protein multiple sequence alignments using Clustal omega. Mol Syst Biol. 2011;7:539.
Tamura K, Peterson D, Peterson N, Stecher G, Nei M, Kumar S. MEGA5: molecular evolutionary genetics analysis using maximum likelihood, evolutionary distance, and maximum parsimony methods. Mol Biol Evol. 2011;28(10):2731–9.
Saitou N, Nei M. The neighbor-joining method: a new method for reconstructing phylogenetic trees. Mol Biol Evol. 1987;4(4):406–25.
Jones DT, Taylor WR, Thornton JM. The rapid generation of mutation data matrices from protein sequences. Comput Appl Biosci. 1992;8(3):275–82.
Guex N, Peitsch MC. SWISS-MODEL and the Swiss-Pdb viewer: an environment for comparative protein modeling. Electrophoresis. 1997;18(15):2714–23.
Emsley P, Lohkamp B, Scott WG, Cowtan K. Features and development of coot. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 2010;66(Pt 4):486–501.
W. F. van Gunsteren SRB, A. A. Eising, P. H. Hünenberger, P. Krüger, A. E. Mark, W. R. P. Scott, and I. G. Tironi. Biomolecular Simulation: The GROMOS96 Manual and User Guide. Vdf Hochschulverlag AG an der ETH Zürich, Zürich, Switzerland 1996:1–1042.
Phillips JC, Braun R, Wang W, Gumbart J, Tajkhorshid E, Villa E, Chipot C, Skeel RD, Kale L, Schulten K. Scalable molecular dynamics with NAMD. J Comput Chem. 2005;26(16):1781–802.
Chen VB, Arendall WB III, Headd JJ, Keedy DA, Immormino RM, Kapral GJ, Murray LW, Richardson JS, Richardson DC. MolProbity: all-atom structure validation for macromolecular crystallography. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 2010;66(1):12–21.
Adams PD, Afonine PV, Bunkoczi G, Chen VB, Davis IW, Echols N, Headd JJ, Hung L-W, Kapral GJ, Grosse-Kunstleve RW, et al. PHENIX: a comprehensive python-based system for macromolecular structure solution. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 2010;66(2):213–21.
Smart OS, Neduvelil JG, Wang X, Wallace BA, Sansom MS. HOLE: a program for the analysis of the pore dimensions of ion channel structural models. J Mol Graph. 1996;14(6):354–60. 376
Humphrey W, Dalke A, Schulten K. VMD: visual molecular dynamics. J Mol Graph. 1996;14(1):33–8. 27-38
Jorgensen WL, Chandrasekhar J, Madura JD, Impey RW, Klein ML. Comparison of simple potential functions for simulating liquid water. J Chem Phys. 1983;79(2):926–35.
Mackerell AD Jr, Feig M, Brooks CL 3rd. Extending the treatment of backbone energetics in protein force fields: limitations of gas-phase quantum mechanics in reproducing protein conformational distributions in molecular dynamics simulations. J Comput Chem. 2004;25(11):1400–15.
Darden T, York D, Pedersen L. Particle mesh Ewald - an n.Log(N) method for Ewald sums in large systems. J Chem Phys. 1993;98(12):10089–92.