Depuis la découverte du canal hydrique AqpZ d’Escherichia coli, la voie des flux d’eau rapides à travers les membranes par laquelle les micro-organismes s’adaptent aux changements brusques d’osmolarité a commencé à être comprise . Ce canal est sélectivement perméable à l’eau, joue un rôle dans la réponse osmorégulatrice à court et à long terme, et est nécessaire aux cellules à croissance rapide. Les protéines de type AqpZ semblent être nécessaires à la virulence de certaines bactéries pathogènes. Les aquaporines microbiennes sont également susceptibles d’être impliquées dans la formation et/ou la germination des spores.
La diversité des aquaporines dans les organismes multicellulaires met en évidence les diverses exigences pour l’osmorégulation et le mouvement transmembranaire de l’eau dans différents tissus, organes et stades de développement. Chez les mammifères, les aquaporines sont localisées dans les épithéliums qui nécessitent un taux élevé de flux d’eau, comme le canal collecteur du rein, les capillaires du poumon et les cellules sécrétrices des glandes salivaires. Les aquaporines des mammifères diffèrent dans leur régulation transcriptionnelle, leur régulation post-transcriptionnelle et leur distribution subcellulaire.
Les membres de la famille des aquaporines sont impliqués dans de nombreux processus physiologiques (revus dans ). Dans le rein, par exemple, l’AQP1 est extrêmement abondante dans les membranes apicales et basolatérales des tubules proximaux rénaux et dans l’endothélium capillaire. Elle contribue au mécanisme de concentration de l’urine à contre-courant. Dans la glande salivaire, l’AQP3 se trouve dans les membranes basolatérales, où l’eau est absorbée de l’interstitium, et l’AQP5 dans la membrane apicale, où l’eau est libérée. Un large éventail de troubles cliniques a été attribué à la perte ou au dysfonctionnement des aquaporines, notamment des anomalies de la fonction rénale, la perte de la vision, l’apparition d’un œdème cérébral et la famine . On a récemment montré que l’AQP1 était impliquée dans l’angiogenèse, la cicatrisation des plaies, la régénération des organes et la carcinogenèse .
Notre connaissance des fonctions moléculaires des aquaporines végétales en ce qui concerne leur spécificité pour l’eau et les petits solutés neutres a considérablement augmenté ces dernières années . Dans les cellules végétales, le cytoplasme est en fait enfermé entre deux membranes : la membrane plasmique, qui constitue la limite extérieure de la cellule, et le tonoplaste, qui entoure le compartiment vacuolaire. Les aquaporines situées dans la membrane plasmique (PIPs) ou dans les tonoplastes (TIPs) contribuent à l’équilibre hydrique intracellulaire et au flux hydrique transcellulaire. Les NIP, qui ont été initialement trouvées dans la membrane péribactéroïde des nodules racinaires symbiotiques des légumineuses, sont supposées être impliquées dans l’échange de métabolites entre l’hôte et le symbiote ; la localisation subcellulaire et la fonction physiologique des NIP chez les plantes non légumineuses ne sont pas connues. Les SIPs ont récemment été localisés aux membranes du réticulum endoplasmique ; leurs fonctions physiologiques restent à élucider .
La plupart de nos informations sur la pertinence physiologique des aquaporines chez les plantes proviennent d’analyses de plantes transgéniques avec une expression modifiée de diverses aquaporines, ou d’analyses de mutants d’aquaporines. Les premières preuves d’une fonction dans l’absorption d’eau cellulaire et le transport d’eau dans toute la plante proviennent de plantes exprimant un ARN antisens pour les protéines PIP, qui ont développé un système racinaire plus grand que les témoins. Chez le tabac, l’aquaporine NtAQP1 de la membrane plasmique s’est avérée importante pour la conductivité hydraulique et la résistance au stress hydrique dans les racines. Des études sur des plantes présentant une expression déficiente de deux aquaporines différentes (PIP1 et PIP2) ont indiqué que ces protéines sont importantes pour la récupération après un manque d’eau. La surexpression d’une aquaporine de la membrane plasmique d’Arabidopsis dans le tabac a entraîné une augmentation des taux de croissance sous irrigation optimale, ce qui a été interprété comme la somme des effets sur l’absorption d’eau et la photosynthèse. Outre leur fonction dans la gestion de l’eau, les aquaporines végétales ont un rôle pendant le mouvement des feuilles, un processus impliquant des taux élevés de transport d’eau cellulaire .
En plus de leur rôle dans le transport de l’eau et l’osmorégulation, certaines aquaporines facilitent le passage de gaz tels que le CO2 et le NH3 à travers les membranes (revu dans ). La signification physiologique du transport du CO2 facilité par l’AQP1 fait encore l’objet de débats. Les souris knock-out AQP1 n’ont pas montré de différences dans les taux d’échange de CO2 dans les poumons et les reins, mais les plantes avec une expression altérée d’une aquaporine PIP1 ont montré plusieurs différences, non seulement dans le transport de l’eau mais aussi dans les processus limités en CO2 tels que la photosynthèse et la conductance stomatique. Des études avec des inhibiteurs de la fonction des aquaporines dans les plantes suggèrent que les PIP sont impliqués dans la perméabilité au NH3 et peut-être dans l’échange de nutriments entre la plante hôte et les bactéries endosymbiotiques.
Mécanisme
Du fait que toutes les aquaporines sont structurellement apparentées et ont des régions consensus très similaires, en particulier dans les domaines formant des pores, on peut supposer un mécanisme de transport similaire. Le domaine hydrophobe créé par les boucles B et E (figure 2) a été suggéré comme étant impliqué dans la spécificité du substrat et/ou la restriction de taille. La voie qui traverse le monomère d’aquaporine est bordée de résidus hydrophobes conservés qui permettent un transport rapide de l’eau sous la forme d’une chaîne de molécules d’eau à liaison hydrogène sur une seule ligne. Le pore contient deux sites de constriction : une région aromatique comprenant un résidu d’arginine conservé (Arg195) forme la partie la plus étroite du pore, et les motifs NPA hautement conservés forment un second filtre, où les molécules d’eau uniques interagissent avec les deux chaînes latérales d’asparagine. En raison d’une interaction directe entre les molécules d’eau et les motifs NPA, la molécule d’eau dipolaire tourne de 180 degrés lors de son passage dans le pore. Les deux régions filtrantes forment des barrières électrostatiques, qui empêchent la perméation des protons . Dans l’AQP1 humain, une chaîne latérale hydrophobe de phénylalanine (Phe24) pénètre dans le pore et renforce l’interaction des molécules d’eau perméables simples avec les boucles NPA. Dans le facilitateur de glycérol bactérien GlpF, ce résidu est remplacé par un acide aminé plus petit, la leucine (Leu21). Phe24 agit comme un filtre d’exclusion de taille, empêchant le passage de plus grandes molécules telles que le glycérol à travers AQP1 .
La perméabilité à l’eau et la sélectivité des aquaporines varient cependant considérablement. Les perméabilités à l’eau des aquaporines humaines ont été estimées entre 0,25 × 10-14 cm3/sec pour l’AQP0 et 24 × 10-14 cm3/sec pour l’AQP4 . Les aquaporines de la membrane plasmique des plantes présentent également des niveaux différents d’activité aquaporine. La coexpression et l’hétéromérisation des isoformes PIP1 et PIP2 du maïs ont induit une augmentation de la perméabilité supérieure à celle obtenue pour l’expression des isoformes individuelles. L’hétéromérisation semble être importante non seulement dans les systèmes d’expression hétérologue, mais aussi dans la plante, comme l’a démontré l’analyse de plantes Arabidopsis antisens PIP1 et PIP2 .
Le mécanisme par lequel les aquaglycéroporines favorisent le transport du glycérol a été étudié pour le facilitateur de glycérol GlpF d’E. coli . Cette protéine contient également les motifs NPA conservés à des positions comparables à celles des aquaporines sélectives de l’eau, mais la préférence pour le glycérol est obtenue par des acides aminés aromatiques du côté périplasmique. Trp48, Phe200 et Arg206 forment un étranglement, et le résidu arginine forme des liaisons hydrogène avec deux groupes hydroxyle de la molécule de glycérol. En conséquence, le squelette carboné de la molécule de glycérol fait face à la cavité assemblée par les deux acides aminés aromatiques (Phe200 et Trp48). Le glycérol est séparé des autres polyols linéaires et passe le pore en file indienne. Le pore de GlpF est complètement amphipathique, avec des résidus polaires opposés à une paroi hydrophobe.