大腸菌の水チャネルAqpZの発見以来、微生物が浸透圧の急激な変化に適応するために、膜を通過する急激な水の流れの経路が解明され始めている。 このチャネルは水に選択的に透過し、短期的および長期的な浸透圧調節反応に関与し、急速に成長する細胞に必要とされる。 AqpZ様タンパク質は、いくつかの病原性細菌の病原性に必要であるように思われる。
多細胞生物におけるアクアポリンの多様性は、異なる組織、器官、発達段階における浸透調節と膜貫通型水移動の多様な必要性を浮き彫りにしている。 哺乳類では、アクアポリンは腎臓の集合管、肺の毛細血管、唾液腺の分泌細胞など、高速の水流動を必要とする上皮に局在している。 哺乳類のアクアポリンは転写調節、転写後調節、細胞内分布が異なる。
アクアポリンファミリーのメンバーは多くの生理学的プロセスに関与している（総説あり）。 例えば、腎臓では、AQP1は腎近位尿細管の頂膜と基底膜の両方と毛細血管内皮に非常に多く存在する。 尿の濃縮のための向流機構に寄与している。 唾液腺では、間質から水を取り込む基底側膜にAQP3が、水を放出する頂膜にAQP5が存在する。 アクアポリンの欠損や機能障害は、腎機能異常、視力低下、脳浮腫の発症、飢餓など、さまざまな臨床疾患に起因している . AQP1は最近、血管新生、創傷治癒、臓器再生、発癌に関与することが示された。
水と小さな中性溶質に対する特異性に関して、植物のアクアポリンの分子機能に関する我々の知識は近年大幅に増加した。 植物細胞では、細胞質は、細胞の外側の境界を形成する細胞膜と、液胞区画を囲むトノプラストという2つの膜に囲まれているのが実状である。 細胞膜に存在するアクアポリン（PIP）やトノプラスト（TIP）は、細胞内の水分バランスと細胞外への水の流れに寄与している。 NIPはマメ科植物根粒菌の根粒周囲膜から発見されたもので、宿主と共生体の代謝物の交換に関与していると推定されているが、マメ科以外の植物におけるNIPの細胞内局在や生理的機能は不明であった。 SIPは最近小胞体膜に局在することが明らかになったが、その生理的機能はまだ解明されていない。
植物におけるアクアポリンの生理的関連性に関する我々の情報の多くは、様々なアクアポリンの発現を改変したトランスジェニック植物の分析、あるいはアクアポリン変異体の分析から得られている。 細胞内水分の取り込みや植物全体の水輸送に機能しているという最初の証拠は、PIPタンパク質のアンチセンスRNAを発現させた植物から得られ、その根系は対照植物よりも大きく発達した。 タバコでは、細胞膜アクアポリンNtAQP1が根の水力伝導度と水ストレス耐性に重要であることが示された。 2 種類のアクアポリン（PIP1 と PIP2）の発現が低下した植物を用いた研究により、これらのタンパク質が水不足からの回復に重要であることが示された。 シロイヌナズナの細胞膜アクアポリンをタバコに過剰発現させたところ、最適な灌漑条件下で成長速度が増大し、これは水吸収と光合成への影響の合計であると解釈された。 水管理における機能に加えて、植物のアクアポリンは葉の移動の際にも役割を担っており、そのプロセスには細胞の高速な水輸送が含まれている。
水輸送と浸透調節における役割に加えて、いくつかのアクアポリンは膜を越えてCO2とNH3などの気体の通過を促進している（レビューあり）。 AQP1が促進するCO2輸送の生理的意義はまだ議論されているところである。 AQP1ノックアウトマウスでは、肺や腎臓でのCO2交換速度に違いは見られなかったが、PIP1アクアポリンの発現が低下した植物では、水輸送のみならず、光合成や気孔コンダクタンスなどのCO2制限されたプロセスにいくつかの違いが見られた . 植物におけるアクアポリン機能の阻害剤を用いた研究は、NIPがNH3透過性、そしておそらく宿主植物と共生細菌との間の栄養交換に関与していることを示唆している
メカニズム
すべてのアクアポリンは構造的に関連しており、特に孔形成ドメインに非常に類似した共通領域を持っているので、同様の輸送メカニズムを想定することができる。 ループBとEによって作られる疎水性ドメイン（図2）は、基質特異性やサイズ制限に関与していることが示唆されている。 アクアポリン単量体を通る経路には、保存された疎水性残基が並んでおり、水分子が水素結合した一列に並んだ形で水を高速輸送することができる。 保存されたアルギニン残基（Arg195）からなる芳香領域が孔の最も狭い部分を形成し、高度に保存されたNPAモチーフが第2のフィルターを形成し、ここで単一の水分子が2つのアスパラギン側鎖と相互作用する。 水分子とNPAモチーフが直接相互作用するため、双極子である水分子は孔を通過する際に180度回転する。 両フィルター領域は静電バリアを形成し、プロトンの透過を防いでいる。 ヒトのAQP1では、疎水性のフェニルアラニン側鎖（Phe24）が孔に侵入し、単一の透過性水分子とNPAループの相互作用を増強している。 細菌のグリセロールファシリテーターGlpFでは、この残基はより小さなアミノ酸であるロイシン（Leu21）に置き換えられている。 しかし、アクアポリンの水透過性と選択性にはかなりのばらつきがある。 ヒトのアクアポリンの水透過性はAQP0が0.25 × 10-14 cm3/sec、AQP4が24 × 10-14 cm3/secと推定されてきた。 植物の形質膜アクアポリンもアクアポリン活性のレベルが異なる。 トウモロコシのPIP1とPIP2のアイソフォームを共発現させ、ヘテロ化させると、単一アイソフォームを発現させた場合よりも透過性が増加した。 7134>
アクアグリセロポリンがグリセロール輸送を促進するメカニズムは、大腸菌のグリセロールファシリテーターGlpFで研究されている。 このタンパク質も水選択性アクアポリンと同等の位置に保存されたNPAモチーフを持つが、グリセロールを好むのはペリプラズム側にある芳香族アミノ酸によって達成されている。 Trp48、Phe200、Arg206は狭窄部を形成し、アルギニン残基はグリセロール分子の2つの水酸基と水素結合を形成している。 その結果、グリセロール分子の炭素骨格は、2つの芳香族アミノ酸（Phe200とTrp48）によって組み立てられた空洞に向く。 グリセロールは他の線状ポリオールから分離され、一列に並んで孔を通過する。 GlpFの孔は完全に両親媒性であり、極性残基が疎水性壁と向かい合っている
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