Aquaporin (Aqp) 10 Wasserkanäle beim Menschen ermöglichen den freien Durchgang von Wasser, Glycerin, Harnstoff und Borsäure durch die Zellen. Allerdings ermöglicht Aqp10.2b im Kugelfisch nur den Durchgang von Wasser und Glycerin, nicht aber von Harnstoff und Borsäure.
Forscher des Tokyo Institute of Technology versuchten, den evolutionären Zeitablauf zu verstehen, der zu den variablen Substratauswahlmechanismen bei Aqp10 führte. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass Aqp10.2 in Rochenfischen im Laufe der Evolution möglicherweise eine verringerte oder verlorene Permeabilität für Harnstoff und Borsäure aufweist.
Aquaporine (Aqps) sind Proteine, die Wasserkanäle in den Membranen lebender Zellen, einschließlich denen von Bakterien, Pilzen, Tieren und Pflanzen, bilden. Diese Kanäle erleichtern den Wassertransport durch die Zellen schneller als die Diffusion durch die Phospholipiddoppelschicht der Membran.
Aqp10 gehört zur Aquaglyceroporin-Unterfamilie der Wasserkanäle. Diese Proteine unterstützen viele physiologische Prozesse unseres Körpers, darunter die Darmfunktion, den Leber- und Fettzellstoffwechsel sowie die Hautelastizität. Wasser und gelöste Stoffe wie Glycerin, Harnstoff und Borsäure werden je nach Konzentrationsgradienten durch die Membran durch menschliches Aqp10 transportiert.
Sarkopterygier, zu denen Quastenflosser, Lungenfische und Tetrapoden (wie Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere) gehören, besitzen bekanntermaßen ein einziges Gen, das für Aqp10 kodiert. Im Gegensatz dazu haben Aktinopterygier wie Rochenfische Paralogs oder nahezu identische Kopien des aqp10-Gens, wie z. B. aqp10.1 und aqp10.2. Interessanterweise besitzt der Rochenflosser-Kugelfisch einen Paralog namens aqp10.2b, der eine Durchlässigkeit für Wasser und Glycerin aufweist, jedoch nicht für Harnstoff und Borsäure.
Um zu verstehen, wie sich diese funktionellen Unterschiede zwischen der Permeabilität gelöster Stoffe in Aqp10 bei Menschen und Kugelfischen entwickelt haben könnten, hat ein Forscherteam der School of Life Science and Technology, Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Department of Advanced Bioscience, Faculty of Agriculture, Die Kindai University, die Abteilung für Integrative Biologie der Michigan State University, Aquamarine Fukushima AMF und die Abteilung für Physiologie und Biomedizintechnik am Mayo Clinic College of Medicine and Science analysierten Aqp10s in verschiedenen Arten.
Der Die Studie wurde veröffentlicht in Genombiologie und Evolution am 1. Dezember 2023.
Auf die Frage nach ihrer Studie erklärt Dr. Ayumi Nagashima, Assistenzprofessorin in der Abteilung für Biowissenschaften und Technologie der Tokyo Tech und leitende Wissenschaftlerin der Studie: „Evolutionäre Anpassungen bei der Selektivität gelöster Stoffe könnten ein vielversprechendes Modell für die Analyse darstellen.“ Entwicklung der Permeabilität gelöster Stoffe in Aquaglyceroporinen. Um die Evolutionsgeschichte der Selektivität gelöster Aqp10-Stoffe aufzuklären, analysierten und verglichen wir in dieser Studie die Permeabilität und die evolutionären Beziehungen von Aqp10 in acht Knochenwirbeltierarten.
Das Forschungsteam fand heraus, dass Aqp10.1 in Rochenfischen ähnlich wie die Aqp10s der Tetrapoden und Lappenflosser auch Wasser, Glycerin, Harnstoff und Borsäure transportiert. Andererseits transportiert Aqp10.2 in Rochenfischen zwar Wasser und Glycerin, schränkt jedoch die Passage von Harnstoff und Borsäure viel stärker ein als Aqp10 und Aqp10.1.
Diese faszinierenden Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Durchlässigkeit von Wasser, Glycerin, Harnstoff und Borsäure plesiomorphe Merkmale der Aqp10-Wasserkanäle in allen Tetrapoden und Lappenflossenfischen sind. Allerdings könnte das in Rochenfischen vorkommende Aqp10.2 im Laufe der Evolution eine verringerte oder verlorene Harnstoff- und Borsäurepermeabilität aufweisen.
In diesem Zusammenhang bemerkt Dr. Nagashima: „Unsere Studie hat gezeigt, dass der Aqp10.2 von Rochenfischen[es] ermöglicht nur einen begrenzten oder keinen Transport von Harnstoff oder Borsäure. Diese Aktivitäten wurden wahrscheinlich systematisch reduziert und gingen anschließend durch die Evolution beim gemeinsamen Vorfahren dieser Fische verloren[es]. Von dieser Forschung wird erwartet, dass sie Aufschluss über den Substratauswahlmechanismus von Aquaglyceroporinen gibt, der in der Zukunft zum Nährstofftransport und anderen Prozessen beiträgt.“
Zusammenfassend hebt diese Studie hervor, dass die Transportaktivitäten von Wasser, Glycerin, Harnstoff und Borsäure plesiomorphe Aktivitäten von Aqp10 sind, die für den Vorfahrentyp charakteristisch sind, der den untersuchten Arten gemeinsam ist. Folglich deuten die Ergebnisse darauf hin, dass sich Aqp10.2 bei Aktinopterygiern so entwickelt hat, dass es die Transportaktivität von Harnstoff und Borsäure verringert.
Mehr Informationen:
Genki Imaizumi et al., Funktionelle Divergenz in der Permeabilität gelöster Stoffe zwischen Rochenfisch-spezifischen Paralogs von aqp10, Genombiologie und Evolution (2023). DOI: 10.1093/gbe/evad221