Peter Agre

Aquaporin Water Channels – From Atomic Structure to Malaria

Category: Lectures

Date: 2 July 2014

Duration: 32 min

Quality: HD MD SD

Subtitles: EN DE

Peter Agre (2014) - Aquaporin Water Channels – From Atomic Structure to Malaria

Aquaporin (AQP) water channel proteins enable high water permeability in certain biological membranes. Discovered in human red cells but expressed in multiple tissues, AQP1 has been thoroughly characterized and its atomic structure is known. Expression patterns of the 13 known human homologs predict phenotype

Guten Morgen (Good Morning)- I didn't hear that. Guten Morgen. It's great to be here. This is I think my eighth trip to Lindau, I always love to come here. It's such a pleasant event. Meeting the young scientists is a great joy and we have a lot of people to thank. In my case a personal visit from Countess Bettina and her mother the late Countess Sonja made it obvious that this is something very important for every laureate. And the organisers, the three Wolfgang’s and their team, as well as the staff here in Lindau, Susanne, Katja and their team, make it such a delight to be here. So I'm going to talk to you about water channels. Water, we take it for granted often. It's essential for life, for commerce, for recreation. There’s something about water that can cause great harm when it's at disequilibrium; can cause hypothermia or drowning. There’s something about water that’s very fundamental to life. I think it was Albert Szent-György who said Water is the solvent of life. In the story I'm going to tell you about has a lot to do with young scientists. Does anybody have a clue who this young guy in the middle is? Yes, I'm sorry the ravages of time are cruel. But all of us laureates started off as young people like yourselves when the passion, the opportunity, the decisions were made often to leave our homes, our families, to strike out and do some scientific exploration with no guarantee anything would succeed. But yet science continues to move on because scientists make discoveries. Sometimes discoveries they expected to make and more often discoveries that were a total surprise. So the discovery of Aquaporin-1, the first molecular channel was pure serendipity. I often tell journalists we didn’t discover Aquaporin-1, it discovered us. It was in fact a protein that co-purified with our subject of interest the rhesus blood group antigen. But there were some curiosities: it was a slightly smaller size; it turned out to have immunological lack of cross-reactivity of RH. And so we did what scientists do. On our hunch that it might be interesting, we purified it, we sequenced it, we cloned it, thinking ah! We can go to the genomics database, it will tell us exactly what this new protein does because it was very abundant in red cells. But it curiously didn’t stain with the protein stains. No one had seen it before. Imagine that, a protein and red cell studied by hundreds and hundreds of scientific groups, a protein that’s present, that no one had seen before because it simply didn’t stain. So we cloned it out and the deduced sequence provided a 6-membrane-spanning domain shown in the slide. So the protein lives mostly between the leaflets of the bio-layer and has an internal repeat: the first half and the second half are genetically related but in an adverse confirmation - predicted. When we went to the genetics database in fact there were some homologs present. There was a homologue for lens of eye from beef cattle - referred to as major intrinsic protein, function unknown. A protein from the brains of insects, drosophila - important in neurogenesis but biophysical function unknown. So proteins from bacteria which seem to be involved in glycerol update, and a series of fragments of genes from plants - again function unknown. So we had a new protein, we purified it, we had a sequence we cloned it. And we did not have a clue what it did. Let me emphasise that: we did not have a clue what it did. And a protein without a function is a scientist without a grant, without a future. You go to your professor - well I was the professor, a young professor in my thirties. So I talked to my colleagues, many of them: a red cell protein must be a channel they assured me. The haematologist: There’s no red cell channel, you are wrong. And so we were stuck. Now this illustrates an important concept, work-life balance. When I was a student, 45 years ago, they didn’t talk about work-life balance, it was all work. If you don’t work hard enough, you will not succeed. But there’s something special that we all have in terms of our friends and our families. So my wife and I have 4 wonderful children, this is a picture of them when they were small and cute, this is 25 years ago, 22 years ago, adorable kids. We took them camping every year in the national parks And as a scientist on a low salary it was the vacation we could afford. So my wife said, you know we should ask the children which national park they would like to go next year. So we did, children which national park you want to go to? They said: Disney World! Well you know, Disney World is actually not a national park (laughter). But families are not real democracies either. So we went to the Everglades (laughter) got bitten by mosquitoes and visited Disney World where the kids had a great time. And coming back to Baltimore - it's a long drive, about 2,000 kilometres back – we stopped in Chapel Hill, North Carolina, the University of North Carolina where in my younger days I was a postdoctoral fellow with John Parker, a wonderful haematologist a colleague, who was a good protein physiologist. And I told him as I told others about this new protein in red cells, we had not a clue what it did. John thought and he said, red cells, where else? I said, renal tubules. Red cells, renal tubules. And it has some structural homologies with proteins from the roots and tissues of plants. And it was John that leaned forward and said, Peter, have you considered this might be the long sought water channels, something that physiologists have been searching for a hundred years to explain how osmosis can occur so rapidly in some tissues. I was astonished - water channels? I never heard of a water channel. But following John’s suggestion, when I returned to Johns Hopkins we teamed up with Bill Guggino to do some studies I’ll tell you about. So a little background here, water is almost ubiquitous in biology. But how does water go in the directions it needs to go for proper homeostasis? How is it that all of us can be secreting and releasing and resorbing cerebral spinal fluids to bathe the surface of our brains? To fill the orbits of our eyes with aqueous humour but not too much? To salivate, to sweat, to humidify our airways, how can the roots of plants take water up from the ground? And it was probably this concept of water channels that was missing to explain that. So membranes, all membranes, have a finite water permeability and if you look at the left panel you see the fusion of water through a lipid bilayer, a random event with a high Arrhenius activation energy. And it was the pioneers, let me stress, the pioneers, people like Arthur Solomon, Alan Finkelstein, Guillermo Whittembury in Venezuela, Jean Poyet in France, Mario Parisi in Argentina, Gheorge Benga in Romania, these pioneers had done very fundamental work, very sensitive work that indicated there must be water channels. It was this that John was referring to. And the fundamental difference is a little subtle but in fact all biological membranes exhibit some bilayer diffusion permeability but special membranes such as renal tubules, secretory glands, and red cells were presumed to have aqueous channels, water channels. The biophysical differences were again a bit subtle: low capacity diffusion, bi-directional water goes into and out of cells randomly. But those with water channels can have a high capacity for water and selective for water. H2O moves with almost no resistance in the protons in the form of hydronium ions. The same mass with the charge fails to move perceptively. And the direction for the water movement is created by osmotic radiance; so this concept of osmosis that all of us learnt about in school from our teachers when we were quite young had a molecular explanation. Now in 1970, the year I had the backpack and was hitch-hiking through Asia on my way to Johns Hopkins, an experiment was undertaken at the University of California, Berkeley by another fellow from Minnesota, Bob Macey, who went through the chemical catalogue basically and was looking for agents which would create increased water diffusion. So he was hoping with the proper chemical applications that all membranes would have increased diffusion. He came to mercuric chloride and the surprise was, it stopped water transport. Stopped it! And by washing away the mercuric chloride and treating with chemical reducing agents he could restore it, he could turn it off and on like a faucet. When you do this correctly there must be an aqueous pore, the free self-hydro, somewhere in this channel. But neither Bob Macey nor the others were able to identify the channel and that’s where science moves on. We are like a relay race carrying the baton. It was handed to us just at the right moment. So with Bill Guggino at Johns Hopkins we followed John Parker's suggestion and tested the function of this new protein by expressing the complementary RNA in xenopos laevis oocytes - these are frogs eggs. Frog eggs are about a millimetre in diameter. And as we know frogs lay eggs in fresh water ponds in the spring unless they are fertilised they are dormant because they have very low inherent membrane water permeability, an ideal expression system. So the key is: control-oocyte injected with buffer alone and a test-oocyte and injected with 2 nanograms of the complementary RNA; culture three days and no obvious difference. But the culture medium now is isotonic, there’s no osmotic radiant. So if you were to take these cells and drop them into distilled water, the control-oocyte should swell negligibly, the test should swell and explode, which is exactly what happened: like popcorn, 6 controlled oocytes And this produced jubilation (laughter), almost like a Mozart Opera! This is Greg Preston, the young scientist in my lab who did those experiments, and I took this picture of Greg. Something about discovery and science - that’s the energy, the reward. Now, what we were not prepared for was the interest of other scientists, because we had a very small group, very focused: a clinical medical doctor doing research, and there were some large groups who had great investments to discover the water channel. So we had to work in collaboration with others. So I'm going to tell you about other scientists with whom we collaborated because science is a worldwide network of individuals like ourselves. Many of them young scientists and I have pictures of quite a few. So our first challenge was to establish the structure of the water channel protein. The famous architect Louis Sullivan who designed the first tall office buildings, he was the mentor of Frank Lloyd Wright. Sullivan is remembered for having said, ‘Form always follows function’. So if we could establish the form, the structure, we could understand the function of the water channels. And in collaboration with Yoshinori Fujiyoshi and Andreas Engel, I just showed their pictures, we solved the structure at an atomic level resolution. And in the left panel you should see the channel from above the cell. It's a tetramer but each subunit has a single aqueous pore, diameter 3 angstroms. What is the average diameter of a water molecule? No chemists here - Astrid, we have to work on them! And in the right panel you see the aqueous pore extending from the surface of the cell to the cytoplasmic membrane; a single pore along water to move in single file and this diagram indicates how it works. So we call this the hourglass. The ancient timepiece with an internal symmetry, with an extracellular vestibule, intercellular vestibule, where water is in bulk solution, H2O to the nth power, protons hopping freely amongst these water molecules. And then the channel: A 20 angstroms span, about 3 angstroms in diameter, where water moves in single file. We thought we knew a lot about this, there are barriers to the movement, charged solutes and protons, for example an arginine here, a histidine here. And there are other things that go into the barrier for the proton movement. Arieh Warshel, I think on Monday, talked about this. So science moves on but the basic workings I think are pretty clear. There’s a single water molecule hung up in the centre of the channel by interaction to these 2 cytogens, these 2 amino acids, which are highly conserved. So water moves with almost no resistance - and again this is work of David Kozono, who was a young student when he did this work, he’s now a Harvard faculty member. And as you can see water, a single molecule filling the pore. So here charged residues preventing proton movement, assisting the mercury inhibitory site. And the interesting thing about this structure is that it's shared amongst all life forms. So we concerned ourselves mostly with the mammalian, the human aquaporins, of which there are 12. But if you go to the genome, there’ll be at least 500 aquaporin from different life forms with the same basic sequence and the same structure So the human repertoire is split into two subsets: water selector channel, the aquaporin’s, and AQP1 is what we concerned ourselves with most, but I’ll tell you what's in the others. And those that are genetically slightly different permeated by water plus glycerol, the aquaglyceroporins. And most life forms have some of each. So again: how does a small laboratory compete in a big scientific field by collaborating? And this is our scientific collaborator for pinpoint localisation of the aquaporins in mammalian tissues. This is Søren Nielsen from the University of Aarhus in Denmark. There’s only one of you from Denmark here, we need a little more Danish participation here in Lindau. Søren was 29 years old when he did the studies which established the physiological function for the aquaporins. And he did so with classic immunohistochemical and immunological electron microscopic techniques. So the physiologists were keenly aware that our kidneys, we have two of them, each are formed of about a million nephron units, where plasma is filtered in the glomerulus and the water is reabsorbed in the proximal descending a limb, and this is exactly where AQP1 resides. The ascending thin limb then has no water transport. And the collecting ducts have regulated water transport, but there’s no AQP1 in this location. So looking at a cross section of kidney at the apical surface, the water absorbed the surface, the black dots represent immunible decoration. Intense expression of aquaporin-1 protein. So this is the apical surface and notice the cell body has little staining. So it's poised at the surface. It's also present not only in the apical surface but in the lateral and basis surfaces. So water moves from the primary urine and we filter about 200l of plasma - to filter 200l is enormous! and out through the lateral and basal surfaces, with a direction graded by osmotic radiance created by salt and water and sugar transporters. So, as a medical doctor I was very interested, what are the human consequences? And with Landon King and others we identified humans with knockout mutations, and that was made possible because there was a blood group antigen, a polymorphism, on the surface of AQP1. And in short individuals with knock-out mutations in AQP1, as this lady from the south of France who voluntarily lets us show her photograph, they do pretty well. They feel well. There’s a blood group transfusion difficulty, but without needing a transfusion you may not even know you have a defect; but, when stressed, the consequences are quite apparent. So with overnight thirsting all of us would concentrate our urine to about 1,000 milliosmoles, the same concentration as seawater. These individuals with overnight thirsting can concentrate a little bit from physiological saline 280 to about 420 milliosmoles. Enough to get through the night but they can’t concentrate with prolonged thirsting and fusion of hypertonic sodium chloride. So they are stuck. So they have a mild form of nephrogenic diabetes insipidus. Of course with modern life and free access to liquids and air conditioning we are not stressed, but if we were it would become apparent. The second member of the family - and sort of a land rush of interest in the aquaporin’s emerged when we reported the first member - the second member AQP2 is present in the collecting ducts where regulated water transport is known to occur. Aboriginal people are unable to measure time in intervals shorter than a day. But they can time their war parties in the middle of the night because as the Plains Indians would do at sundown, they would drink a large volume of water and a couple of hours later they’d get up to empty their bladders, because regulated water transport is what explains this. Any graduate student who has gone to a TGIF on Friday and drinks a litre of beer knows that the first place he goes afterwards is to the toilet. Playing tennis in the hot sun, the opposite: concentration of urine. So the final volume in the collecting duct is created by AQP2. And it's regulated by exocytosis of intercellular AQP2 containing vessels to the surface and back, regulated by vasopressin. So we have now in the principle cells of the collecting duct an intercellular aquaporin that moves to the surface and back, allowing water to enter the surface, but it exits through another member of the family. And inherited defects are quite important. The children of mutations of the gene expressing this must drink 20l of water a day to avoid dehydration. And acquired defects are common. Fluid retention, such as congestive heart failure, AQP2 is up-regulated, problems such as bed-wetting it's underexpressed. So it's a pretty simple answer to a long-standing physiological challenge. Now I'm going to rapidly step through other members of the family because each one is expressed in a different tissue and had a different group of young scientists. Masato Yasui, who is now a Chair Pharmacology at Keio University, worked on the AQP0 protein in lens and defects caused cataracts in small children. Another member of the family AQP4 is expressed in several tissues including brain where it is present in the astroglial end-feet. They look like suction cups surrounding brain capillaries, because the brain fluid movements are very, very carefully regulated. A closed head injury leading to brain swelling causes compression of adjacent brain tissue and permanent brain damage. The AQP4 right at the perivascular membrane explains the fluid movements into and out of brain. This was established in collaboration with our colleagues in Norway including Mahmood Amiry-Moghaddam, a refugee from a refugee camp in Pakistan. His family had fled Iran at the time of the Mullahs. And he was brought to Norway as a high-school student and he wanted to do science and that opportunity made him one of Europe’s leading neuroscientists. There are 2 of you from Iran at this meeting; we need more participation from all of these countries that have fewer or no representation. So Mahmood showed us that normal brain after defining brain injury sustains significant brain damage. But mice with mutations in the scaffolding protein so the aquaporin-2 is mis-localised have a survival advantage as you can see. The pink represents viable brain tissue after sustaining a brain injury and they do better. AQP5 from saliva glands, lacrimal glands, sweat glands cloned by Surabhi Raina, a young scientist from India. This explains how we can release sweat to cool ourselves when we are thermally stressed. And the aquaglyceroporins are also important. Now this slide I borrowed from Bing Jap from the Lawrence Berkeley Lab in which he has aligned water channel residues in the pore aligning domains, and they are shaded darkly, and the corresponding residues from glycerol transporters from bacteria GlpF, and they are shaded lightly. So this is considered... here’s the cysteine and the water channel, and notice it's replaced by a phenylalanine in the glycerol channel, a larger hydrophobic residue. Here’s the histidine, a partial positive charge in the water channel, and notice it's replaced by a glycine, a tiny amino acid in the glycerol channel. So in the movement of water through water channels this is the aqueous pore, 3 angstroms in diameter. But in the movement of glycerol this hydrophobic back door, like a trap door to open, allowing the movement of the larger 3-carbon polyglycerol. It's amazing how nature adapts a single sequence to do these feats. Now AQP3, aquaglyceroporin 3, is present in a number of tissues including basal levels of skin, where it's present both before birth and after birth. Now a few years ago I was visited by some executives from the Christian Dior Company, and I was a little suspicious. We never had any interest from Christian Dior or any other beauty companies. But they wanted me to come to Paris to give a lecture, to announce the release of a beauty product which is called hydro action skin cream. I should point out I have no financial ties to Christian Dior. So I can speak freely. So this is a naturally occurring small molecule which leads to a subtle induction of aquaglyceroporin 3 in skin. And in the beauty industry you don’t really have to prove your product, and the notion that if you use enough of this, you’ll look like this - well I'm not personally convinced but let the buyer beware. Now this is the back cover of the Marie Claire beauty magazine, those of you who read French will see the statements are a little bold. It says: profound hydration, spectacular results, the Nobel prize in Chemistry! I showed this to my mother, she’s in her 80s, she’s a farm girl, she never went to university. She looked at that, she smiled and said, Peter I think you finally doing something useful! And I think she was kidding, I'm not sure. But I think there is some utility to the studies. Because aquaglyceroporin 3 is also present in red cells. Glycerol transport into red cells turns out to be very important in the setting of malaria. Malaria is my new adventure. Because when a malaria parasite invades a red cell it lives within a single cell vacuole, it can rapidly grow by synthesising glycerol lipids. The glycerol must come across 3 membranes: the plasma membrane of the red cell, the vacuole membrane and the parasites own membrane. In a series of knockout studies we confirmed that glycerol transport was essential for full variance of the malaria parasite. So notice here, a single red, these are red cells, a single parasite divides: 2, again: 4, again: 8, 16, 32. And so in just a couple of days you go from a single parasite to 32 daughter cells. A ... (inaudible 26:15) which breaks releasing 32 daughter cells. And do the numbers: 32 times 32 is about 1,000, and 32 times 32 is a million. So in 6 cycles we have a billion parasites with grams of malaria sludge through the circulations of the patients with horrific fevers. And I’ll skip through this briefly but basically the aquaglyceroporin 3 provide the mechanism for the parasite to rapidly kill Not long enough to make this, I think, a good drug target but that’s research - you try it. So let me get back to the clinical topic of malaria. Who gets malaria? It's the children in the developing world, particularly in sub-Saharan Africa. Little children like these youngsters playing in the villages outside our research station. And I now am privileged to spend about a third of my year in sub-Saharan Africa. I came on Sunday from Malawi where we are working to prevent and develop better pre-treatments for malaria. So these kids are lucky, if they have malaria they are well treated and they are completely normal. But this little boy came in near death to the village hospital where the doctor on call, Dr Philip Tuma, a paediatrician from Johns Hopkins, saved his life. He was comatose, near death, but notice he has a dysconjugate gaze, he’s looking upward because the brain damage from cerebral malaria has killed his optical cortex, his visual cortex. He’s totally blind, he’ll never recover. In many cases malaria will kill children, 700,000 a year but many millions of cases they recover but not totally. So it's still a big challenge. This is a study from mice but if we look at the brain cortex from the child we see that in a normal situation the astroglial endfeet are lined along the capillary basement membrane. The black dots represent immunoglobin staining. And in the case of cerebral malaria the swelling, these blisters of fluid and coagulation, infarct, leads to irreversible brain damage - a big challenge. And of course malaria is spread by mosquitoes, the Anopheles in particular. And the Anopheles have 8 different aquaporin’s, I won’t go through it, but to fly after taking a blood meal they jettison fluids out through the malpighian tubules; their water balance is maintained by aquaporins. And of course mosquitoes cross borders, so any country that controls malaria is protective but not totally. This is the colonial bridge separating Zimbabwe and Zambia. And borders are often areas where malaria is out of control. The border of Northern Zambia with Congo has terrible malaria because the parasites and mosquitoes go back and forth. So in closing I’ll just mention aquagylceroporin 7 in adipose tissue, release of glycerol, uptake through aquaglyceroporin 9 into the liver allows us to maintain blood sugar levels during fasting and starvation - and this is work by Jen Carbrey. But a big surprise, the aquaglyceroporins are also freely permeated by arsenate, explaining the toxicity of arsenic in ground water in Bangladesh, in eastern India. The prevention of this disease of course is the provision of pure drinking water, a basic human right. And plants, this is a slide from Ralf Kaldenhoff when I was here in Germany at the University of Würzburg. The rice genome has 50 different aquaporins and you see here the plant of the Arabidopsis maintains nice foliage. And an engineered form has similar foliage but with the knockdown in the root with aquaporins, the plant compensates by sending out more rootlets to maintain stem balance. So I’ve talked about several topics, I’ll skip briefly to the end. They are expressed throughout nature. And let me tell you briefly about a very pleasant telephone call I received in October 2013. This is an important telephone call from Sweden for Dr Peter Agre, are you Dr Agre? I sure am and I was told I would share the Nobel Prize in chemistry. And they told me they would be having a press conference in 10 minutes and I should get ready for my day. So I sprinted to the shower and my wife Mary called my mother back in Minnesota, again a farm girl; my Dad who was a chemistry professor had died some years before. And Mary told my mother that I would share the Nobel Prize in chemistry and there was a pause, and my mother came on, she said, Mary, tell Peter that’s very nice but don’t let this go to his head, (laughter) he still needs to do something useful. So here we are with the lab group, these are the young people at the day of the Nobel announcement and they came from 8 different countries, a youthful group representing large sections of the world. And here we are in this... oops I forget here - you can’t actually limit the celebration. This is the cut-rate liquor store in the neighbourhood near where we live, where the price of Heineken is usually announced but those days they had a different announcement. We don’t own science, we do science; science is for the public. And here we are on the stage in Stockholm and any resemblance I may have had to Alfred Nobel came and disappeared when I took off the moustache. And here I am with my family. And let me just challenge you young people to go for it in science, the rewards may not be financial but they’ll be terribly important, both for your career and for the world; and don’t forget to thank the people who support you during this. With that let me thank you for attending my lecture and I look forward to seeing many of you at the break. Applause

Guten Morgen. Das habe ich nicht gehört. Guten Morgen. Es ist toll, hier zu sein. Dies ist, glaube ich, mein achter Besuch in Lindau und ich freue mich immer, hierher zu kommen. Es ist so eine schöne Veranstaltung. Die jungen Wissenschaftler zu treffen, bereitet mir viel Freude, und es gibt viele Leute, denen wir danken müssen. In meinem Fall machte ein persönlicher Besuch von Gräfin Bettina und ihrer Mutter, der verstorbenen Gräfin Sonja, deutlich, dass dies etwas ist, das für jeden Preisträger von großer Bedeutung ist. Und die Organisatoren, die drei Wolfgangs und ihr Team, ebenso wie die Leute hier in Lindau, Susanne, Katja und ihr Team, sorgen dafür, dass es ein großes Vergnügen ist, hier zu sein. Ich werde Ihnen also etwas über Wasserkanäle erzählen. Wasser betrachten wir oft als etwas Selbstverständliches. Es ist lebensnotwendig und unverzichtbar für Wirtschaft und Handel, für die Erholung. Es ist eine Eigenschaft von Wasser, dass es großen Schaden anrichten kann, wenn es sich im Ungleichgewicht befindet – man kann sich darin unterkühlen oder ertrinken. Wasser hat eine grundlegende Bedeutung für das Leben. Ich glaube, es war Albert von Szent-Györgyi, der sagte, Wasser sei das Lösungsmittel des Lebens. Die Geschichte, die ich Ihnen erzählen werde, hat viel mit jungen Wissenschaftlern zu tun. Hat irgendjemand eine Ahnung, wer dieser junge Kerl hier in der Mitte ist? (Lachen). Ja, leider ist der Zahn der Zeit grausam. Aber wir Preisträger haben alle als junge Leute wie Sie angefangen, als die Leidenschaft uns ergriff und sich die Gelegenheit bot und wir oft die Entscheidung trafen, unser Zuhause, unsere Familien zu verlassen, um uns zu wissenschaftlichen Forschungen aufzumachen, ohne die Garantie zu haben, dass irgendetwas zum Erfolg führen würde. Aber dennoch schreitet die Wissenschaft voran, weil Wissenschaftler Entdeckungen machen. Manchmal Entdeckungen, die zu machen sie erwartet haben, und häufiger Entdeckungen, die völlig überraschend waren. Die Entdeckung von Aquaporin-1, dem ersten molekularen Kanal, war ein glücklicher Zufall. Journalisten sage ich oft, dass nicht wir Aquaporin-1 entdeckten, sondern dass es uns entdeckte. Tatsächlich war es ein Protein, das zusammen mit dem Gegenstand unseres wissenschaftlichen Interesses, dem Antigen der Rhesus-Blutgruppen, purifiziert wurde. Aber es gab einige Besonderheiten. Es war ein wenig kleiner und besaß, wie sich herausstellte, einen immunologischen Mangel an Kreuzreaktivität von Rh. Und so taten wir das, was Wissenschaftler tun. Ausgehend von unserer Ahnung, dass es interessant sein könnte, purifizierten wir es, sequenzierten es, klonten es und dachten: Ah! Wir können die Genetik-Datenbank befragen und sie wird uns ganz genau sagen, was dieses neue Protein macht, denn es war in großen Mengen in roten Blutkörperchen vorhanden. Merkwürdigerweise ließ es sich mit Proteinfärbungen nicht färben. Niemand hatte das zuvor beobachtet. Stellen Sie sich das vor: ein Protein, das im roten Blutkörperchen, das von vielen Hundert wissenschaftlichen Gruppen erforscht worden war, vorliegt, aber bei dem niemand zuvor beobachtet hatte, dass es sich einfach nicht färbte. Wir klonten es also und die deduzierte Sequenz ergab einen sechs Membranen durchspannenden Bereich, der hier auf dem Dia dargestellt ist. Das Protein existiert also hauptsächlich zwischen den Membranhälften der Doppelschicht und besitzt eine interne Wiederholung: Die erste Hälfte und die zweite Hälfte sind genetisch verwandt, aber in einer entgegengesetzten Konformation – wie vorhergesagt. Als wir in der Genetik-Datenbank nachschauten, gab es tatsächlich einige Homologe. Es gab eine Homologie bei der Augenlinse von Schlachtrindern – als wichtiges intrinsisches Protein bezeichnet, Funktion unbekannt. Und bei einem Protein aus dem Gehirn von Insekten, von Drosophila – wichtig bei der Neurogenese, aber mit unbekannter biophysikalischer Funktion. Also: Proteine aus Bakterien, die bei der Aufnahme von Glycerol eine Rolle zu spielen scheinen, und eine Reihe von Fragmenten von Genen aus Pflanzen – wiederum mit unbekannter Funktion. Wir hatten also ein neues Protein, wir purifizierten es, wir hatten eine Sequenz, wir klonten sie. Und wir hatten keine Ahnung, was es tat. Lassen Sie mich dies betonen: Wir hatten keine Ahnung, was es tat. Und ein Protein ohne Funktion, das heißt: ein Wissenschaftler ohne finanzielle Fördermittel, ohne eine Zukunft. Ich mache keine Witze. Was tun Sie also? Sie gehen zu Ihrem Professor – nun, ich war der Professor, ein junger Professor in meinen Dreißigern. Ich sprach also mit meinen Kollegen, mit vielen von ihnen. Ein Protein roter Blutkörperchen muss ein Kanal sein, versicherten sie mir. Der Hämatologe sagte: Es gibt keinen Kanal in roten Blutkörperchen, du liegst falsch. Und so steckten wir fest. Nun, dies veranschaulicht ein wichtiges Konzept, das des Gleichgewichts zwischen Arbeitsleben und Privatleben. Als ich Student war, vor 45 Jahren, sprach man nicht über das Gleichgewicht zwischen Arbeitsleben und Privatleben. Es ging nur um die Arbeit. Wenn du nicht hart genug arbeitest, wirst du keinen Erfolg haben. Aber wir alle besitzen in unseren Freunden und in unseren Familien etwas Besonderes. Meine Frau und ich haben vier wunderbare Kinder. Das ist ein Bild von ihnen, da waren sie noch klein und niedlich, vor 25, vor 22 Jahren – entzückende Kinder. Jedes Jahr fuhren wir mit ihnen in die Nationalparks, um zu campen – in den Yosemite-Nationalpark, in den Glacier-Nationalpark, in den Yellowstone-Nationalpark, in den Great-Smoky-Mountains-Nationalpark – und die Kinder liebten es. Und es war der Urlaub, den wir uns mit meinem niedrigen Wissenschaftlergehalt leisten konnten. Meine Frau sagte also: Das taten wir: „Kinder, in welchen Nationalpark möchtet Ihr fahren?“ Sie sagten: „Nach Disney World!“ Wie Sie wissen, ist Disney World kein Nationalpark. Aber Familien sind natürlich keine richtigen Demokratien. Wir fuhren also in die Everglades (Lachen), wurden von Moskitos zerstochen und besuchten Disney World, wo die Kinder eine tolle Zeit hatten. Und auf dem Rückweg nach Baltimore machten wir einen Zwischenstopp in Chapel Hill, in North Carolina, an der University of North Carolina, wo ich früher zusammen mit John Parker als Postdoc gearbeitet hatte, einem ausgezeichneten Hämatologen, einem Kollegen, der ein guter Protein-Physiologe war. Wie auch anderen, so erzählte ich ihm von diesem neuen Protein in roten Blutkörperchen und davon, dass wir keine Ahnung hatten, was es tat. John überlegte und sagte: „Rote Blutkörperchen – wo noch?“ Und ich antwortete: „Renale Tubuli. Rote Blutkörperchen, renale Tubuli. Und es besitzt einige strukturelle Homologien mit Proteinen aus den Wurzeln und Geweben von Pflanzen.“ Und John beugte sich zu mir vor und sagte: nach denen Physiologen seit hundert Jahren suchen, um zu erklären, warum Osmose in manchen Geweben so schnell erfolgen kann?“ Ich war erstaunt – Wasserkanäle? Ich hatte nie von einem Wasserkanal gehört. Aber ich folgte Johns Vorschlag, und nach meiner Rückkehr an die Johns Hopkins University tat ich mich mit Bill Guggino zusammen, um einige Untersuchungen durchzuführen, von denen ich Ihnen erzählen werde. An dieser Stelle bedarf es einiger Hintergrundinformationen. In der Biologie ist Wasser nahezu allgegenwärtig. Aber wie bewegt sich das Wasser in die Richtungen, in die es sich für die richtige Homöostase bewegen muss? Wie kommt es, dass wir alle Zerebrospinalflüssigkeit absondern, freisetzen und aufnehmen können, um die Oberfläche unseres Gehirns darin zu baden; dass wir unsere Augen mit Kammerwasser füllen können – aber nicht mit zu viel; dass wir Speichel produzieren, schwitzen und unsere Atemwege befeuchten können? Auf welche Weise können die Wurzeln von Pflanzen Wasser aus dem Boden aufnehmen? Wahrscheinlich war es genau dieses Konzept der Wasserkanäle, das fehlte, um das erklären zu können. Membranen, alle Membranen besitzen eine begrenzte Wasserdurchlässigkeit. Wenn Sie sich die linke Seite anschauen, sehen Sie, wie Wasser durch eine Doppellipidschicht hindurchtritt, ein zufälliges Ereignis mit einer hohen Arrhenius-Aktivierungsenergie. Lassen Sie mich betonen, dass es die Pioniere waren, Leute wie Arthur Solomon, Alan Finkelstein, Guillermo Whittembury in Venezuela, Jean Poyet in Frankreich, Mario Parisi in Argentinien, Gheorghe Benga in Rumänien, die grundlegende Forschungsarbeit, sehr sinnvolle Forschungsarbeit geleistet hatten, die darauf hinwies, dass es Wasserkanäle geben muss. Das war es, was John meinte. Der grundlegende Unterschied ist ein ziemlich subtiler Unterschied. In der Tat weisen alle Biomembranen eine gewisse Diffusionspermeabilität der Doppellipidschicht auf, aber man ging davon aus, dass spezielle Membranen wie renale Tubuli, sekretorische Drüsen und rote Blutkörperchen Wasserkanäle haben. Die biophysikalischen Unterschiede waren ebenfalls ein bisschen subtil: niedrige Kapazität der Diffusion, bi-direktional, das Wasser wandert zufällig in die Zellen und heraus. Aber diejenigen mit Wasserkanälen können über eine hohe Kapazität für Wasser verfügen und selektiv in Bezug auf Wasser sein. H2O bewegt sich nahezu ohne Widerstand in den Protonen in Form von Hydroniumionen. Dieselbe Masse mit einer Ladung schafft es nicht, sich wahrnehmbar zu bewegen. Die Richtung für die Bewegung des Wasser wird von den osmotischen Gradienten bestimmt. Für dieses Konzept der Osmose, das wir alle in der Schule von unseren Lehrern vermittelt bekamen, als wir noch jung waren, gibt es also eine Erklärung auf molekularer Ebene. Im Jahr 1970, als ich, auf meinem Weg an die Johns Hopkins University, mit einem Rucksack per Anhalter durch Asien reiste, führte an der University of California, Berkeley, ein anderer Kollege aus Minnesota, Bob Macey, ein Experiment durch. Im Grunde genommen, ging er den chemischen Katalog durch und suchte nach Stoffen, welche eine verstärkte Diffusion von Wasser bewirken würden. Er hoffte, dass sich bei Verwendung der richtigen Chemikalien bei allen Membranen die Diffusion verstärken würde. Dabei gelangte er zu Quecksilberchlorid und erlebte eine Überraschung: Es stoppte den Wassertransport. Stoppte ihn! Indem er dann das Quecksilberchlorid wegspülte und mit chemischen Reduktionsmitteln behandelte, konnte er ihn wiederherstellen und wie einen Wasserhahn ab- und anstellen. Er zog daraus den richtigen Schluss, dass es eine Wasserpore, irgendwo in diesem Kanal geben musste. Aber weder Bob Macey noch die anderen konnten diesen Kanal identifizieren – und das ist der Punkt, an dem die Wissenschaft voranschreitet. Wir sind wie Staffelläufer, die den Stab tragen. Er wurde genau im richtigen Augenblick an uns weitergereicht. An der Johns Hopkins University gingen wir zusammen mit Bill Guggino der Idee von John Parker nach und testeten die Funktion dieses neuen Proteins, indem wir die komplementäre RNA in Eizellen des Krallenfroschs Xenopus laevis exprimierten – das sind Froscheier. Froscheier haben einen Durchmesser von ungefähr einem Millimeter. Wie wir wissen, legen Frösche ihre Eier im Frühjahr in stehenden Süßwassergewässern ab. Solange sie nicht befruchtet sind, ruhen sie, denn sie besitzen eine sehr niedrige inhärente Wasserpermeabilität, und sind daher ein ideales System für die Expression. Wichtig ist also: Eine Kontrolleizelle, der nur Pufferlösung injiziert wird, und eine Test-Eizelle, der zwei Nanogramm der komplementären RNA injiziert werden, werden drei Tage lang kultiviert – ohne ersichtlichen Unterschied. Das Nährmedium ist jedoch isotonisch, es gibt keinen osmotischen Gradienten. Wenn man diese Zellen in destilliertes Wasser geben würde, dann würde die Kontroll-Eizelle unwesentlich anschwellen, wohingegen die Test-Eizelle anschwellen und explodieren würde – und genau das passierte. Wie Popcorn: Sechs Kontroll-Eizellen – nichts, nichts, nichts, nichts, nichts, nichts. Sechs Test-Eizellen: bang, bang, bang, bang, bang, bang – ohne Geräuscheffekte (Lachen), aber optisch. Und dies führte zu großem Jubel (Lachen), beinahe wie eine Oper von Mozart! Das ist Greg Preston, der junge Wissenschaftler in meinem Labor, der jene Experimente durchführte, und ich nahm dieses Foto von Greg auf. Drei Jahre nach der Entdeckung feierte er immer noch. Es gibt etwas bei Entdeckungen und in der Wissenschaft: das ist die Energie, die Belohnung. Worauf wir nicht vorbereitet waren, war das Interesse anderer Wissenschaftler, denn wir hatten eine sehr kleine Gruppe, sehr fokussiert: ein klinischer Mediziner, der seine Forschungen betrieb – und da gab es einige große Gruppen, die über umfangreiche Geldmittel verfügten, um den Wasserkanal zu entdecken. Wir mussten also mit anderen zusammenarbeiten. Ich werde Ihnen deshalb von den anderen Wissenschaftlern erzählen, mit denen wir zusammenarbeiteten, denn Wissenschaft ist ein weltweites Netzwerk von Einzelpersonen wie wir selbst. Viele von ihnen waren junge Wissenschaftler, und von einer ganzen Reihe von ihnen habe ich Fotos. Unsere erste Herausforderung bestand darin, die Struktur des Wasserkanal-Proteins herauszufinden. Der berühmte Architekt Louis Sullivan, der die ersten Bürohochhäuser entwarf, war der Mentor von Frank Lloyd Wright und ist bekannt für seine Äußerung: Wenn es uns also gelänge, die Form, die Struktur zu etablieren, dann könnten wir die Funktion der Wasserkanäle verstehen. In Zusammenarbeit mit Yoshinori Fujiyoshi und Andreas Engel, deren Fotos ich soeben gezeigt habe, klärten wir die Struktur auf der atomaren Ebene auf. Auf der linken Seite sollten Sie den Kanal von oberhalb der Zelle sehen. Es handelt sich um einen Tetramer, aber jede Untereinheit hat eine einzelne Wasserpore mit einem Durchmesser von 3 A. Was ist der durchschnittliche Durchmesser eines Wassermoleküls? Keine Chemiker hier – Astrid, wir müssen an ihnen arbeiten! 2,8 A – gerade eben groß genug. Auf der rechten Seite sehen Sie, wie sich die Wasserpore von der Oberfläche der Zelle bis zur Cytoplasmamembran erstreckt: eine einzelne Pore, an der entlang sich das Wasser im Gänsemarsch vorwärtsbewegt. Dieses Schaubild deutet an, wie es funktioniert. Wir nennen dies die Sanduhr. Die antike Uhr mit einer internen Symmetrie, mit einem extrazellulären Vorraum, einem intrazellulärem Vorraum, wo das Wasser sich in „Bulklösung“ befindet: H2O bis zur n-ten Potenz. Protonen hüpfen frei zwischen diesen Wassermolekülen herum. Und dann der Kanal: Eine Spanne von 20 A mit einem Durchmesser von ungefähr 3 A, in dem sich das Wasser im Gänsemarsch bewegt. Wir dachten, dass wir viel darüber wussten, es gibt Barrieren, die der Bewegung entgegenstehen, geladene gelöste Stoffe und Protonen, hier zum Beispiel ein Arginin und hier ein Histidin. Und es gibt andere Dinge, die zur Verhinderung der Protonenbewegung beitragen. Ich glaube, Arieh Warshel sprach am Montag darüber. Die Wissenschaft schreitet also voran, aber die grundlegende Funktionsweise ist meiner Meinung nach ziemlich klar. In der Mitte des Kanals ist ein einzelnes Wassermolekül, das durch die Wechselwirkung zu diesen zwei Cys–Hgs aufgehängt ist, diesen zwei Aminosäuren, die evolutionär in hohem Maße konserviert sind. Wasser bewegt sich also nahezu ohne Widerstand fort – und dies ist wiederum die Forschungsarbeit von David Kozono, der ein junger Student war, als er diese Arbeit unternahm. Jetzt ist er Fakultätsmitglied in Harvard. Sie können sehen, dass hier ein einzelnes Wassermolekül die Pore füllt. Hier verhindern geladene Reste die Bewegung von Protonen und unterstützen den Ort der Quecksilberhemmung. Das Interessante an dieser Struktur ist, dass sie sich bei sämtlichen Lebensformen findet. Wir beschäftigten uns hauptsächlich mit den Aquaporinen bei Säugetieren, mit den Aquaporinen beim Menschen, von denen es zwölf gibt. Aber wenn Sie sich dem Genom zuwenden, werden Sie mindestens 500 Aquaporine verschiedener Lebensformen antreffen, welche die gleiche grundlegende Sequenz und die gleiche Struktur besitzen. Die Strukturen wurden von anderen Wissenschaftlern aufgeklärt: von Rob Stroud, Bing Jap und andere. Das menschliche Repertoire ist in zwei Unterkategorien aufgeteilt: zum einen die wasserselektiven Kanäle, die Aquaporine, wobei wir uns hauptsächlich mit AQP1 befassten. Aber ich werde Ihnen auch sagen, was es mit den anderen auf sich hat; und zum anderen jene, die sich von diesen genetisch geringfügig unterscheiden und durchlässig für Wasser und für Glycerol sind, die Aquaglyceroporine. Die meisten Lebensformen besitzen einige aus beiden Kategorien. Also noch einmal: Wie nimmt ein kleines Labor auf einem großen wissenschaftlichen Gebiet am Wettbewerb teil? Indem es mit anderen zusammenarbeitet. Dies hier ist unser wissenschaftlicher Mitarbeiter für die präzise Lokalisierung von Aquaporinen in den Geweben von Säugetieren – Søren Nielsen von der Universität Aarhus in Dänemark. Nur einer von Ihnen hier stammt aus Dänemark, wir brauchen hier in Lindau ein bisschen mehr dänische Beteiligung. Søren war 29 Jahre alt, als er die Untersuchungen durchführte, die die physiologische Funktion der Aquaporine aufklärte. Und er tat dies anhand klassischer immunhistochemischer und immunologischer elektronenmikroskopischer Methoden. Die Physiologen wussten genau, dass jede unserer Nieren, von denen wir zwei besitzen, aus ungefähr einer Million Nephronen besteht, in denen das Plasma in Glomeruli gefiltert und das Wasser im proximalen absteigenden Teil reabsorbiert wird. Genau hier befindet sich AQP1. Der absteigende dünne Teil hat keinen Wassertransport. Die Sammelrohre haben regulierten Wassertransport, aber in diesem Bereich gibt es kein AQP1. Schauen wir uns einen Querschnitt der Niere in der apikalen Oberfläche, der Wasser absorbierenden Oberfläche, an. Die schwarzen Punkte stellen eine „immunible“ Dekoration dar. Starke Expression des Aquaporin-1-Proteins. Dies ist also die apikale Oberfläche. Beachten Sie, dass der Zellkörper nur wenig Färbung aufweist. Er ist also an der Oberfläche gesammelt. Außerdem ist es nicht nur an der apikalen Oberfläche, sondern auch an der lateralen und der basalen Oberfläche präsent. Das Wasser bewegt sich also aus dem Primärharn heraus und wir filtern ungefähr 200 Liter Plasma – 200 Liter zu filtern ist enorm! durch die apikale Oberfläche und hinaus durch die laterale und die basale Oberfläche, wobei die Richtung durch den osmotischen Gradienten bestimmt wird, der durch Salz und Wasser und Zuckertransporter erzeugt wird. Als Mediziner interessierte ich mich besonders für die Konsequenzen für den Menschen. Zusammen mit Landon King und anderen identifizierten wir Menschen mit Knockout-Mutationen, und dies wurde dadurch möglich, dass sie ein Blutgruppen-Antigen, einen Polymorphismus auf der Oberfläche von AQP1 besaßen. Kurz gesagt, Individuen mit Knockout-Mutationen bei AQP1 geht es ziemlich gut – wie dieser Dame aus Südfrankreich, die uns erlaubt, ihr Foto zu zeigen. Sie fühlen sich gesund. Bei Transfusionen besteht ein Problem in Hinblick auf die Blutgruppe, aber wenn man keine Transfusion benötigt, weiß man vielleicht nicht einmal, dass man einen Defekt hat. Wenn sie jedoch entsprechenden Belastungen ausgesetzt werden, sind die Auswirkungen ziemlich deutlich. Wenn wir über die Nacht nichts trinken, würden wir alle unseren Harn bis zu 1000 mOsm konzentrieren, was dieselbe Konzentration wie die von Meerwasser ist. Diese Individuen können, wenn sie über die Nacht nichts trinken, ein bisschen mehr als die 280 mOsm der physiologischen Kochsalzlösung bis zu ungefähr 420 mOsm konzentrieren. Genug, um über die Nacht zu kommen, aber bei fortgesetztem Dürsten, Infusion von hypertonischer Kochsalzlösung können sie nicht weiter konzentrieren. Sie kommen nicht weiter. Somit leiden sie an einer milden Form von nephrogenem Diabetes insipidus. Natürlich stellt dies im modernen Leben und bei freiem Zugang zu Flüssigkeiten und Klimatisierung keine Belastung dar, aber bei entsprechender Belastung würde es deutlich werden. Das zweite Mitglied der Familie – und es kam geradezu zu einem Sturm des Interesses an Aquaporinen, als wir das erste Mitglied meldeten – AQP2 ist in den Sammelrohren präsent, wo, wie wir wissen, der regulierte Wassertransport stattfindet. Die Ureinwohner sind nicht in der Lage, die Zeit in Intervallen zu messen, die kürzer als ein Tag sind. Dennoch können sie ihre Kriegsfeiern auf die Mitte der Nacht festlegen, denn sie trinken, wie dies die Prärie-Indianer bei Sonnenuntergang taten, eine große Menge Wasser und wachen dann ein paar Stunden später auf, um ihre Blase zu leeren. Der regulierte Wassertransport ist die Erklärung hierfür. Jeder Graduierten-Student, der freitags auf einen Drink zum Wochenende geht und einen Liter Bier trinkt, weiß, dass der erste Ort, den er danach aufsucht, das WC ist. Wenn man in der Sonnenhitze Tennis spielt, geschieht das Gegenteil: der Harn konzentriert sich. Die finale Menge im Sammelrohr wird von AQP2 bestimmt. Sie wird von der Exozytose des in Vesikeln enthaltenen interzellulären AQP2 zur Oberfläche, die von Vasopressin reguliert wird, und zurück reguliert. Wir haben also in den Hauptzellen des Sammelrohrs ein interzelluläres Aquaporin, das sich zur Oberfläche und zurück bewegt und es dem Wasser erlaubt, in die Oberfläche einzudringen. Es tritt jedoch durch ein anderes Mitglied der Familie wieder aus. Erbliche Defekte sind von ziemlich großer Bedeutung. Kinder, die von einer Mutation des Gens betroffen sind, das dieses Aquaporin exprimiert, müssen pro Tag 20 Liter Wasser trinken, um Dehydration zu vermeiden. Und erworbene Defekte sind weitverbreitet. Bei Flüssigkeitsansammlungen, beispielsweise bei Herzinsuffizienz, ist AQP2 hochreguliert, bei Problemen wie Bettnässen ist es unterexprimiert. Es ist also eine ziemlich einfache Antwort auf eine langjährige physiologische Fragestellung. Ich werde nun rasch die anderen Mitglieder der Familie durchgehen, denn jedes wird in einem anderen Gewebe exprimiert und beschäftigte eine andere Gruppe von jungen Wissenschaftlern. Masato Yasui, der jetzt den Lehrstuhl für Pharmakologie an der Keio-Universität inne hat, forschte an dem AQP0-Protein in Augenlinsen. Defekte verursachen Katarakte bei kleinen Kindern. Ein anderes Mitglied der Familie, AQP4, wird in verschiedenen Geweben exprimiert, unter anderem im Gehirn, wo es in den Astroglia-Endfüßchen vorkommt. Sie sehen wie Saugnäpfe aus und umgeben die Kapillargefäße des Gehirns, denn die Bewegungen der Gehirnflüssigkeit sind sehr, sehr sorgfältig reguliert. Eine geschlossene Schädelverletzung, die zu einer Gehirnschwellung führt, bewirkt die Kompression des angrenzenden Gehirngewebes und dauerhafte Schädigungen des Gehirns. Das genau in der perivaskulären Membran vorliegende AQP4 erklärt die Bewegungen von Flüssigkeit in das bzw. aus dem Gehirn. Dies wurde in Zusammenarbeit mit unseren Kollegen in Norwegen, darunter Mahmood Amiry-Moghaddam, einem Flüchtling aus einem Lager in Pakistan, herausgefunden. Seine Familie war zur Zeit der Mullahs aus dem Iran geflohen. Er kam nach Norwegen als Gymnasiast und wollte Wissenschaft betreiben, und diese Gelegenheit machte ihn zu einem der führenden Neurowissenschaftler Europas. Zwei von Ihnen hier bei diesem Treffen kommen aus dem Iran – wir brauchen mehr Beteiligung aus allen diesen Ländern, die weniger oder gar nicht vertreten sind. Mahmood zeigte uns, dass ein normales Gehirn nach einer Verletzung signifikante Schädigungen erleidet. Aber Mäuse, die eine Mutation in dem Protein des Baugerüsts aufweisen, durch die das Aquaporin-2 positioniert wird, besitzen einen Überlebensvorteil, wie Sie sehen können. Der pinkfarbene Bereich stellt hier funktionsfähiges Hirngewebe dar, nachdem es zu einer Hirnverletzung gekommen war, und diese Mäuse schneiden besser ab. AQP5 aus den Speicheldrüsen, den Tränendrüsen, den Schweißdrüsen wurden von Surabhi Raina geklont, einer jungen Wissenschaftlerin aus Indien. Damit lässt sich erklären, wie wir Schweiß absondern können, um uns abzukühlen, wenn wir thermisch belastet sind. Auch die Aquaglyceroporine sind wichtig. Dieses Dia habe ich von Bing Jap vom Lawrence Berkeley Labor ausgeliehen. Er hat hier die Wasserkanal-Reste in der Pore, die dunkel schattiert sind, mit den entsprechenden Resten eines Glycerol-Transporters aus Bakterien-GlpF, die hell schattiert sind, abgeglichen. Man hält dies für... hier sind das Cystein und der Wasserkanal. Beachten Sie, dass es in dem Glycerol-Kanal durch ein Phenylalanin ersetzt ist, einen größeren hydrophoben Rest. Hier ist das Histidin, eine positive Teilladung in dem Wasserkanal, und beachten Sie, dass es in dem Glycerol-Kanal von einem Glycin ersetzt ist, einer winzigen Aminosäure. Bei der Bewegung des Wassers durch Wasserkanäle ist dies die Wasserpore, 3 A im Durchmesser. Aber bei der Bewegung von Glycerol öffnet sich diese hydrophobe Hintertür, wie eine Falltür, und ermöglicht die Bewegung des größeren 3-Kohlenstoff-Polyglycerols. Es ist erstaunlich, wie die Natur eine einzelne Sequenz anpasst, um diese Leistungen zu vollbringen. AQP3, Aquaglyceroporin-3, kommt in mehreren Geweben vor, unter anderem in der Basalschicht der Haut, in der es sowohl vor als auch nach der Geburt präsent ist. Vor ein paar Jahren erhielt ich Besuch von einigen Mitgliedern der Geschäftsleitung des Christian Dior-Konzerns und da war ich ein wenig misstrauisch. Noch nie hatte Christian Dior oder ein anderes Kosmetikunternehmen Interesse an uns gezeigt. Aber sie wollten nun, dass ich nach Paris komme, um dort einen Vortrag zu halten, der ein neues Kosmetikprodukt auf dem Markt ankündigen sollte, das Hydro-Action-Hautcreme heißt. Ich sollte darauf hinweisen, dass ich keinerlei finanzielle Verbindungen mit Christian Dior habe. Es gibt Tage, da hätte ich liebend gerne finanzielle Verbindungen mit Christian Dior! (Lachen). Verbindungen bringen jedoch Verpflichtungen mit sich, und ich spürte, dass ich die finanziellen Vergütungen nicht annehmen können würde. Daher kann ich offen sprechen. Dies ist ein natürlich vorkommendes, kleines Molekül, das zu einer geringfügigen Anregung der Bildung von Aquaglyceroporin-3 in der Haut führt. In der Kosmetikindustrie muss man die Wirksamkeit seines Produkts nicht wirklich nachweisen, und ich persönlich bin nicht davon überzeugt, dass man, wenn man genug davon verwendet, so aussehen wird Das ist die Rückseite der Beauty-Zeitschrift Marie Claire und diejenigen von Ihnen, die Französisch lesen können, werden sehen, dass diese Aussagen ein bisschen gewagt sind. Hier steht: umfassende Hydration, spektakuläre Ergebnisse, Nobelpreis für Chemie! Ich zeigte das meiner Mutter Sie warf einen Blick darauf, lächelte und sagte: Wow! Wissen Sie – unsere Mütter kennen uns wirklich. Und ich glaube, sie scherzte – ich bin mir nicht sicher. Allerdings glaube ich, dass diese Studien tatsächlich einigen Nutzen haben, denn Aquaglyceroporin-3 liegt auch in roten Blutkörperchen vor. Wie sich herausstellt, ist der Transport von Glycerol in die roten Blutkörperchen im Falle von Malaria von Bedeutung. Malaria ist mein neues Abenteuer. Wenn ein Malaria-Parasit in ein rotes Blutkörperchen eindringt, lebt er innerhalb einer einzigen Zellvakuole und kann dann sehr rasch wachsen, indem er Glycolipide synthetisiert. Das Glycerol muss drei Membranen überwinden: die Plasmamembran des roten Blutkörperchens, die Membran der Vakuole und die Membran des Parasiten. In einer Reihe von Knockout-Untersuchungen bestätigten wir, dass der Glyceroltransport für die vollständige Virulenz des Malaria-Parasiten notwendig ist. Sehen Sie hier – diese sind die roten Blutkörperchen, ein einzelner Parasit teilt sich: So gelangen Sie innerhalb weniger Tage von einem einzelnen Parasiten zu 32 Tochterzellen. Ein aufbrechender Schizont setzt 32 Tochterzellen des Parasiten frei. Und rechnen Sie nach: Innerhalb von sechs Zyklen haben wir eine Milliarde Parasiten, mit mehreren Gramm Malaria-Schlamm im Blutkreislauf des Patienten, was zu entsetzlichem Fieber führt. Ich werde dies ganz kurz durchgehen. Im Wesentlichen stellt Aquaglyceroporin-3 dem Parasiten den Mechanismus zur Verfügung, um schnell zu töten. Hier sehen Sie Studien mit Mäusen – jene mit Knockout überleben länger. Nicht lange genug, um dies zu einem guten Wirkstoffziel zu machen – aber das ist eben Wissenschaft: man probiert es. Lassen Sie mich nun zum klinischen Thema der Malaria zurückkehren. Wer erkrankt an Malaria? Die Kinder in den Entwicklungsländern, vor allem in Afrika südlich der Sahara. Kleine Kinder wie diese Youngsters, die in den Dörfern um unsere Forschungsstation herum spielen. Ich habe jetzt das Privileg, ein Drittel des Jahres in Afrika südlich der Sahara zu verbringen. Ich kam an einem Sonntag an, aus Malawi, wo wir an der Malaria-Vorbeugung und der Entwicklung besserer Vorbehandlungen arbeiten. Diese Kinder haben also Glück. Wenn sie Malaria haben, werden sie gut therapiert und sind völlig normal. Dieser kleine Junge jedoch war dem Tode nahe, als er in das Dorfkrankenhaus gebracht wurde, wo der diensthabende Arzt, Dr. Philip Tuma, ein Kinderarzt von Johns Hopkins, ihm das Leben rettete. Er war komatös, dem Tode nahe. Beachten Sie seinen diskonjugierten Blick – er schaut nach oben, denn die durch die cerebrale Malaria hervorgerufene Schädigung seines Gehirns hat zum Absterben seiner Sehrinde geführt. Er ist vollständig blind, er wird nie wieder gesund werden. In vielen Fällen führt Malaria zum Tod der Kinder, 700.000 Todesfälle jährlich, aber in vielen Fällen werden die Erkrankten wieder gesund – jedoch nicht vollständig. Das ist also immer noch eine große Herausforderung. Dies ist eine Studie, die sich mit Mäusen beschäftigt, aber wenn wir uns die Hirnrinde dieses Kindes anschauen, sehen wir, dass im Normalfall die Astroglia-Endfüßchen entlang der Kapillargefäße der Basalmembran aufgereiht sind. Die schwarzen Punkte stellen die Immunoglobin-Färbung dar. Im Fall cerebraler Malaria führt die Schwellung, führen diese Blasen von Flüssigkeit und Gerinnung zum Infarkt und zu irreversibler Schädigung des Gehirns – eine große Herausforderung. Und Malaria wird selbstverständlich von Moskitos, namentlich der Gattung Anopheles übertragen. Die Gattung Anopheles besitzt acht verschiedene Aquaporine. Ich werde nicht im Detail darauf eingehen, aber sie stoßen, um nach einer Blutmahlzeit fliegen zu können, Flüssigkeit durch die Malpighischen Gefäße aus. Ihre Wasser-Balance wird mithilfe von Aquaporinen aufrechterhalten. Moskitos überqueren natürlich Grenzen, sodass jedes Land, welches Malaria unter Kontrolle hat, zwar Schutz, aber keinen vollständigen Schutz bietet. Dies ist die koloniale Brücke, die Simbabwe von Sambia trennt. Grenzgebiete sind oft Regionen, in denen Malaria nicht unter Kontrolle ist. Das Grenzgebiet zwischen dem Norden Sambias und dem Kongo ist heftig von Malaria betroffen, da die Parasiten und Moskitos hin und her ziehen. Zum Schluss möchte ich noch Aquaglyceroporin-7 im Fettgewebe erwähnen, das an der Freisetzung von Glycerol beteiligt ist. Die Aufnahme von Glycerol in die Leber durch Aquaglyceroporin-9 hilft uns, in Zeiten des Fastens und Hungerns den Blutzuckerspiegel aufrechtzuerhalten. Dies ist die Forschungsarbeit von Jen Carbrey. Aber – große Überraschung – die Aquaglyceroporine können außerdem ungehindert von Arsenat durchdrungen werden, was die Toxizität von Arsen im Grundwasser in Bangladesch und in Ostindien erklärt. Verhindert werden kann diese Erkrankung selbstverständlich dadurch, dass sauberes Trinkwasser zur Verfügung steht, ein grundlegendes Menschenrecht. Kommen wir zu Pflanzen – dies ist ein Dia, das von Ralf Kaldenhoff aus der Zeit stammt, als ich hier in Deutschland an der Universität Würzburg war. Das Reis-Genom besitzt 50 verschiedene Aquaporine. Hier sehen Sie eine Pflanze der Gattung Schaumkressen, die ein schönes Blattwerk besitzt. Eine gezüchtete, veränderte Variante hat ein ähnliches Blattwerk, aber einen Knockdown hinsichtlich der Aquaporine in der Wurzel. Dies kompensiert die Pflanze, indem sie zusätzliche kleine Wurzeln bildet, um das Gleichgewicht des Stiels aufrechtzuerhalten. Ich habe nun über mehrere Themen gesprochen und werde jetzt schnell zum Ende kommen. Sie werden überall in der Natur exprimiert. Lassen Sie mich Ihnen kurz von einem sehr angenehmen Anruf erzählen, den ich im Oktober des Jahres 2013 erhielt. Sind Sie Dr. Agre?“ Und man sagte mir, dass sie in zehn Minuten eine Pressekonferenz haben würden und ich mich für meinen Tag bereit machen sollte. Ich eilte also unter die Dusche und meine Frau Mary rief meine Mutter in Minnesota an, wieder ein Mädchen von der Farm. Mein Vater, ein Professor für Chemie, war einige Jahre zuvor gestorben. Und Mary erzählte meiner Mutter, dass ich an dem Nobelpreis für Chemie teilhaben würde. Es folgte eine Pause und dann sagte meine Mutter: Er muss schließlich noch etwas Sinnvolles tun.“ Hier sind wir mit der Forschungsgruppe aus dem Labor, dies sind die jungen Leute am Tag der Ankündigung des Nobelpreises und sie kamen aus acht verschiedenen Ländern, eine junge Gruppe, die große Teile der Welt repräsentiert. Und hier sind wir … ups, ich vergaß hier – man kann die Feier natürlich nicht begrenzen. Das ist die Wein- und Spirituosenhandlung mit den günstigen Preisen in der Nachbarschaft unseres Zuhauses, wo normalerweise der Preis von Heineken bekanntgegeben wird, aber zu jener Zeit gab es eine andere Bekanntmachung. Die Wissenschaft gehört uns nicht, sondern wir betreiben Wissenschaft – die Wissenschaft dient der Allgemeinheit. Und hier sind wir auf dem Podium in Stockholm. Jede Ähnlichkeit, die ich vielleicht einmal mit Alfred Nobel hatte, kam und verschwand, als ich mir den Schnurrbart abschneiden ließ. Hier bin ich mit meiner Familie. Ich möchte Sie junge Leute dazu auffordern, in der Wissenschaft aufs Ganze zu gehen. Möglicherweise werden die Belohnungen nicht finanzieller Art sein, aber sie werden ungemein wichtig sein Und vergessen Sie nicht, den Menschen zu danken, die Sie dabei unterstützen. Damit möchte ich Ihnen danken, dass Sie meinen Vortrag besucht haben. Ich freue mich darauf, viele von Ihnen gleich in der Pause zu sehen. Applaus


Aquaporin (AQP) water channel proteins enable high water permeability in certain biological membranes. Discovered in human red cells but expressed in multiple tissues, AQP1 has been thoroughly characterized and its atomic structure is known. Expression patterns of the 13 known human homologs predict phenotype. Individuals lacking Colton blood group antigens have mutations in AQP1. In people with no AQP1, lack of water causes defective urine concentration and reduced fluid exchange between capillary and interstitium in lung. Mutations in AQP0, expressed in lens fiber cells, result in familial cataracts. Mutations in AQP2, expressed in renal collecting duct principal cells, result in severe nephrogenic diabetes insipidus. AQP2 underexpression is found in disorders with reduced urinary concentration, AQP2 overexpression in those with fluid retention.
Mistargeting of AQP5, normally expressed in the apical membranes of salivary and lacrimal gland acini, can occur in Sjogren’s syndrome. Aquaporins also are implicated in brain edema and muscular dystrophy (AQP4), anhidrosis (AQP5), renal tubular acidosis (AQP6), conversion of glycerol to glucose during starvation (AQP7 and AQP9) and cystic fibrosis (several aquaporins). Aquaporins provide rootlet water uptake and turgor in plants. Recent work has delineated roles for aquaporins in parasitic diseases including malaria.