Peter Agre

Aquaporin Water Channels: From Atomic Structure to Malaria

Category: Lectures

Date: 28 June 2011

Duration: 29 min

Quality: MD SD

Subtitles: EN DE

Peter Agre (2011) - Aquaporin Water Channels: From Atomic Structure to Malaria

The aquaporin water channel proteins confer high water permeability to biological membranes. Discovered in human red cells, AQP1 has been thoroughly characterized biophysically, and the atomic structure of AQP1 has been elucidated. Twelve homologous proteins have been identified in humans

Good morning, it seems like we were here dancing not very long ago. So those of us who live here on planet earth are keenly aware of the ubiquity of water. Water of course is essential for life, it's also necessary for commerce and a source of great recreational enjoyment. But in this equilibrium water can be quite hazardous. This tranquil artic stream which I was paddling with my son, turned into a torrent by dropping a metre in altitude. In our bodies water is also ubiquitous, all of our tissues are mostly water. The release of fluids such as spinal fluid, tears, sweat, saliva, the concentration of urine are all examples of fluids were water release or water uptake is essential. And a disorder of this causes problems such as brain edema, glaucoma, cataracts, cystic fibroses, renal failure and other problems. So I'll talk about the issue of water in biology but I thought I would start, since we're surrounded here by our young people, by pointing out that as laureates we didn't start in our dotage, we started as young scientists, like yourselves. I know it's the ravages of time but that was me when I started my scientific career, about your age, seeking adventure by travelling through Asia. Experiencing for the first time the third world. And looking for an opportunity to create something in the laboratory that might be useful for the wellbeing of others. So our laboratory, not a very photogenic group at Johns Hopkins, included people from pretty unusual backgrounds. A Spanish anarchist, an Italian playboy, a big wave surfer from Hawaii. I'm the one with the little eye patch, I thought that was so clever at the time, it looks ridiculous. My project in this laboratory was to identify and isolate the toxin causing travellers' diarrhoea. A horrific problem and a problem of the natives in the developing world where 10's of thousands of small children and infants will die every year because of diarrhoeal diseases. So really it was this project that made me think about water and biology for the first time. And gave me a purpose in the laboratory. And I re-purposed my life as a physician to become a physician scientists studying the basis of disease with the hope that we could prevent or cure horrible diseases such as traveller's diarrhoea. So when I began my academic career in the faculty after haematology training, we were studying red blood cell proteins and one of the unsolved, one of the many unsolved problems in red cells is the nature of the rhesus blood group antigen, the Rh antigen being very well recognised for the importance in maternal foetal incompatibility. Surprising that despite the clinical understanding it was not understood at a molecular level. And we isolated it for the first time, the core Rh polypeptide and by serendip, co-purified a second polypeptide which we thought was a photolytic fragment. So the Rh being 32kDa in size, the second protein being slightly smaller 28k. And we found these not only in human red cells but in red cells of other mammalian species. So we dismissed the notion that this 28k protein would be even interesting, till we discovered it was totally unrelated to Rh and had some features which just provoked my curiosity. No glimmers that this would lead to anything interesting but curiosity is a powerful force in science. And we discovered this protein while it stained very poorly with traditional methods was exceedingly abundant in red cells, one of the foremost abundant proteins in the cells. Never before seen. Be a little bit like paddling down the Bodensee here and coming to a metropolis of a million people that is not on the map. It gets your attention. So we decided the best way to figure out what this new 28k protein is, is to clone it out, which we did. The predicted sequence indicated it would be a membrane spanning protein, 6 bilayer spans. We knew it was tetrameric, something like a channel. But what kind of a channel and we looked at the genetics data base at this time, this is now 20 years ago. The genetics data base was much smaller but still had a lot of entries. And there were some homologues that were clearly recognisable from diverse species, from bovine lens, from drosophila brain, from bacteria, from plants. But none of them had been functionally defined. So we really were at a loss, what does this new protein do. And a protein without a function is a protein with no future, you will not get funded to work on things just because you found them, you have to have an important purpose. But fortunately like many, science was an important part of my life, but I was also a member of a family. My wife Mary and I have 4 children, here's Mary and our son Clark when he was a toddler. Here are the 4 kids growing up. And the issue of work life balance comes into play. And sometimes it's really the life part, the family part that drives the work. Every year we would take the children camping, it's the vacation you can afford when you're a basic scientist. The kids loved it, we went to all the national parks, not all of them but many of the national parks, Yosemite, Yellow Stone, Glacier, the Great Smokies. And after doing this the kids loved it so much we said next year children you get to pick the national park and they immediately said: Disney World. Well Disney World is not a national park but we compromised, we went to the Everglades and then we went to Disney World. And at times I would be sitting quietly drinking my coffee in the morning thinking about this protein but having a lot of fun with the kids. And it was on a camping trip to the Everglades and Disney World we stopped in Chapel Hill North Carolina, a wonderful place, Oliver mentioned it yesterday in his talk. And a home to many wonderful academics and friends. And so Mary spent some time chatting with her friends, the kids played with some playmates and I talked to my friend John Parker at the University of North Carolina and told him about this new protein that I was stymied with. We thought it would have an important function, we didn't know what. And this is an example I think of where the breadth of the scientific information that our colleagues bear can help us so much, because we were stuck. And John thought for a while and he leaned over, he was quite exhausted, he'd been up all night working in the clinic. He said, "Peter, red cells, renal tubules, plant tissues, all highly permeable to water, have you considered that this might be the long sought water channel, the channel that physiologists have been searching for, for a century to explain how osmosis occurs in biological tissues?" It had never occurred to me, it was John's suggestion. But it was a good one. And when we returned to Baltimore I teamed up with Bill Guggino in the physiology laboratory of John's Hopkins to test the hypothesis. So these are frog eggs, xenopus laevis oocytes. And on the left is a control oocyte and on the right is an oocyte injected with 2 nanograms of the complementary RNA for our new protein. So the idea is if this is a channel the RNA will encode a protein, it will be inserted into the membrane and the test cell should now be osmotically active and that's exactly what we found. Here in isotonic culture medium there's no difference. When transfer to hypotonic medium the test oocyte is rapidly swelled and exploded. This caused much jubilation in the laboratory. I think as every scientist knows, if you discover something this is the source of joy, this is what drives us. I have to tell you the truth, this is a picture of Greg Preston, a post doc who did some of these early studies. And I took this picture of Greg actually 3 years after our first report, he was still celebrating. So I know we're not like other people. Our rewards are not financial. They're many times intellectual, but they're intense and that's what we really should be striving for. This produced a lot of more interest in our lab than we'd ever received before. We had requests from around the country, around the planet for our plasmid. Others had sought to identify the water channel and we had it. So we had to pick our way very carefully. As a small lab how do you compete with the big labs. And the answer is by collaborating with intelligent, well meaning colleagues. And this brought great, great success. We teamed first with this group to solve the structure. On the left is Yoshinori Fujiyoshi from Kyoto University and on the right is Andres Engel from the University of Basel who were pioneers in the technique of membrane crystallography. And together we solved the structure in 3 dimensions. Showing that the channel as shown in the left panel has a single pore, top to bottom and on the right panel and cross section you can see that there are key residues lining the pore. And these key residues explain the function of the protein. Just briefly in the top vestibule of this channel and we refer to it as the hour glass because there's an adverse symmetry, we have water in bulk solution at the top, hydrogen bonding between these molecules causes water to become illiquid. Water in bulk solution in the intercellular vestibule but notice a 20 angstrom span in the centre. Where water travels in single file, meeting barriers it blocks the movement of protons, charged solutes and other larger solutes. So it's a water selective channel allowing rapid movement of water and this has been solved by membrane dynamics simulations. Here in Germany by Helmut Grubmüller and Bert de Groot. In the United States by Claus Shilton and his group. So all of the investigators largely agree, this channel explains how water crosses membranes. And really gives us some insight into the generation and re-absorption of biological fluids. This model was prepared by David Kozono when he was a student with us. Now genes often times exist in families and the aquaporins as we've termed them, have 13 different homologues in the human genome but 100's of different homologues when you include the other life forms because every life form has at least one aquaporin. And the human repertoire contains aquaporin 1, you can see in the upper right which was the subject of our first discovery and several others. Each expressed in different tissues providing water transport with a specific biological function. In the bottom are some highly related channel proteins which we termed the aquaglyceroporins which allow the movement of water post glycerol. And I've highlighted in this human repertoire the 2 members from E-coli, AQPZ on the left and GlipF on the lower right following water and glycerol transport in E-coli. So you can see these are distinct from one another but highly related. So I'll tell you a little bit about AQP1 and I think you've already figured out, part of my story is not just the science but the facebook of science, my friends, my colleagues and I'll introduce each one briefly. To localise the protein in kidney we teamed up with Søren Nielsen from the University of Aarhus in Denmark, anybody here from Aarhus? Yes, good at least one. Look for Søren. So Søren is a pioneer, he was a young man when we did these studies, he was 29 years old. He localised with great precision the protein in the proximal nephron. So in the model on the left you can see the individual nephron of the kidney, each kidney having a million nephrons. At the glomerulus, at that point where filtration occurs, the primary urine passes through the proximal nephron which is highly water permeable. In the presence as shown here in this thin section stained with a specific antibody to AQP1, the gold colour represents specific presence of the aquaporin in the lumen surrounding the space with a P on it. As well as in the lateral and the basil membranes. It's not present in the collecting duct overlaid with the C, I'll talk about that in a moment. So this explains how water is transferred from the primary urine in the tubules to the apical surface and out through the lateral or basal surface, going from urine to cytoplasm to interstitium. And every day our kidneys will rapidly filter 180 litres of plasma, of course it's the same plasma again and again and again. So this 180 litres is concentrated down to about 1 litre of urine by the re-absorption of water through aquaporins. Now defects in the aquaporins have clinical problems and I'll just tell you briefly about some of them. Shown in the snapshot on the left in the centre, with permission I should point out is a photograph of a retired school teacher from the south of France, who we identified has a genetic defect making it impossible for her to synthesis the AQP1 protein. And we were able to identify her because the surface of AQP1 has a rare blood group antigen. So by collaborating with the blood group investigators we identified these rare people and were able to study them. And we brought them to John's Hopkins where these 2 other people, the tall gentleman, that's Landon King, a lung physician at Hopkins and Melanie Bonefare a French speaking post doc, established the clinical significance of AQP1. And in short it turns out to be very important in the final concentration of urine. So on the panel to the right you see the urine concentration of 15 normal controls after overnight thirsting. We go to bed at night, if we're fortunate we sleep through the night and we wake in the morning and we've had no water for 7 or 8 hours. And our bodies respond by concentrating the urine, so we don't release dilute urine when we're thirsted. That's how we prevent ourselves from becoming dehydrated. So normal individuals can concentrate their urine up to about 1000 milliosmolars, but notice the 2 AQP1 null individuals from different families with different genetic lesions are stuck, they can concentrate a little bit from the 280 isotonic to about 400 milliosmolar, they can concentrate that far but no farther. If indeed these people are thirsted beyond that and we did with very careful testing, show that they can go no further than 400 milliosmolar. So of course if they were in a water restricted environment, in a desert, in a nursing home where the aids are not paying attention, they would become dehydrated by releasing dilute urine in the face of dehydration. So it's a significant phenotype and we refer to this as mild nephrogenic diabetes insipidus. Because on basal levels free access to water, they can compensate. Now a race ensued with the discovery of a new protein of some significance and this is often the case in biology. A race because of the interest of other scientists and this is what really makes science exciting, things can develop so rapidly. And by homology Fushimi and his colleagues cloned a homologue of the AQP1 protein from renal collecting duct. And as you can see in the diagram the collecting duct is the terminal part of the kidney where the vasopressin regulated water transport is known to occur. And in short the AQP2 protein is shown in the upper left by immuno gold staining resides normally an intracellular vesicles. But in response to vasopressin, a neural hormone released from the pituitary in response to thirsting, the protein is translocated to the cell surface. So if you look at the upper left panel, intracellular, the lower left panel with vasopressin it's now at the surface of the cell. Explaining how water can be regulated. And this happens often in our lives. If you should be out jogging a long distance in the afternoon in the warm sun, you'll become water deprived, you'll concentrate your urine maximally. This occurs because of the release of vasopressin. So this is the anti-diuretic stage. And if you were to look at your kidneys they would look like the panel on the upper left. If on the other hand after an evening of resting, drinking some fluids, maybe a litre of beer, you're in the diuretic state, your kidneys would look like, excuse me I misspoke, the anti-diuretic state would be at the bottom and the diuretic state would be at the top. In this case water re-absorption cannot occur and so we release dilute urine, forgive me for misspeaking. Now there are inherited defects in this pathway. And the defects in the gene encoding AQP2 lead to a profound and severe form of renal concentration defect referred to as nephrogenic diabetes insipidus. These children are unable to concentrate their urine and will release at least 20 litres of urine a day, so it's quite severe but fortunately it's quite rare. But acquired defects in the AQP2 pathway are very common. Excess synthesis of the protein occurs in congestive heart failure where the patients retain too much fluid. Defects in the expression are found in common states such as bed wetting. So the small children who wet their beds, causing much distress to their parents, they do so because they temporarily as children underexpress their AQP2, they can't concentrate their urine. They outgrow it but nevertheless it shows the ubiquity and the importance of this protein. Now there are other members of the family and I'll just briefly talk about these. The brain aquaporin, AQP4 which we worked on with our friends in Oslo, Ole Petter Ottersen and his team, is present in a very interesting distribution in the brain because our neurons in the brain are very sensitive to osmotic disequilibrium. And they're protected by astroglial cells. So if capillarian brain and I'm just pointing behind me, is surrounded by astroglial end-feet. This is the site of the so-called blood brain barrier, the movement of fluid from blood to brain goes through the astroglial end-feet and shown here immuno decoration shows the abundance of the AQP4 protein at the blood vein barrier. And this of course turns out to be very important in clinical problems such as brain edema. Stroke is the second leading cause of death in Western Europe and in the United States and individuals often succumb not to the primary stroke itself but to the brain swelling that occurs thereafter. So management of brain edema is critical for the outcome of neurosurgical procedures after stroke and after close head injuries. The presence of this protein explains it. And in a study undertaken by Mahmood Amiry at the University of Oslo and in collaboration with our team in Hopkins shows that in fact normal mice are vulnerable to brain injury. If you look at the staining of a cross section, the normal mouse brain has a significant amount of pale, which represents demitus and infarcted tissue. Compared to the mutant mouse, the mutant mouse having a defect in the location of the AQP4 protein. So it's curious isn't it, somewhat paradoxical. A mutation is protective. Why don't all mice have that mutation and the answer is the presence of this protein is also important in brain fluid homeostasis and so the mutant mice while protected against brain injury do sustain epileptic seizures. So we're trading things off. Nevertheless the presence or the protection provided by inhibition of this protein gives us hope that we could develop pharmacological inhibitors to prevent or ameliorate the consequence of brain edema. Now I'm going to quickly step through some of the other members of the family, AQP5 from secretory glands, these are present in sweat glands, saliva glands, pulmonary, fluid secretory glands and important in generations of these fluids. Shown here panels from a study of wild type mouse on the left and each blue dot represents a functional sweat gland. And in the mutant mouse on the right, this mouse was engineered by Anil Menon and his team in Cincinnati. And the mutant mouse on the right has sweat glands but they're hypo-functional. The mouse is vulnerable to hypothermia from this. And of course mice are relatively resistant because they live in the cool shadows. But humans require degeneration of sweat to maintain body temperature in hypothermic environments. So briefly I'll talk about the aquaglyceroporins. Closely related to the aquaporins and this is the slide I borrowed from Bing Yap from the University of California, who aligned the pore lining residues of a water channel and these are shaded in dark and a glycerol channel. And you notice some residues are perfectly retained, this argenine at the top. Whereas a cysteine here is present in the water channel, replaced by a phenylalanine in the glycerol channel. And the difference in the mass of the c-chain in the water channel are histidine, compared to the glycine in the glycerol channel, explains how the glycerol channel can open up the pore to permit the passage of the larger 3 carbon-polyol. So there are structural explanations for how these things work. Now I was a physician for a number of years and never had once considered the process of glycerol transport to be important but it turns out to be quite important in the maintenance of skin. And this slide prepared by Johan Agren from Uppsala when he was a sabbatical worker with this, shows the strong expression of AQP3 aquaglyceroporin 3 in the basal levels of skin in pre-natal mouse and post-natal mouse. It did not take long for the beauty industry to get interested in this. A few years back, a few summers back I was visited by 3 executives from the Christian Dior company. Now I don't usually have visitors from the Christian Dior company and I was a little suspicious and in fact they have a product that they'd like you to buy, you can get it at the duty free shops, it's really expensive, it's hydro action skin cream, costs about €50 for a 50 gram jar. And I should point out I have no financial ties to Christian Dior, I would love to have financial ties to Christian Dior. But none were offered under terms I could accept them. Nevertheless this is the beauty industry, this is not drug development and their chemists have identified some small molecules which lead to subtle increase in the expression of aquaglyceroporin 3 in skin. The implication is that if you use enough of this you'll look like that, I'm not sure that constitutes proof. But let the buyer beware. Now I actually purloined this, this is the back cover of the Marie Clare Beauty magazine which I borrowed from the business lounge in Paris. And those of you who read French will see that it has some bold statements, profound hydration, spectacular results and the very bottom where it says the Nobel prize I chemistry, I show this to my mother back in Minnesota, she smiles, said Peter you're finally doing something useful. Thank you, when I see my mother next I'll tell her you liked that. I think she was kidding but you never know, our mothers know us better than we know ourselves. There is some useful information though from the aquaglyceroporin 3 studies and this is because glycerol transport into red cells is of probably minor physiological significance but it's the pathway for glycerol imported into red cells during a pathogenesis of malaria. And I won't go into malaria in depth this morning since I talked about it last night. But this intercellular parasite can rapidly synthesis glycerol lipids. Glycerol come through aquaglyceroporins and the parasite then divides, digests the haemoglobin and in the far right you can see a single parasite can in 2 days turn into a multitude of parasites. And this amplification of course causes the horrific malarial fevers which kills hundreds of thousands of children every year. Inhibitors to the aquaglyceroporins may have a therapeutic role, we're not sure but we're investigating that. And of course the mosquitoes themselves have a problem with water transport. When the anopheles bite us they do so because the fluid, the haemoglobin from blood is needed for egg development. But when taking in this vast volume they have to release fluid in order to fly and they do so out of the malpighian tubules at the back end of the mosquitoes. It's taking in blood at this end and shooting out fluid at that end and aquaporins are involved, trust me. There are 2 others I'll mention briefly, aquaglyceroporin 7 in fat, the release of glycerol from fat in response to starvation. The aquaglyceroporin 9 in liver, the uptake of glycerol by liver to convert glycerol back to glucose in a setting of starvation. This is the work of Jenn Carbrey. And it has an unforeseen and important implication because this is also the pathway for the release of arsenite and I won't go into the chemistry of it. Neutral Ph arsenite, arsenic trioxide is uncharged, must resemble glycerol. And the ability to release arsenic from our bodies is conferred by aquaglyceroporin 9. And I'll skip through that. Plants have aquaporins, on the right is a wild type Arabidopsis, on the left is Arabidopsis engineered to under express rootlet aquaporins. And by over-manufacturing of rootlets it can compensate. So I'll end with this, there's a list I could share with you if you're interested of all the clinical disorders and there'll be more where aquaporins are involved. I would like to show a picture of the laboratory on the morning I got a call from some very nice people in Sweden informing me that I would share the Nobel Prize in chemistry. My wife Mary when hearing this early in the morning called my mother back in Minnesota, awakened her to inform her that I would share the Nobel Prize in chemistry. Mother thought for a moment and she said, "Mary, tell Peter that's very nice but don't let this go to his head." I don't think that was sarcasm, I think she meant prizes are nice but doing something useful is more important. But there was a lot of celebration going on, even the local liquor store got into this. The implication that I was their best customer is a great exaggeration. But here we are on the stage in Stockholm and I'd just like to point out for the young people here there are 2 prizes here. The Nobel which is a nice medal and any resemblance I had to Alfred Nobel ended when I took off the moustache. The other prize is the people with me, my family and all of us have a cheering section, our friends, our families, the people we love and care about, who drive us forward and encourage us in our work. we can't forget to thank them for what they've done. So in closing let me just wish the young people well in their careers. I hope when you reach my stage, I'm 62, and it will come sooner than you're ready, you look back and think that the career was fun, I had a great time. And I wish you the best. Thank you.

Guten Morgen. Es scheint, als hätten wir hier vor nicht allzu langer Zeit noch getanzt. Diejenigen unter uns, die hier auf dem Planeten Erde leben, sind sich der Allgegenwart von Wasser deutlich bewusst. Natürlich ist Wasser lebensnotwendig. Außerdem ist es [als Transportweg] für den Handel wichtig, und es ist eine Quelle großer Freizeitvergnügen. Allerdings kann Wasser im Ungleichgewicht auch ziemlich gefährlich sein. Dieser ruhige arktische Fluss, in dem ich mit meinem Sohn paddelte, verwandelte sich in einen reißenden Strom, als er einen Meter tief herabstürzte. Auch in unseren Körpern ist Wasser allgegenwärtig. Alle unsere Gewebe bestehen zum größten Teil aus Wasser. Die Abgabe von Flüssigkeiten wie der Flüssigkeit des Rückenmarks, von Tränen, Schweiß und Speichel, die Konzentration des Harns – dies sind Beispiele für Flüssigkeiten, bei denen die Abgabe oder Aufnahme von Wasser wesentlich ist. Störungen können Probleme wie Gehirnödeme, Glaukome, Katarakte, Mukoviszidose, Niereninsuffizienz und andere Probleme verursachen. Ich werde also über das Thema Wasser in der Biologie sprechen. Doch ich habe mir überlegt, dass ich, da wir hier von unseren jungen Leuten umgeben sind, mit der Bemerkung beginnen möchte, dass wir als Preisträger nicht im hohen Alter, sondern, wie Sie selbst, als junge Wissenschaftler angefangen haben. Der Zahn der Zeit, ich weiß – aber das hier war ich zu Beginn meiner wissenschaftlichen Karriere, ungefähr in Ihrem Alter und auf der Suche nach Abenteuern während einer Asienreise. Dort begegnete ich zum ersten Mal der Dritten Welt. Und ich suchte nach einer Möglichkeit, im Labor etwas zu herzustellen, das dem Wohlergehen anderer dienen könnte. In unserem Labor – keine sonderlich fotogene Gruppe an der Johns Hopkins University – waren Leute aus ziemlich ungewöhnlichen Verhältnissen vertreten: ein spanischer Anarchist, ein italienischer Playboy, ein Big Wave Surfer aus Hawaii. Ich bin derjenige mit der kleinen Augenklappe, die ich damals für eine sehr clevere Idee hielt: Sie sieht lächerlich aus. Meine Aufgabe in diesem Labor bestand darin, das für die Reisediarrhöe verantwortliche Toxin zu identifizieren und zu isolieren. Ein schreckliches Problem und ein Problem der Einheimischen in den Entwicklungsländern, wo Zehntausende von Kleinkindern und Säuglingen jedes Jahr an Durchfallerkrankungen sterben. Es war also in der Tat dieses Projekt, das mich zum ersten Mal dazu brachte, über Wasser und Biologie nachzudenken. Es gab meiner Arbeit im Labor ein Ziel. Ich steckte mir ein neues Ziel für mein Leben als Arzt: Ich würde ein Arzt und Wissenschaftler werden, der die Grundlagen einer Erkrankung untersuchen würde, in der Hoffnung, dass wir solche entsetzlichen Krankheiten wie Reisediarrhöe verhindern oder heilen könnten. Als ich nun nach meiner Ausbildung in der Hämatologie meine akademische Karriere an der Fakultät begann, untersuchten wir die Proteine roter Blutkörperchen. Eines der ungelösten, eines der vielen ungelösten Probleme in Bezug auf rote Blutkörperchen ist die Beschaffenheit des Rhesus-Blutgruppen-Antigens. Die Bedeutung des Rh-Antigens in Hinblick auf die Rhesus-Inkompatibilität zwischen Mutter und Fötus ist allgemein bekannt. Überraschenderweise gab es trotz des klinischen Wissens kein Verständnis auf molekularer Ebene. Wir isolierten zum ersten Mal das wichtigste Rh-Polypeptid und erhielten gleichzeitig durch einen glücklichen Zufall ein zweites Polypeptid in einer reinen Form, das wir für ein protolytisches Fragment hielten. Rh hat eine Größe von 32 u [atomare Masseneinheiten], und das zweite Protein ist mit 28 u etwas kleiner. Wir fanden diese Proteine nicht nur in menschlichen roten Blutkörperchen, sondern auch in den roten Blutkörperchen anderer Säugetierarten. Wir verwarfen also jeden Gedanken, dass dieses 28 u-Protein von irgendeinem Interesse sein könnte, bis wir feststellten, dass es in keiner Weise mit Rh verwandt war und einige Eigenschaften aufwies, die meine Neugier weckten. Ich hatte nicht die geringste Ahnung, dass dies zu irgendetwas Interessantem führen würde, aber in der Wissenschaft ist Neugier eine starke Motivationskraft. Wir fanden heraus, dass dieses Protein, während es sich mit herkömmlichen Methoden kaum färben ließ, in roten Blutkörperchen in außerordentlich großen Mengen vorlag. Man hatte es nie zuvor gesehen. Es war ein bisschen so, als würde man den Bodensee hier hinunterpaddeln und auf einmal auf eine Großstadt mit einer Million Menschen stoßen, die auf keiner Karte verzeichnet ist. So etwas erregt unsere Aufmerksamkeit. Wir beschlossen, dass der beste Weg, um herauszufinden, was dieses neue 28 u-Protein war, darin bestand, es zu klonen, und dies taten wir. Die vorhergesagte Sequenz deutete darauf hin, dass es sich um ein Membran-überspannendes Protein handelte, das sechs Doppelschichten überspannte. Wir wussten, dass es ein Tetramer war, so etwas wie ein Kanal. Aber was für ein Kanal? Damals, vor nunmehr 20 Jahren, befragten wir die Genetik-Datenbank. Die Genetik-Datenbank war damals zwar sehr viel kleiner, umfasste aber trotzdem eine große Anzahl von Einträgen. Bei unterschiedlichen Arten gab es einige deutlich erkennbare Homologe: bei der Augenlinse des Rinds, dem Gehirn von Drosophila, bei Bakterien, bei Pflanzen. Allerdings war keins von diesen hinsichtlich seiner Funktion definiert worden. Demnach waren wir wirklich ratlos, was dieses neue Protein für eine Funktion hatte. Ein Protein ohne Funktion ist ein Protein ohne Zukunft. Man bekommt keine Gelder, um Dinge zu erforschen, nur weil man sie entdeckt hat, man muss eine wichtige Zielsetzung verfolgen. Glücklicherweise stellte zwar, wie bei vielen, die Wissenschaft einen bedeutenden Teil meines Lebens dar, aber ich war darüber hinaus auch Mitglied einer Familie. Meine Frau Mary und ich haben vier Kinder. Hier ist Mary mit unserem Sohn Clark als Kleinkind. Hier sind die vier Kinder im Jugendalter. Und an dieser Stelle kommt das Thema des Gleichgewichts zwischen Arbeitsleben und Privatleben ins Spiel. Manchmal ist es tatsächlich das Privatleben, das Familienleben, was die Arbeit vorantreibt. Jedes Jahr machten wir mit den Kindern Camping-Urlaube: die Art von Urlaub, den man sich als Grundlagenforscher leisten kann. Die Kinder fanden es toll. Wir besuchten alle Nationalparks – nein, nicht alle, aber viele: den Yosemite-Nationalpark, den Yellowstone-Nationalpark, den Glacier-Nationalpark und den Great-Smoky-Mountains-Nationalpark. Da es den Kindern so gut gefiel, sagten wir ihnen, dass sie im nächsten Jahr den Nationalpark aussuchen dürften, und sie sagten sofort: Disney World. Nun ist Disney World kein Nationalpark, aber wir gingen einen Kompromiss ein und fuhren in die Everglades und dann nach Disney World. Manchmal dachte ich, wenn ich morgens in Ruhe dasaß und meinen Kaffee trank, über dieses Protein nach, hatte aber auch viel Spaß mit den Kindern. Und bei einem Campingausflug zu den Everglades und nach Disney World legten wir einen Zwischenstopp in Chapel Hill, North Carolina, ein. Das ist ein wunderschöner Ort. Oliver erwähnte ihn gestern in seinem Vortrag. Außerdem ist er die Heimat vieler wunderbarer Akademiker und Freunde. Mary verbrachte einige Zeit mit ihren Freundinnen und plauderte mit ihnen, die Kinder spielten mit ein paar Spielkameraden, und ich unterhielt mich mit meinem Freund John Parker von der University of North Carolina und erzählte ihm von diesem neuen Protein, mit dem ich nicht vorankam. Wir glaubten, es müsse eine wichtige Funktion haben, aber wir wussten nicht, welche. Das ist meiner Ansicht nach ein Beispiel dafür, wie uns die Bandbreite der wissenschaftlichen Kenntnisse, über die unsere Kollegen verfügen, sehr, sehr helfen kann, weil wir selbst nicht weiterkommen. John dachte eine Weile nach und beugte sich dann zu mir vor. Er war ziemlich erschöpft, denn er hatte die ganze Nacht über in der Klinik gearbeitet. Er sagte: Hast du daran gedacht, dass dies der seit langer Zeit gesuchte Wasserkanal sein könnte, der Kanal, den Physiologen seit einem Jahrhundert suchen, um zu erklären, auf welche Art und Weise in biologischen Geweben Osmose stattfindet?“ Dies war mir nie in den Sinn gekommen. Es war Johns Vorschlag – aber es war ein guter Vorschlag. Als wir nach Baltimore zurückkehrten, arbeitete ich mit Bill Guggino im physiologischen Labor der Johns Hopkins University zusammen, um die Hypothese zu testen. Hier haben wir Froscheier, Eizellen des Krallenfroschs Xenopus laevis. Links befindet sich eine Kontroll-Eizelle, und rechts befindet sich eine Eizelle, der zwei Nanogramm der komplementären RNA für unser neues Protein injiziert wurden. Die Idee besteht darin, dass die RNA, wenn es sich um einen Kanal handelt, ein Protein kodieren wird, das in die Membran integriert wird, und dass dann die Testzelle osmotisch aktiv sein sollte – und genau das stellten wir fest. Hier in einem isotonischen Nährmedium gibt es keinen Unterschied. Wenn die Test-Eizelle in ein hypotonisches Medium überführt wird, schwillt sie sehr schnell an und explodiert. Dies bewirkte großen Jubel im Labor. Ich glaube – und jeder Wissenschaftler weiß es –, dass etwas Neues zu entdecken, die Quelle unserer Freude ist und dasjenige, was uns antreibt. Ich muss Ihnen die Wahrheit sagen. Das ist ein Foto von Greg Preston, einem Postdoktoranden, der einige dieser frühen Untersuchungen durchführte. Ich nahm dieses Foto von Greg drei Jahre nach unserem ersten Bericht auf, und er feierte immer noch. Daher weiß ich, dass wir nicht wie andere Menschen sind. Unsere Belohnungen sind nicht finanzieller Natur. Sie sind häufig intellektueller Natur, aber sie sind intensiv, und das ist es, wonach wir wirklich streben sollten. Dieses Ergebnis rief sehr viel mehr Interesse an unserem Labor hervor, als uns jemals zuvor entgegengebracht wurde. Aus dem gesamten Land, aus der ganzen Welt erhielten wir Nachfragen nach unserem Plasmid. Andere hatten versucht, den Wasserkanal zu identifizieren, und wir hatten ihn. Daher mussten wir uns unseren Weg sehr vorsichtig und sorgfältig suchen. Wie kann man als kleines Labor mit den großen Laboren wetteifern? Die Antwort lautet: indem man mit intelligenten, wohlmeinenden Kollegen zusammenarbeitet. Dies verhalf uns zu großem, sehr großem Erfolg. Zuerst schlossen wir uns mit dieser Gruppe zusammen, um die Struktur aufzuklären. Links ist Yoshinori Fujiyoshi von der Universität Kyoto, und rechts ist Andreas Engel von der Universität Basel. Sie sind Pioniere in der Technik der Kristallografie von Membranen. Zusammen lösten wir die Struktur in drei Dimensionen. Wir zeigten, dass der Kanal, wie im linken Feld dargestellt, eine einzelne Pore besitzt, von oben nach unten, und im rechten Feld und im Querschnitt kann man erkennen, dass es einige wesentliche Stoffreste gibt, die die Pore auskleiden. Diese Stoffreste erklären die Funktion des Proteins. Nur ganz kurz: Im oberen Vorraum dieses Kanals, den wir aufgrund der entgegengesetzten Symmetrie als Sanduhr bezeichnen, haben wir oben eine „water in bulk“-Lösung. Die Wasserstoffbindungen zwischen diesen Molekülen bewirken, dass das Wasser nicht mehr flüssig ist. Eine „water in bulk“-Lösung im interzellularen Vorraum – aber beachten Sie eine Spanne von 20 Å im Zentrum. Dort wird das Wasser im Gänsemarsch weitertransportiert, trifft auf Barrieren und blockiert dadurch die Bewegung von Protonen, geladenen gelösten Stoffen und anderen gelösten Stoffen. Es handelt sich folglich um einen wasser-selektiven Kanal, der eine schnelle Fortbewegung des Wassers erlaubt. Dies wurde durch Simulationen der Membrandynamiken aufgeklärt, die hier in Deutschland von Helmut Grubmüller und Bert de Groot und in den USA von Claus Shilton und seiner Gruppe durchgeführt wurden. Alle Forscher stimmen im Großen und Ganzen darin überein, dass dieser Kanal erklärt, wie das Wasser die Membranen passiert. Damit erhalten wir einen Einblick in die Bildung und Reabsorption biologischer Flüssigkeiten. Dieses Modell wurde von David Kozono während seiner Studienzeit bei uns erarbeitet. Gene kommen häufig in Genfamilien vor. Die Aquaporine, wie wir sie genannt haben, haben 13 verschiedene Homologe im menschlichen Genom, aber Hunderte verschiedener Homologe, wenn man die anderen Lebensformen mit einbezieht, da jede Lebensform mindestens ein Aquaporin besitzt. Das menschliche Repertoire enthält Aquaporin 1, das Sie oben rechts sehen können und das Gegenstand unserer ersten Entdeckung war, und einige andere, die in verschiedenen Geweben exprimiert werden und für einen Wassertransport mit einer bestimmten biologischen Funktion sorgen. Unten sind einige eng verwandte Kanalproteine dargestellt, die von uns als Aquaglyceroporine bezeichnet werden und die Bewegung von Wasser durch Glycerol ermöglichen. In diesem menschlichen Repertoire habe ich die zwei Mitglieder von E. coli hervorgehoben: AqpZ links und GlpF unten rechts, die den Transport von Wasser und Glycerol in E. coli möglich machen. Wie Sie sehen können, unterscheiden sie sich zwar voneinander, sie sind jedoch eng miteinander verwandt. Ich werde Ihnen also ein bisschen über AQP1 erzählen und ich denke, Sie haben bereits erkannt, dass sich ein Teil meiner Geschichte nicht nur um die Wissenschaft, sondern auch um das Facebook der Wissenschaft, meine Freunde und Kollegen, dreht. Ich werde jeden kurz vorstellen. Um das Protein in der Niere zu lokalisieren, arbeiteten wir mit Sören Nielsen von der Universität Aarhus zusammen. Ist hier irgend jemand aus Aarhus? Ja, sehr schön, zumindest einer. Halten Sie nach Sören Ausschau. Sören ist ein Pionier. Als er diese Untersuchungen durchführte, war er ein junger Mann – 29 Jahre alt. Mit großer Präzision lokalisierte er das Protein im proximalen Nephron. In dem Modell links können Sie ein individuelles Nephron der Niere sehen, wobei jede Niere über Millionen Nephrone verfügt. Im Glomerulus, an der Stelle, an der die Filtration stattfindet, passiert der Primärharn das proximale Nephron, das in hohem Maße wasserdurchlässig ist. Wie hier in dieser dünnen Schicht gezeigt ist, die mit einem bestimmten Antikörper für AQP1 gefärbt wurde, stellt die goldene Farbe die spezifische Anwesenheit des Aquaporins sowohl im Lumen, das diesen mit P markierten Raum umgibt, als auch in den lateralen und basalen Membranen dar. In dem mit C bezeichneten Sammelrohr ist es nicht präsent. Dazu werde ich gleich etwas sagen. Dies erklärt also, auf welche Art und Weise Wasser aus dem Primärharn in den Tubuli auf die apikale Seite und dann durch die laterale oder basale Seite heraustransportiert wird und sich dabei vom Harn durch Zytoplasma und Interstitium bewegt. Jeden Tag filtern unsere Nieren in schneller Abfolge 180 Liter Plasma, wobei dies selbstverständlich immer und immer wieder dasselbe Plasma ist. Diese 180 Liter werden durch die Reabsorption des Wassers durch die Aquaporine auf einen Liter Harn konzentriert. Defekte in den Aquaporinen führen zu klinischen Problemen, von denen ich Ihnen kurz einige nennen werde. Auf diesem Schnappschuss – den ich Ihnen, wie ich betonen möchte, mit ihrer Erlaubnis zeige – sehen Sie links in der Mitte eine pensionierte Schullehrerin aus Südfrankreich, bei der wir einen genetischen Defekt identifizierten, der es ihr unmöglich machte, das AQP1-Protein zu synthetisieren. Wir konnten sie identifizieren, da die Oberfläche des AQP1 ein seltenes Blutgruppen-Antigen aufweist. Indem wir mit den Wissenschaftlern, die Blutgruppen erforschten, zusammenarbeiteten, konnten wir diese seltenen Fälle identifizieren und untersuchen. Wir brachten sie an die Johns Hopkins University, wo diese beiden anderen, der hochgewachsene Herr hier namens Landon King, ein Lungenarzt an dieser Universität, und Melanie Bonhivers, eine französischsprachige Postdoktorandin, die klinische Bedeutung von AQP1 nachwiesen. Kurz gesagt: Es stellte sich heraus, dass AQP1 sehr wichtig für die abschließenden Konzentration des Harns ist. Auf dem Bild rechts sehen Sie die Harnkonzentration von 15 normalen Kontrollpersonen, nachdem diese über die Nacht nichts getrunken hatten. Wir gehen abends ins Bett, schlafen, wenn wir Glück haben, die Nacht über durch und wachen morgens auf. Dann haben wir über sieben oder acht Stunden kein Wasser zu uns genommen. Unsere Körper reagieren darauf, indem sie den Harn konzentrieren. Folglich geben wir keinen verdünnten Harn ab, wenn wir nichts getrunken haben. Auf diese Art und Weise verhindern wir, dass wir dehydrieren. Normale Individuen können also ihren Harn bis zu einer Osmolarität von 1000 mOsm konzentrieren. Sie werden jedoch feststellen, dass diese beiden Individuen, die kein AQP1 bilden können und aus unterschiedlichen Familien mit unterschiedlichen genetischen Läsionen stammen, hier nicht weiterkommen. Sie können ein bisschen weiter als die isotonischen 280 mOsm bis zu ungefähr 400 mOsm konzentrieren, aber nur bis zu diesem Punkt und nicht weiter. Wenn wir diesen Leuten weiterhin nichts zu trinken geben, und wir haben dies in sehr vorsichtigen Versuchen getan, zeigt sich, dass sie nicht über 400 mOsm hinausgehen können. Wenn diese Menschen sich also in einem Umfeld befinden, in dem Wasser nur eingeschränkt zur Verfügung steht, in einer Wüste oder in einem Pflegeheim, wo das Personal nicht aufmerksam ist, dann werden sie natürlich dehydrieren, da sie trotz einer drohender Dehydrierung verdünnten Harn abgeben. Es handelt sich also um einen signifikanten Phänotyp. Wir bezeichnen dies als milden nephrogenen Diabetes insipidus, da die Betroffenen ihn bei uneingeschränkter Versorgung mit Wasser ausgleichen können. Auf diese Entdeckung eines neuen Proteins von ziemlicher Bedeutung folgte nun ein Wettrennen, wie dies in der Biologie aufgrund des Interesses anderer Wissenschaftler häufig der Fall ist. Das macht Wissenschaft wirklich spannend – die Dinge können sich so schnell weiterentwickeln. Durch Homologie klonten Fushimi und seine Kollegen ein Homolog aus dem renalen Sammelrohr. Wie Sie auf der Abbildung erkennen können, stellt das Sammelrohr den letzten Teil der Niere dar, wo, wie man weiß, der durch Vasopressin regulierte Wassertransport stattfindet. Kurz gesagt, das AQP2-Protein, das oben links durch eine Immun-Gold-Färbung angezeigt wird, befindet sich normalerweise in den intrazellulären Vesikeln. In Reaktion auf Vasopressin – ein Nervenhormon, das bei Durst von der Hypophyse freigesetzt wird – wird das Protein jedoch auf die Zelloberfläche versetzt. Wenn Sie einen Blick auf das Bild links oben werfen, sehen Sie das AQP2 im intrazellulären Bereich, und wenn Sie sich das Bild unten links anschauen, bei dem Vasopressin präsent ist, dann sehen Sie, dass sich das AQP2 nun auf der Zelloberfläche befindet. Damit lässt sich die Wasserregulierung erklären. In unserem Leben passiert dies häufig. Wenn Sie nachmittags in der warmen Sonne eine lange Strecke joggen, dann wird Ihnen Wasser entzogen und Sie konzentrieren Ihren Harn bis zur maximalen Konzentration. Das geschieht, weil Vasopressin freigesetzt wird. Hier haben wir also den antidiuretischen Zustand. Wenn Sie sich in diesem Fall Ihre Nieren anschauen könnten, dann würden sie dem Bild oben links entsprechen. Wenn Sie sich hingegen vorstellen, dass Sie einen ruhigen Abend verbracht und einiges an Flüssigkeit, vielleicht einen Liter Bier, zu sich genommen haben, dann befinden Sie sich im diuretischen Zustand und Ihre Nieren würden dem folgenden Bild entsprechen – bitte entschuldigen Sie, ich habe mich versprochen, der antidiuretische Zustand ist unten und der diuretische Zustand ist oben dargestellt. In diesem Fall kann es nicht zur Reabsorption von Wasser kommen, folglich geben wir verdünnten Harn ab. Bitte entschuldigen Sie meinen Versprecher. Nun gibt es in diesem Mechanismus erbliche Defekte. Die Defekte in dem Gen, das AQP2 kodiert, führen zu einer tiefgreifenden und schweren Form eines Defekts der Harnkonzentration in den Nieren, der als nephrogener Diabetes insipidus bezeichnet wird. Diese Kinder können ihren Harn nicht konzentrieren und geben mindestens 20 Liter Harn pro Tag ab, Sie müssen mindestens diese Menge trinken, um den Flüssigkeitsstatus ihres Körpers aufrechtzuerhalten. Dieser Defekt ist demnach ziemlich schwerwiegend, glücklicherweise jedoch recht selten. Erworbene Defekte des AQP2-Mechanismus sind hingegen sehr häufig. Eine überhöhte Synthese dieses Proteins tritt bei Herzinsuffizienz auf, bei der die Patienten zuviel Flüssigkeit speichern. Defekte bei der Expression finden sich bei verbreiteten Zuständen wie etwa dem Bettnässen. Jene Kleinkinder, die in ihr Bett nässen und ihren Eltern dadurch viel Kummer bereiten, tun dies, weil sie im Kindesalter vorübergehend ihr AQP2 nicht ausreichend exprimieren und daher ihren Harn nicht konzentrieren können. Sie entwachsen diesem Zustand, aber dennoch unterstreichen diese Probleme die Allgegenwärtigkeit und die Bedeutung dieses Proteins. Es gibt noch weitere Mitglieder dieser Familie, über die ich hier kurz sprechen werde. Das Gehirn-Aquaporin, AQP4, an dem wir mit unserem Freund in Oslo, Ole Petter Ottersen, und seinem Team forschten, liegt im Gehirn in einer sehr interessanten Verteilung vor, denn unsere Neuronen im Gehirn reagieren sehr empfindlich auf Änderungen das osmotische Ungleichgewicht. Sie werden von Astroglia-Zellen geschützt. Somit sind die Kapillargefäße des Gehirns – ich zeige einfach nur hinter mich – von Astroglia-Endfüßchen umgeben. An dieser Stelle befindet sich die sogenannte Blut-Hirn-Schranke. Auf dem Weg vom Blut zum Hirn bewegt sich die Flüssigkeit durch die Astroglia-Endfüßchen. Die Immun-Gold-Färbung zeigt die große Menge an AQP4-Protein an der Blut-Hirn-Schranke an. Dies erweist sich natürlich bei klinischen Problemen wie beispielsweise Ödemen als sehr wichtig. Ein Schlaganfall ist die zweithäufigste Todesursache in Westeuropa und in den USA, und häufig erliegen viele nicht dem primären Schlaganfall selbst, sondern der darauf folgenden Hirnschwellung. Folglich ist die Behandlung von Gehirnödemen von entscheidender Bedeutung für den Erfolg neurochirurgischer Verfahren nach Schlaganfällen und geschlossenen Kopfverletzungen. Die Anwesenheit dieses Proteins erklärt dies. Eine Studie, die von Mahmood Amiry an der Universität von Oslo und in Zusammenarbeit mit unserem Team an der Johns Hopkins University durchgeführt wurde, zeigt, dass normale Mäuse tatsächlich anfällig für Gehirnverletzungen sind. Wenn man sich die Färbung eines Querschnitts ansieht, sieht man, dass im Gehirn einer normalen Maus, im Vergleich zu einer mutierten Maus mit einem Defekt an der Stelle des AQP4-Proteins, ein signifikanter Anteil sehr hell ist, was auf abgestorbenes und durch Infarkt zerstörtes Gewebe hinweist. Das ist seltsam, finden Sie nicht auch? Eine Mutation wirkt als Schutz. Warum haben nicht alle Mäuse diese Mutation? Die Antwort lautet, dass das Vorhandensein dieses Proteins auch für die Homöostase der Gehirnflüssigkeit wichtig ist. Während mutierte Mäuse vor Kopfverletzungen geschützt sind, leiden sie andererseits an epileptischen Anfällen. Es wird also nur das eine gegen das andere ausgetauscht. Dennoch lässt uns der Schutz, den die Hemmung dieses Proteins gewährt, hoffen, dass pharmakologische Hemmstoffe entwickelt werden können, um die Folgen von Gehirnödemen zu verhindern oder zu lindern. Ich werde nun noch schnell einige andere Mitglieder der Familie durchgehen. AQP5-Proteine aus den sekretorischen Drüsen finden sich in den Schweißdrüsen, den Speicheldrüsen, den sekretorischen Drüsen der Lungenflüssigkeit und sind wichtig für die Bildung dieser Flüssigkeiten. Hier rechts haben wir Bilder aus einer Studie zur Wildform einer Maus. Jeder blaue Punkt stellt eine funktionelle Schweißdrüse dar. Rechts sehen wir eine mutierte Maus, die von Anil Menom und seinem Team in Cincinnati gezüchtet wurde. Diese mutierte Maus besitzt Schweißdrüsen, aber sie zeigen eine Unterfunktion. Aufgrund dessen ist die Maus anfällig für Unterkühlung. Natürlich sind Mäuse ziemlich resistent, da sie im kühlen Schatten leben. Menschen jedoch benötigen eine Verminderung der Schweißproduktion, um ihre Körpertemperatur in hypothermischen Umgebungen aufrechtzuerhalten. Ich werde Ihnen rasch etwas über die Aquaglyceroporine erzählen. Sie sind eng mit den Aquaporinen verwandt. Dieses Dia habe ich von Bing Yap von der University of California ausgeliehen, der die Stoffreste, die die Auskleidung der Pore eines Wasserkanals bilden und die hier dunkel schattiert sind, und jene in einem Glycerol-Kanal miteinander abglich. Wie Sie sehen, sind einige Reste perfekt erhalten, wie das Arginin oben, wohingegen im Wasserkanal ein Cystein vorliegt, das in dem Glycerol-Kanal durch ein Phenylalanin ersetzt wird. Der Unterschied in der Masse der C-Kette, die verglichen mit dem Glycin im Glycerol-Kanal im Wasserkanal vorliegt, ist das Histidin. Dies erklärt, wie der Glycerol-Kanal die Pore öffnen kann, um das größere 3-Kohlenstoff-Polyol passieren zu lassen. Folglich gibt es strukturelle Erklärungen für die Art und Weise, wie diese Dinge funktionieren. Ich habe einige Jahre lang als Arzt gearbeitet und hatte nicht ein einziges Mal in Erwägung gezogen, dass der Prozess des Glycerol-Transports von Bedeutung sein könnte. Wie sich herausstellte, ist dieser Prozess jedoch ziemlich wichtig für die Versorgung der Haut. Dieses Dia, das von Johan Agren aus Uppsala während seines Sabbatjahrs bei uns angefertigt wurde, zeigt die starke Exprimierung von AQP3, Aquaglyceroporin 3, in der Basalschicht der Haut von Mäusen vor und nach der Geburt. Es dauerte nicht lange, bis die Kosmetikindustrie sich dafür interessierte. Vor ein paar Jahren, ein paar Sommern, erhielt ich Besuch von drei Führungskräften des Christian Dior-Konzerns. Üblicherweise bekomme ich keinen Besuch vom Christian Dior-Konzern und war daher ein wenig misstrauisch. Tatsächlich hat diese Firma ein Produkt auf dem Markt, das sie Ihnen verkaufen möchte. Sie können dieses Produkt im Duty Free-Shop bekommen, es ist sehr teuer, eine Hydro-Action-Hautcreme. Ein Tiegel mit 50 Gramm kostet 50 EUR. Ich sollte erwähnen, dass ich keinerlei Finanzbeziehungen zu Christian Dior unterhalte. Ich hätte sehr gerne Finanzbeziehungen zu Christian Dior – aber zu Bedingungen, die ich hätte akzeptieren können, wurden mir keine angeboten. Dennoch handelt es sich hier um die Kosmetikindustrie und nicht um die Arzneimittelentwicklung. Ihre Chemiker haben einige kleine Moleküle identifiziert, die zu einem geringfügigen Anstieg der Expression des Aquaglyceroporin 3 in der Haut führen. Dies bedeutet, dass man – verwendet man genug davon – so aussehen wird. Ich weiß nicht, ob das einen Beweis darstellt. Aber der Käufer möge vorsichtig sein. Das hier habe ich tatsächlich mitgehen lassen. Es ist die Rückseite des Beauty-Magazins Marie Claire, das ich mir in Paris in der Business Lounge ausgeliehen habe. Diejenigen von Ihnen, die Französisch lesen können, werden sehen, dass hier einige kühne Behauptungen aufgestellt werden: umfassende Hydration, spektakuläre Ergebnisse, und hier, ganz unten, steht „Nobelpreis für Chemie“. Ich zeigte es meiner Mutter, und sie lächelte und sagte: Vielen Dank – wenn ich meine Mutter das nächste Mal sehe, werde ich ihr erzählen, dass Ihnen das gefallen hat. Ich dachte, sie scherze, aber man weiß nie – unsere Mütter kennen uns besser, als wir uns selbst kennen. Durch die Aquaglyceroporin 3-Studien haben wir jedoch einige nützliche Informationen erhalten. Dies liegt daran, dass der Transport von Glycerol in rote Blutkörperchen zwar von wahrscheinlich untergeordneter physiologischer Bedeutung ist, aber auch den Mechanismus des Glyceroltransports in rote Blutkörperchen bei der Pathogenese der Malaria darstellt. Das Thema Malaria werde ich hier nicht ausführlich erörtern, da ich davon bereits gestern Abend gesprochen habe. Jedoch kann dieser interzelluläre Parasit sehr schnell Glycolipide synthetisieren. Durch die Aquaglyceroporine tritt Glycerol ein, und der Parasit teilt sich und verdaut das Hämoglobin. Wie ganz rechts zu sehen ist, kann innerhalb von zwei Tagen aus einem Parasit eine Vielzahl von Parasiten werden. Diese Vermehrung ist selbstverständlich die Ursache für die furchtbaren Fieberanfälle der Malaria, die jährlich das Leben mehrerer Hunderttausend Kinder fordern. Stoffe, die die Aquaglyceroporine hemmen, könnten bei der Therapie eine Rolle spielen. Wir sind uns nicht sicher, aber wir forschen daran. Und natürlich haben die Moskitos selbst ein Problem mit dem Wassertransport. Wenn die Anopheles-Mücken uns stechen, dann tun sie das deshalb, weil die Flüssigkeit, das Hämoglobin aus dem Blut für die Entwicklung der Eier benötigt wird. Wenn sie jedoch eine solch große Menge aufnehmen, müssen sie Flüssigkeit abgeben, um fliegen zu können, und diese geben sie über die Malpighischen Gefäße am hinteren Ende der Mücke ab. Am einen Ende wird Blut aufgenommen, am anderen Ende wird Flüssigkeit abgegeben, und daran sind Aquaglyceroporine beteiligt – glauben Sie mir. Es gibt zwei weitere, die ich kurz erwähnen werde. Aquaglyceroporin 7 findet sich im Fett und ist beteiligt an der Freisetzung von Glycerol aus Fett, die in Reaktion auf eine Aushungerung des Körpers stattfindet. Aquaglyceroporin 9 liegt in der Leber vor und ist an der Aufnahme von Glycerol durch die Leber beteiligt, um in Hungerszeiten das Glycerol wieder zu Glucose umzuwandeln. Dies ist die Forschungsarbeit von Jenn Carbrey. Diese Ergebnisse haben eine unvorhergesehene und wichtige Implikation, denn dieser Mechanismus ist auch der Mechanismus für die Abgabe von Arsenolith, wobei ich auf dessen Chemie nicht näher eingehen werde. Ph-neutrales Arsenolith, Arsen(III)-oxid, ist ungeladen und muss Glycerol ähnlich sein. Die Fähigkeit unseres Körpers, Arsen abzugeben, ist Aquaglyceroporin 9 zu verdanken. Darauf werde ich hier jedoch nicht eingehen. Auch Pflanzen besitzen Aquaporine. Rechts sehen Sie Schaumkresse im Wildtyp, links eine Schaumkresse, die so manipuliert wurde, dass sie Aquaporine in den kleinen Wurzeln unterexprimiert. Sie kann dies kompensieren, indem sie übermäßig viele kleine Wurzeln wachsen lässt. Damit werde ich zum Schluss kommen. Es gibt eine Liste, die ich Ihnen, wenn Sie interessiert sind, zeigen könnte, und die alle klinischen Krankheitsbilder umfasst, bei denen Aquaporine eine Rolle spielen – und es wird noch mehr geben. Ich möchte Ihnen ein Bild meines Labors zeigen, das an dem Morgen aufgenommen wurde, als ich einen Anruf von einigen sehr netten Menschen aus Schweden erhielt, die mich darüber informierten, dass ich mir den Nobelpreis teilen würde. Als meine Frau Mary dies am frühen Morgen hörte, rief sie meine Mutter in Minnesota an und weckte sie, um ihr mitzuteilen, dass ich mir den Nobelpreis für Chemie teilen würde. Meine Mutter dachte einen Moment lang nach und sagte dann: aber dass es wichtiger ist, etwas Sinnvolles zu tun. Aber es gab eine große Feier, an der selbst die örtliche Wein- und Spirituosenhandlung beteiligt war. Daraus zu schließen, dass ich ihr bester Kunde war, ist eine Riesenübertreibung. Hier aber sind wir auf der Bühne in Stockholm, und den jungen Leuten hier möchte ich klarmachen, dass es um zwei Preise geht. Einmal geht es um den Nobelpreis, eine schöne Medaille, und mit jeder möglichen Ähnlichkeit, die ich einmal mit Alfred Nobel gehabt hatte, war es vorbei, als ich mir den Schnurrbart abschneiden ließ. Der andere Preis sind die Menschen um mich herum, meine Familie. Wir alle haben Menschen, die uns anfeuern, unsere Freunde, unsere Familien, die Menschen, die wir lieben und die uns etwas bedeuten, die uns bei unserer Arbeit antreiben und ermutigen. Wir dürfen nicht vergessen, ihnen für das zu danken, was sie für uns getan haben. Lassen Sie mich also zum Schluss den jungen Leuten Glück für ihre Karriere wünschen. Ich hoffe, dass Sie, wenn Sie mein Alter erreichen – ich bin 62, und diese Zeit wird früher kommen, als Sie darauf vorbereitet sind –, zurückblicken und sich sagen werden, meine Laufbahn hat mir Spaß gemacht. Ich hatte eine großartige Zeit. Ich wünsche Ihnen alles Gute. Vielen Dank.


The aquaporin water channel proteins confer high water permeability to biological membranes. Discovered in human red cells, AQP1 has been thoroughly characterized biophysically, and the atomic structure of AQP1 has been elucidated. Twelve homologous proteins have been identified in humans. These are selectively permeated by water (aquaporins) or water plus glycerol (aquaglyceroporins). The sites of expression predict the clinical phenotypes. Individuals lacking Colton blood group antigens have mutations in the AQP1 gene. When deprived of water, AQP1-null individuals exhibit a defect in urine concentration and a marked reduction in fluid exchange from lung capillaries. AQP1 is expressed in multiple tissues where physiologically important fluid secretion is known to occur including cerebrospinal fluid in brain and aqueous humor in eye. AQP2 is expressed in renal collecting duct principal cells where membrane trafficking is regulated by vasopressin. Mutations in the human AQP2 gene result in nephrogenic diabetes insipidus, but too little AQP2 expression is found in clinical disorders of urinary concentration, such as lithium therapy and bed wetting. Too much AQP2 expression is found in disorders of fluid retention, such as congestive heart failure and pregnancy. AQP0 is expressed in lens fiber cells and mutations result in familial cataracts. AQP5 is expressed in the apical membranes of salivary and lacrimal glands and sweat glands, and mistargetting may occur in some patients with Sjogren’s syndrome. Aquaporins have been implicated in other human clinical disorders such as brain edema, epilepsy, neuromyelitis optica (AQP4), anhidrosis (AQP5) renal tubular acidosis (AQP6). Aquaglyceroporins have been implicated in malaria, skin hydration (AQP3), glucose homeostasis during starvation and protection against arsenic poisoning (AQP7 and AQP9). Aquaporins are known to protect micro-organisms from freezing and osmotic shock. Plant aquaporins are involved in numerous processes including the uptake of water by rootlets and carbon dioxide by leaves. The physiological roles of aquaporin homologs are being pursued by multiple laboratories worldwide.