「アクアポリン」の版間の差分

DOI：<selfdoi />　原稿受付日：2015年9月24日　原稿完成日：2015年月日<br>

| image = Aquaporin-Sideview.png

　1988年、米国ジョンズ・ホプキンス大学のPeter Agre教授の研究グループは、[[ヒト]]の赤血球から単離した28kDaの細胞[[膜タンパク質]]が種を超えて[[ラット]][[腎臓]]や赤血球にも発現する新しいタンパク質であることを報告（CHIP28）<ref name=ref1><pubmed>   3049610</pubmed></ref>。その後、そのタンパク質を阻害することで細胞の水の透過性が抑制される事、水銀によってその効果が制御できることから、選択的に水を通す水チャンネルであることが報告され、後にアクアポリン(水の穴)（Aquaporin: AQP）と呼ばれるようになった<ref name=ref2><pubmed>1373524</pubmed></ref>。赤血球が、細い毛細血管レベルまで形態を自在に変えて循環することが出来るのは、AQP(AQP1)による水移動による形態変化が深く関わっている。AQPは、ほぼ全ての生命体に発現し細胞内外の浸透圧勾配によって水を特異的に移動させる他、尿細管における尿再吸収や唾液腺等でのホルモン[[分泌]]等の体内外のあらゆるダイナミックな水移動に関わるとともに、近年は麻酔薬や様々な薬剤の作用機序に関わる可能性が示唆される等、多くの生命維持に不可欠なタンパク質であることが解ってきている<ref name=ref3><pubmed>8987045</pubmed></ref>。多くの功績により、2003年Peter Agreはノーベル化学賞を受賞している。

　中枢神経系には、主にAQP1、AQP4、AQP9が発現することが知られ、特にAQP4は中枢神経系で最も発現量が多いとされ、主にアストロサイトに発現して生理学的には脳内外の水輸送や細胞接着、代謝、情報伝達等に関わることから、「脳のアクアポリン」とも言われている<ref name=ref4><pubmed>23481483</pubmed></ref>。近年、特に中枢神経系におけるAQP4の詳細な検討により、脳浮腫の制御機構や脳独自の水代謝機構が明らかにされたほか、AQP4を標的とする抗AQP4抗体による自己[[免疫]]疾患が発見されるなど、脳における水の理解は進んでいる。

　AQPは、250～350個程度のアミノ酸残基から構成され分子量は約28k～30kDa前後である。AQPの分子構造はN末端とC末端は細胞内に位置し、6回膜貫通型であるため5つのループを形成し、3つの細胞外ドメイン（ループA、C、E）と2つの細胞内ドメイン（ループB、D）を有する(図1A)。ループBとループEには、アスパラギン-[[プロリン]]-アラニンが配列するNPAモチーフと呼ばれる脂質二重膜に入りこむ特殊構造が存在し、細胞膜上で立体構造を呈するとそれぞれのNPAモチーフが顔を合わせるように近接し小さな水の通路を形成する(図1B)。ちょうど砂時計のように水分子（2.8Å）を一つ一つ通すことのできる小孔（直径2.8Å）を形成しており、それより大きな[[イオン]]分子等が透過できない構造になっている。また、小孔には[[アルギニン]]制限領域を有する狭い疎水性溶質に対する壁が存在し、プロトン分子や他の陽イオンを阻害する領域も存在している。また、NPAモチーフの近傍にはAQP1等では水銀が結合するCys（AQP1ではCys 189、AQP4ではCys 178）領域が存在し、水銀が結合することにより水分子が通過できなくなる事が知られている(図1C)<ref name=ref5><pubmed>19850109</pubmed></ref>。

　AQPは、基本的には四量体を形成して細胞膜に発現しており(図1D)、更に集合することにより直行格子状配列（orthogonal arrays of particles：OAP）を採ることが知られている<ref name=ref6><pubmed>10698922</pubmed></ref>。電子顕微鏡を用いた凍結割断法により、1970年代からアストロサイトの細胞膜上や他組織に格子状配列を呈する格子状構造があること<ref name=ref7><pubmed>4809245</pubmed></ref><ref name=ref8 />、[[脳室]]周囲器官やてんかんモデル等の神経病態において格子状構造が増減することは古くから知られていたが<ref name=ref8><pubmed>7214478</pubmed></ref> <ref name=ref9><pubmed>6705745</pubmed></ref>、Peter Agreらによって1993年にアクアポリンが発見され、この特異な細胞膜タンパク質の正体がアクアポリンであることが判明した<ref name=ref2 />。1970年代に電顕像で見られた格子状構造は、正に脳室周囲器官に豊富に発現するAQPや神経病態で反応性に増加したアストロサイトに発現するAQP4を見ていたとものと考えられる。

　[[哺乳動物]]においては、現在AQP0からAQP12までの13種類のAQPサブファミリーが知られており、水分子を選択的に通すものと、グリセロール等かなり選択性が緩いアクアグリセロポリンに大別される（表1）。

　さらに、AQPにはそれぞれアイソフォームが存在する。例えば、AQP4には古典的な2種類のアイソフォームがあり、AQP4の本来の転写開始領域である1番目のメチオニンよりなる長いM1(323アミノ酸)と、23番目のメチオニンから[[翻訳]]される短いM23(301アミノ酸)が存在する。それぞれ同様の水チャネル機能を有しているが、M23はM1と比較して四量体同士が接着して大きな格子状配列を呈する能力が優れていることが報告されている。すなわち、四量体でもM23のみであれば格子状配列がより大きく形成されるのに対して、M1とM23のヘテロ四量体では格子状配列の形成がより小さくなり、M1のホモ四量体では基本的に格子状構造を取らずに細胞膜上に別々に存在すると考えられている<ref name=ref28><pubmed>18179769</pubmed></ref>。

　格子状配列を形成する際には、初めからM23によってのみ形成が開始されることが知られており、逆にN末端にM1が存在することによって格子状配列の形成は抑制されることが知られている。これはN末端のパルミトイル基が深く関わっており、13番と17番のシステイン残基を変異させることにより、M1による抑制効果は失われOAPの形成が促される<ref name=ref28 />。

　AQP発見の発端となったAQP1は全身を巡る赤血球や血管内皮に広く発現が知られているが、中枢神経系においては血管内皮には発現せずに、特に齧歯類では脈絡叢に選択的に発現しており、髄液産生に重要な役割を担っていることが知られている<ref name=ref14 />。AQP1は、脳血管内皮の培養系や悪性脳腫瘍において発現することが報告されているが、アストロサイトとの共培養系では発現が低下することから、血管内皮とアストロサイト足突起の相互作用により低下することが示唆されている<ref name=ref15><pubmed>19610096</pubmed></ref>。

　AQP1は定常状態ではラットでは脈絡叢や脊髄後索の一部に発現するのみであるが、ヒト脳においては大脳[[白質]]や脊髄にも広範に発現することが報告されており、種による違いがあるものと推察される<ref name=ref16><pubmed>17645239</pubmed></ref> <ref name=ref17><pubmed>23579868</pubmed></ref>。脳外傷モデルにおいては、病的状態になって発現してきて水輸送に関わる事が報告されている<ref name=ref15 />。

　AQP9は、脳や[[肝臓]]、白血球にも発現することが知られ、水だけではなく尿素やグリセロール等広く透過することが知られ、アクアグリセロポリンの1つである。近年、[[視神経]]に発現しており病態に関与することが報告されている<ref name=ref18><pubmed>21919596</pubmed></ref>。

　ラットのアストロサイト培養系の検討では、AQP1、AQP2、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8、 AQP9、AQP11、AQP12と、従来考えられているより多くのAQPが中枢神経系に発現することが報告されている<ref name=ref19><pubmed>21119878</pubmed></ref> <ref name=ref20><pubmed>11376853</pubmed></ref>。これらのAQPの中枢神経系における機能は少しずつ解ってくると期待されるが、前述したAQP1に見るように培養系では[[mRNA]]レベルで確認されても細胞膜上に確認されない事もあり、また血管内皮とアストロサイト足突起の共存下で発現量が増減するものなど、その特性の違いが個々のAQPで異なることが想定される。

| AQP0

| 水晶体

| 白内障

| AQP1

| 腎、赤血球、血管、角膜、脈絡叢、肺、心、肝

| AQP2

| 腎、精巣

| 腎性尿崩症

| AQP3

| 腎、大腸、皮膚

| AQP4

| 脳、網膜、骨格筋、肺、胃、内耳、腎

| 視神経脊髄炎

| AQP5

| 涙腺、唾液腺、角膜、肺

| シェーグレン症候群

| AQP6

| AQP7

| 脂肪組織、腎、精巣

| グリセリン代謝異常

| AQP8

| AQP9

| AQP10

| 小腸

| AQP11

| 多発性嚢胞腎

| AQP12

| 膵

　通常は、AQP4は細胞膜上ではα-ジストログリカンやシントロフィンなどの膜タンパク質と共存している。筋ジストロフィーの原因遺伝子の1つであるαジストログリカン欠損マウスや[[細胞外マトリックス]]のアンカータンパク質であるシントロフィン欠損マウスではAQP4の発現も抑制されることが報告されており、これらの細胞膜タンパク質がAQP4の発現を制御していることが示唆されている。また、AQP4は[[カリウムチャネル]]（Kir4.1）とも近接して存在することが報告されている<ref name=ref27><pubmed>16257493</pubmed></ref>。カリウムは神経活動において放出される神経毒の1つであるが、シントロフィン欠損によりカリウム代謝が鈍化することが知られており、水移動とカリウム代謝には密接な関係があることが示唆されている。このAQP4に近接するKir4.1が、従来からNMOとの異同が問題となってきた[[多発性硬化症]]（MS）の自己抗体の標的抗原であることがLancetに報告され注目されたが、その後の追試では確定的な結論には至っていない。

　AQP4欠損マウスでは、通常状態は特に脳圧亢進などは起こらず僅かに脳の水分量が増加する程度の変化しか来さない。一部では[[正常圧水頭症]]と同様の変化を来すことが報告されている。一方、脳圧亢進状態や脳虚血などでは後述するように脳浮腫の程度に明らかな差があることが報告されている(表1)。

　近年、AQP4自体がアストロサイト足突起に発現するAQP4分子同士による細胞接着に関わっていると報告されてきたが<ref name=ref25 />、それを担うのは主に格子状構造に関連するM23であることが報告されている<ref name=ref29><pubmed>24515349</pubmed></ref>。一方、M1-AQP4はより動的であり、膜状ないし葉状仮足と呼ばれる足突起の発現に関与し、細胞の移動と接着に関与しているという。

　また、AQPは脳の代謝においても重要な役割を担うと考えられている。脳は古くから免疫学的特権部位として、脳だけは全身臓器に走る血管のような並走するリンパ組織を持たないと考えられ、ミクログリア等の独自の免疫システムは神経免疫学分野の大きなテーマでもある。これは、トレーサーを用いた研究において血管側ないし髄腔側から脳実質に入り込めない特権領域があることから考えられた概念である。今まで脳における代謝は主にアストロサイトが担うと考えられてきており、代表的な[[グルタミン酸]]などもEAAT2等のトランスポーターを介している。Virchow-Robin腔は、基本的には[[脳脊髄液]]と接し、脳実質側からアストロサイト足突起のアプローチを受け、AQP4を介して水や物質の移動に深く関わっている<ref name=ref30><pubmed>25165047</pubmed></ref>。  

　近年、髄液の流れから脳特有の代謝機構についてもアクアポリン4欠損マウスによる検討から様々な知見が得られている。大小様々なトレーサーを髄腔に投与すると、髄液の流れによって脳室側から脳実質へと入り込み傍静脈性に実質外へ流出することが解ったが、AQP4欠損マウスによってその流れが約70％抑えられることが解った。さらに、脳実質内に打ち込んだ水溶性[[アミロイド]]βが徐々に減衰していく現象において、AQP4欠損によって抑制される事が示された<ref name=ref31><pubmed>22896675</pubmed></ref>。このことから、AQP4を介したアストロサイトによる積極的な水輸送システムが、脳内における様々な分子の代謝に関わる事が示唆されている。この脳独自のシステムは、様々なトランスポーターが果す代謝とも独立したシステムとして、glymphatic system（脳リンパないし[[グリア]]-リンパ組織）と呼ばれている。このシステムでは、[[睡眠]]中には覚醒中の比較で60％も増大することで劇的に水を入れ替えことが報告され、よく眠ることが脳の老廃物を代謝することに繋がるとして注目されている<ref name=ref32><pubmed>23812703</pubmed></ref>。このシステムは、加齢とともに機能が低下することが報告されており、アミロイドβの代謝機能が低下することが、認知機能低下につながると報告されている<ref name=ref33><pubmed>25204284</pubmed></ref>。

　近年、アストロサイトによる水輸送の本幹となるタンパク質として、主にAQP4欠損マウスを用いた病態研究により、脳浮腫や脳腫瘍等の分野で注目され報告がなされている。また、変性疾患や[[精神疾患]]等、多種多様な神経疾患で水に注目されるようになり、また脳からの代謝経路としての「水」が注目されている。一方で、AQP4欠損マウスの検討では、実際にはAQP4自体の欠損による病態変化であるのか、共発現する他のタンパク質の変化が関わるのか結論の出ていない問題も多い。また、実際にヒトの疾患におけるAQP4の検討は少なく、未だにAQP4を標的とした治療がどこまで可能であるかは議論の余地が残されている。近年、AQP4は19世紀から存在し多発性硬化症との異同が議論されてきた視神経脊髄炎(別名デビック病)における標的抗原であることが明らかとなり、AQP4が中枢神経系で果たす役割が精力的に研究されており、その理解が高まっている。

　脳浮腫は、脳梗塞や脳出血、脳腫瘍、脳炎や、虚血性や肝性、腎性の多くの代謝性脳症などで見られ、生命予後に直結する重大な病態である。アストロサイトや[[脳神経]]細胞の著しい膨張を中心とした病理を呈し、主に血管の破綻を伴わない細胞浮腫を特徴とする細胞性浮腫と、主に血液能関門の破綻を伴う血管性浮腫に分類されている。進行すると脳ヘルニアを来たし死に至る。近年のAQPの発見により、脳浮腫の病態にAQP4が密接に関わっていることが示唆されており、特にAQP4欠損は細胞性浮腫の軽減に効果がある反面、血管性浮腫を増悪させるジレンマが有る事が示唆されている。これらの研究では、血中が相対的に低浸透圧になることで水がAQP4を介して神経系へと流れやすく細胞傷害性浮腫を来すと考えられているなど、全身と神経系の水[[バランス]]が影響している。また、血液脳関門（[[BBB]]）の破綻を呈する脳腫瘍、脳膿瘍、てんかんなどのモデルにおいては、AQP4欠損によって脳浮腫が増悪することが報告されている。これは、BBBの破綻があるため血管性浮腫を呈し、水はAQP4を介さずに細胞外に浮腫を増すことにより、AQP4による排液が出来ないことが却って悪化を招くためと考えられている。脳梗塞によるヒト脳でのAQP4の発現の検討では、AQP4の発現は虚血巣より末端で強く発現しており、特にアストロサイトの足突起に発現し、[[軟膜]]や軟膜下の発現も虚血巣近傍でより強く発現しており、AQP4の発現が浮腫に関連していると報告されている<ref name=ref34><pubmed>  12715185</pubmed></ref>。また、AQP4欠損マウスの検討で、一割弱に重度の閉塞性の水頭症を来したとする検討がなされている<ref name=ref35><pubmed>18951529</pubmed></ref>。一方、交通性水頭症モデルにおいて、脳室周囲のAQP4と髄液量に相関を示したとの報告もあり、いずれにせよAQP4と脳内髄液産生の関連が注目されている。

　一方、同じグループが作成したモデルにおいて、凍結創モデルによる血管性浮腫モデルにおいてAQP4欠損マウスは著明な増悪を示し、脳圧が2倍程度上昇し浮腫が悪化することが示された。メラノーマ移植による脳腫瘍モデルにおいて、AQP4欠損マウスにおいては、やはり2倍程度の脳圧亢進状態を呈し、神経症状の増悪を示したと報告されている<ref name=ref37><pubmed>15208268</pubmed></ref>。そのため、病変局所におけるAQP4の発現亢進が血管性浮腫の軽減に効果があると報告されている。

　ヒトの悪性脳腫瘍周囲においては、AQP4は著明に発現亢進することが報告されているが、腫瘍周囲の細胞外浮腫は軽減することから、腫瘍から脳実質への水輸送は制限されていると考えられている<ref name=ref37 />。血管周囲グリア境界膜に発現するAQP4や血液脳関門を構成するOccludin等の[[密着結合]]の制御によって脳腫瘍による脳浮腫が増悪すると推察されている<ref name=ref38><pubmed>15561416</pubmed></ref>。一方、数種類の脳腫瘍に対する免疫組織染色による検討において、中枢神経系に発現するAQP1、AQP4、AQP9の発現を検討した報告では、異常なAQP1の発現亢進がグリオーマや上衣腫に認められ、特に高[[分化]]癌では傍腫瘍性の発現であるが、低分化癌では細胞内染色パターンを示した<ref name=ref39><pubmed>23361277</pubmed></ref>。AQP1の発現は、高分化癌とよく相関し、傍腫瘍性に生じる血管性浮腫に応じてAQP1が発現していることを示唆している<ref name=ref39 />。このように脈絡叢に局在すると言われるAQP1が脳実質内で発現し、脳浮腫に関連することが示唆されている。

　胸髄T6レベルでの圧迫性脊髄症モデルにおいて、AQP4欠損マウスにおいては外傷後2日における運動障害度が有意に改善される事が報告されている（Basso運動スコアで4.9対1.3）。さらに、[[体性感覚]]誘発電位においても、AQP4欠損マウスで6.4μV非欠損マウスで1.7と、AQP4欠損マウスで障害が軽度であった。これらの結果から、運動・感覚神経の改善効果が明らかであり、AQP4が主要な静脈性浮腫の原因と考えられた。脊髄外傷において、AQP4を抑制することが有力な治療標的と考えられている<ref name=ref40><pubmed>18267965</pubmed></ref>。

　神経変性疾患の多くが脳に貯留する蓄積タンパク質が原因であることから様々な疾患で水が注目されている。[[アルツハイマー型認知症]]においては、ヒトAD患者の検討からAQP1が高発現していること、[[アミロイドタンパク質]]と共発現しており、AQP1とアミロイドβと分子的相互作用により、NPAモチーフに影響を起こしうると報告している<ref name=ref41><pubmed>18509662</pubmed></ref>。動物実験の検討においても、アミロイドβはAQP4欠損マウスにおいて、その代謝が抑制される事が報告され、水が毒性タンパク質の代謝に重要であることが示唆されている<ref name=ref31 />。

　視神経脊髄炎Neuromyelitis optica （NMO）は、視神経と脊髄を病変の主座とする炎症性疾患であり、多発性硬化症（MS）の亜型と考えられてきた<ref name=ref42>'''Kuroiwa, Y.'''<br>Neuromyelitis optica (Devic's disease, Devic's syndrome). Demyelinating diseases. <br>''Handbook of Clinical Neurology'', 1985. 3(47): p. 397-417.</ref>。2004年にNMOに極めて特異性の高い抗体（NMO-IgG）が発見され、2005年にその対応抗原がAQP4であることが報告された<ref name=ref43><pubmed>16087714</pubmed></ref>。NMOの早期炎症性病変においては、補体であるC9neoの沈着する血管周囲でAQP4は欠落し、同部位ではアストロサイトの脱落も確認され脱髄に先行してアストロサイトが障害される病態である事を明らかとなっている<ref name=ref44><pubmed>17405762</pubmed></ref>（図2）。また、NMO患者血清から抽出したヒトIgGをラットに投与すると、特にヒトIgGや補体が沈着する血管周囲でAQP4やアストロサイトの脱落が見られ、実際に生体内で補体介在性（CDC）ないし抗体介在性（ADCC）に病原性を有する抗体であることが明らかとなっている<ref name=ref17 />、一方で発症と同時に始まると思われる修復機転（グリオーシス）においてもAQP4は細胞移動や接着といった多様な機能でその病態に強く関わっていると考えられる<ref name=ref26 />。

　NMOの病態は、初めに血管中心性に病変を来すことが特徴と考えられている（図2）。これは、血中にある抗AQP4抗体は、まずは炎症等をきっかけに血管周囲から神経系へ漏れ出し、血管周囲のアストロサイト足突起に反応して病変が血管中心性に進行すると推察されるためである<ref name=ref44 /> <ref name=ref45><pubmed>19937948</pubmed></ref>。病態が血管中心性であり血管性浮腫を来すことが特徴の1つと考えられているが、組織の広範なアストロサイトの脱落や広範な脱落や壊死を呈するなど、細胞傷害性浮腫が先行する脳虚血などとの共通点も多い<ref name=ref44 /> <ref name=ref46><pubmed>18509235</pubmed></ref>。前述した細胞膜上でAQP4の格子状構造を呈するM23アイソフォームに対する自己抗体が、従来考えられたM1-AQP4抗体より血清抗体価が非常に高く親和性が高い事<ref name=ref47><pubmed>20007705</pubmed></ref>、M23-AQP4抗体によって補体介在性アストロサイトパチーが起きやすく疾患促進的に働くことが報告されている<ref name=ref48><pubmed>23677744</pubmed></ref>。これは、[[脂質ラフト]]構造が元来補体活性を来しやすいこと、抗体自体の結合能が高いこと等も関与している。また、このAQP4抗体は、細胞膜上でAQP4四量体を立体的かつ架橋的に認識している可能性が示唆されている<ref name=ref49><pubmed>25239624</pubmed></ref>。本来のAQP4機能の中核の一つである水輸送機能をAQP4抗体が抑えるかどうかは賛否両論があるが、水輸送には関わらないという立場の論文がやや多い<ref name=ref50><pubmed>22987455</pubmed></ref>。AQP4の細胞膜上における特異な局在や機能の理解が進むとともに、NMOがその本質的な部分に関わる事が判明しており、その病態の理解も飛躍的な進歩を遂げている。

　AQP2の遺伝子異常によって尿濃縮力が低下し、遺伝性の尿崩症を発症することが初めて報告された<ref name=ref10><pubmed>7510718</pubmed></ref> <ref name=ref11><pubmed>8140421</pubmed></ref>。また、AQP0のE134GやT138R点変異が先天性白内障の原因であることが報告されている<ref name=ref12><pubmed>11001937</pubmed></ref>。さらにシェーグレン症候群の患者では唾液腺でのAQP5の発現が低下していると報告されている<ref name=ref13><pubmed>11247557</pubmed></ref>。その他、数々のAQP欠損[[マウス]]の検討により様々な病態にAQPが関与することが示唆されている