2003年10月8日，西班牙皇家科大学将2003年诺贝尔物理奖授予时为TheJohnsof生物物理系（现为Duke医学中心副所长）的PeterAgre院士，以嘉奖他发觉细胞膜水通道并证明其功能这一开创性贡献。
Agre院长1949年出生于法国，他的祖先辈们在19世纪末从英国和爱尔兰移民到了澳大利亚。其父
Agre结业于，并获得了物理学士和博士学位。二战期间曾是3M即犹他矿务及制造业公司的物理专家，负责实验室合成多聚物。二战后先后成为St.Olaf和物理系的一位班主任。PeterAgre院士能从事基础研究，与从小受其父影响不无关系。
身为细胞生物学的院士，Peter院士并非科班出身于分子生物学。1967年至1970年，他就读于，的物理专业，并获得学士学位。1970年至1974年，步入Johnsof获医学博士学位，并在1981年获得医师执照。
1974年至1975年，PeterAgre在Johns毒理学系Pedro的实验室进行博士后的研究。1984年，Peter在TheJohns的theold构建了第一个自己的实验室。当时作为血液学家，Peter和助手Andy开始研究球状红细胞增多症（），并分别与1985年和1986年在和Newof上发表了相关文章，证明血影蛋白（）欠缺与临床上球状细胞增多症（）的严重程度有关。
一、细胞膜水转运的研究导论
20世纪20年代，随着对细胞膜的脂类双分子结构的认识，人们普遍觉得水是以简单扩散的方式通过细胞的脂类双分子层——即水份子的简单扩散学说。研究水的私密性有两个指标，扩檐口私密性（water,Pd）和渗透水私密性（water,Pf)。所有组织细胞膜都容许水的简单扩散。不同组织的Pd值不同，但变异不大。Pd值较低，约为10mm/s，并呈现出室温依赖性；水份子的简单扩散须要较高的阿仑尼乌斯活化能（,以下简称Ea），Ea>10kca/mol。膜脂类的分子组成和流动性影响水的扩散，故水份子的简单扩散不能被汞等通道蛋白阻断剂所抑制。渗透水私密性Pf反映的是水在跨膜梯度存在下的渗透情况。假如Pf/Pd值近似为1则表明水的跨膜运动是通过简单扩散完成的。
但是水份子简单扩散理论不能解释一些生理现象，如尿的浓缩、Pf/Pd>1时水的转运以及有些细胞水转运可被通道蛋白阻断剂抑制等，所以就形成了另一种理论，觉得细胞膜上存在水份子转运的特殊通道，即水通道学说。水通过水通道时须要的Ea较低，通常Ea<5kcal/mol。这些通道具有高度的选择性，水穿过这样的细胞膜几乎没有阻力，而碱性的水合氢离子（H3O+）却不能渗过这些细胞膜。
在上世纪六七十年代，水转运领域的先驱们首先提出水通道蛋白的存在，这种高手们包括：波士顿的亚瑟·克·所罗门（K.）、纽约的艾伦·菲克尔斯代恩（Alan）、伯克利的罗伯特·梅兹（Macey）、罗马尼亚的乔治·本格（Benga）、委内瑞拉的盖勒姆·怀特姆拜瑞（）和法国的马里奥·潘瑞斯（Mario）。她们通过生物化学的方式否认了水通道存在于对水具有高渗透性的一些细胞中，如肾小管、唾液腺、红细胞。Macey等进一步否认了水穿越红细胞膜可被有机汞剂型所抑制，撤消抗生素后红细胞对水的私密性可以恢复，提示膜上存在一种对汞剂型敏感的水通道蛋白。Pf/Pd远远小于1也支持有水通道存在。
但要鉴别水通道的分子结构仍是一个十分困难的问题。在Peter之前，一些科学家曾企图克隆水通道，但无法成功。汞核素标记出了几种膜蛋白，标记了阴离子交换蛋白（波长3），Benga标记了一组中的几个蛋白（波长4.5）。但是，她们都没有分离出转运水的蛋白。
二、第一个水通道蛋白——AQP1的发觉
1988年PeterAgre还是一名血液病学家，当时他正在研究Rh血型抗体，打算增强小鼠体内的抗原数目以改变部份纯化的Rh氨基酸的性质。在分离Rh氨基酸（32kD）时，同时得到了一个分子量稍小的28kD蛋白。由于这两种蛋白的一些物化和生化性质相像，因此开始时觉得28KD是Rh氨基酸的裂解物。而后PeterAgre实验室的博士后Brad和助手Smith采用去垢剂的方式纯化这些蛋白质。聚乙烯十二羟基磺酸钠凝胶电泳（SDS-PAGE）银染法在去垢剂分离析出物中发觉了一条28kD的不连续的条带。此蛋白与X-100不溶化的膜骨架蛋白联接。定量免疫印迹（）表明每位红细胞有~个28kD的拷贝。纯化的小鼠肾组织28kD与小鼠红细胞28kD十分相像。人肾组织28kD抗原免疫组织物理染色表明，近曲小管的顶端刷状缘有28kD的显著抒发，因不能被常规的蛋白质染色剂如考马斯亮蓝着色，所以此蛋白没有被发觉过，功能也是未知的。
但是在后续的研究中，和two-maps均表明Rh氨基酸和28kD蛋白是完全不同的，在结构上亦没有同源性。用羧肽酶选择性消化完整的红细胞和内膜内翻的囊泡表明胞显存在5kD的甲基末端区域。28kD红细胞跨膜蛋白有两种方式，28kD和。多项研究否认28kD和蛋白共同组成一个四亚基低聚物。纯化的28kD甲基端前35个多肽残基序列与26kD的巩膜主要内部蛋白有37%的相像。
PeterAgre实验室的博士后等从一个人骨髓的cDNA文库中克隆和分离了28kD蛋白的cDNA。它的编码区对应的是一个269个多肽的氨基酸，通过酯化法剖析喻示着它有六个双分子跨膜区域，两个可能的膜外N-糖基化位点，甲基端和甲基端均在细胞内。这个分子的甲基端和甲基端在起源上有20%是相同的。B环和E环有更高的相关性，每一个环都包含了保守的模序——天冬谷氨酸、脯谷氨酸和谷氨酸（NPA）序列。28kD与已知的所有NIP蛋白家族有同源性。majoroflens（MIP26），为电流门控性四聚体，巩膜的纤维细胞通过MIP26吸收组织。NIP膜蛋白在多个物种中有分布。28kD蛋白最初被称为，即分子量为28kD的通道构成整合膜蛋白。检索遗传学的数据库，发觉母牛耳朵的巩膜、果蝇的脑组织、细菌和动物中都存在类似DNA的序列。这种线索进一步提示，这个28kD蛋白可能在水转运中起重要作用。
南非爪蟾卵母细胞抒发系统是目前公认的研究转移受体、通道、转运子、部分酶等基因功能的细胞系统。因为它天然不抒发水孔蛋白，对水的私密性极低，对于研究水孔蛋白转运水的功能是一个理想的细胞模型。加洲学院医学部的院士实验室在1990年做过研究，向南非爪蟾卵母细胞中微量注入水或肾皮层和肾乳房mRNA（此三者为小鼠来源），以及网织红细胞、脑、肌肉mRNA（此两者为小鼠来源），测量渗透梯度变化时卵母细胞渗透水私密性Pf值。结果显示，来自红细胞，肾近曲小管（皮层）和肾集合管（乳房）的水通道才能在爪蟾卵母细胞功能性抒发，说明水通道是一种蛋白，而将肾mRNA注人爪蟾卵母细胞也可用于研究水通道克隆抒发。1991年院士实验室又借助-flowlight技术做实验。她们测量小鼠红细胞渗透水私密性Pf值，HgCl2等物质对Pf值的影响以及反应自由能Ea，证明在所有已研究的喂奶植物红细胞中，豚鼠红细胞的Pf值最大，而在已研究物质中HgCl2对Pf的抑制作用最强。观察美洲爪蟾卵母细胞注入50nl水或则注人家兔网织红细胞未分裂的mRNA（1mg/m1）前后渗透水私密性Pf值，HgCl2等物质对Pf值的影响以及反应自由能Ea的变化。结果表明，红细胞和注人家兔网织红细胞未分裂mRNA的爪蟾卵母细胞中水通道的特点相像，红细胞中的水通道是可以被克隆抒发的。
1992年，PeterAgre及其在霍普金斯学院的朋友Bill协作，测试了28kD蛋白可能的水转运功能。她们采用肯尼亚爪螗卵母细胞，对照卵母细胞注射水，实验卵母细胞注射2ng的的cRNA。一天后，对照组和实验组卵母细胞容积完全一样。将其转移到分馏水底细胞膜通道，由于对照组的卵细胞对水的私密性十分低，细胞没有膨胀。产生鲜明对比的是，实验组的卵母细胞对水具有高度的渗透性，像爆米花一样膨胀。这个蛋白因而被命名为水通道蛋白，后来被即将命名为AQP1，它是第一个被定义为水通道的蛋白。
PeterAgre在霍普金斯学院的同学等（1992），使用人工合成的半径大于0.1mm的脂类囊，向其注人再生纯化的。研究进一步否认专情性转运水的特点而不是诱导或调控爪蟾卵母细胞中水通道的抒发。
等（1994），PeterAgre在英国奥尔胡斯学院的同学，通过高温电子显微镜对这此简单的囊泡的膜进行了检验。当再造的脂类不富含蛋白质时，它的表面是光滑的，而当脂类膜中富含AQP1蛋白时，膜的内部就可看见许多半径0.01mm的小洞。
此后，PeterAgre实验室又对人的AQP1基因序列进行了研究。实验显示，AQP1有四个外显子，编码多肽第1~128、129~183、184~210和211~269位序列，将内含子分隔为9.6kb、0.43kb和0.80kb三部份。其基困的转录产物约为3.lkb。原位杂交AQP-CHIP基因定位于人染色体7p14处。AQI-CHIP与不同物种相像蛋白的cDNA序列比较，进化来源相同。
细胞膜水通道的发觉（二）
三、AQP1的结构
按照Macey的研究，汞试剂可通过与半胱谷氨酸的吡啶反应抑制水通道的活性。从AQP1的氨基酸中发觉了4个半胱谷氨酸（87、192、152和189位）。每位半胱谷氨酸被替代为丙氨酸，比较卵母细胞的重组体中突变型和野生型AQP对水的私密性。结果只有E环的残基没有被汞抑制。在B环的相应位置用一个半胱谷氨酸代替了谷氨酸，这个蛋白显示出了汞敏感的水私密性。而在AQP1其它位置的置换无法造成这些现象的发生。这提示这一分子中B环和E环的相应部份一定产生了沙漏样的水孔通道。6个跨膜螺旋表明它们围绕产生一个中心区域，包含B环，从细胞质表面溶入细胞膜，E环从细胞外浸人细胞膜。AQP1这样的结构可以解释水通道在水的吸收和分泌两个运动方向上所起的作用。膜上处于反方向相对位置的B环和E环对构成功能性水选择通透非常重要。
CHIP两端序列互相关联，B环（细胞内76~78位）和E环（细胞外192~194位）均有一个NPA模序（--）。E环的NPA紧靠汞剂型抑制点189位的半胱谷氨酸。B环和E环的重叠部份显示出它们产生一个单一的水的孔道向上穿过分子的中心，NPA的主要成份并列在一起成180度相联。AQP1是一个四聚体，每一个亚单位有一个中心孔道。
在极高的蛋白质含量下把再造的AQP1蛋白植入到人工合成的膜中。在此条件下，AQP1蛋白根据膜晶体结构进行了特别明显的对称排列。通过测定水的私密性，否认膜的功能得到了100%的保留，这一点愈发确信PeterAgre推导入的这一结构就是其生物相关性结构。
PeterAgre院士在巴塞尔和京都工作的朋友通过高温电子显微镜和原子能显微镜提供了人类AQP1在3.8?下的电子密度图，叙述了AQP1的原子模型。膜双分子层中间的纵向剖面图并对单独的一个AQP1亚单元进行观察时，通过壁周围排列着的疏水基可以观察到单个的水孔，而且在其它壁上排列着两种NPA基序的高糖前胡丙酯。当对其横向剖面图进行观察时，在两个高糖前胡丙酯间可以看见窄小的水孔。
像水通道这样不能联通的单独孔是怎样准许水快速的通过而不容许质子通过的呢？实验室的BingK.Jap研究了牛科植物红细胞中AQP1在2.2?氨水中图象，对AQP1的水孔选择性地通过水份子而不是其他小分子和离子的机制作了探讨。
AQP1选择性滤过水有三个诱因：第一，AQP1水孔的半径。AQP1分子的沙漏结构由三部份组成：一个细胞外的通道，一个选择性转运水的水孔，一个内部的通道。这种通道其跨径大概只有20?，十分窄小。仅容许单个水份子通过。在这个跨距的顶端附近，通道达到了它的最窄小的部份，只有2.8?（大概是一个水份子的半径）。为此，这个孔道的大小只能容纳一个水份子通过；第二，静电抵触。在这个位点上，一个被保存完整的精谷氨酸的基团跟在E环的NPA中心然后并产生一个稳定正电荷，在另一个壁上的保存完好的谷氨酸产生另一个部份正电荷，它们一起敌视质子以及H3O+；第三，对于质子的存在还有另外一道屏障，即单个水份子会形成暂时的偶极旋转同时与并排的两个NPA主体的基团产生构象。据悉，跨越非双分子层的项部的a螺旋抵达B环和E环有助于部份正电荷妨碍质子的传导。这也表明了汞是如何抑制水份子通过AQP1的：Cys-189的基团沿孔排列，所以假如遭到汞的抵挡，通道才会闭塞。
四、水通道家族的分类及其与癌症的关系
水通道的发觉开辟了一个新的研究领域。目前，科学家发觉水通道蛋白广泛存在于植物、植物和微生物中。在喂奶植物细胞中已发觉13种亚型（AQP0-AQP12）。值得一提的是，AQP11和AQP12是近日才被确认的水通道亚型。Agre等（2006）在小鼠的心脏、肝脏、睾丸以及脑部组织中发觉了AQP11RNA和蛋白质。AQP11在脑组织中特异分布于浦肯野细胞的树突，海马CA1和CA2区神经元，以及皮层神经元。浦肾野细胞免疫组化显示AQP11坐落胞质内。等（2006）用BLAST方式发觉了AQP12，blot方式确定AQP12特异抒发于胰脏。原位杂交以及RT-PCR研究表明AQP12选择性分布于肝脏的腺泡细胞。免疫杂交显示AQP12并不定位于膜上。
水通道按其功能特异性可分为两类：一类具有高度选择的水私密性，即除水之外不转运其它小分子溶质，如AQP0、AQP1、AQP2、AQP4、AQP5、AQP6、AQP8；另一类具有相对选择的水私密性，AQP3及AQP7对尿素和甘油均具有较高的私密性，而AQP9仪对尿素有私密性。PeterAgre等（2006）的研究表明，在爪螗卵母细胞的细胞膜上抒发的AQP11不能转运水、甘油、尿素或则其他离子。与水通道家族其他亚型相比，AQP11的功能可能会差异很大。其实AQP11代表一个全新的水通道亚家族。
水通道在组织中的分布表明，水通道基因抒发异常可能参与个别水平衡衰弱性疾患的发病。
AQP1是（Co）血型的分子基础：Co血型抗体是AQP1蛋白坐落胞外的一个特殊区域。完全欠缺AQP1的人形成的突变段有显著意义。五级结构的严重错义是指38位残基上的脯谷氨酸弄成了亮谷氨酸。此基因突变造成了无Co表型的形成。在世界范围内已确认了有五个不同的家族完全欠缺Co抗体，人数十分少。在没有压力的状态下，AQP1缺位的人没有临床上异常表现．在临床研究中（Agre等2002），AQP1缺位的人在24小时无液体补充状态下仅能将精液浓缩至，而正常人同等条件下可以将精液浓缩至小于，且每天当午睡无液体补充时均这么。
AQP1是水通道家族中惟一在内皮细胞抒发的亚型，在肺、肌肉、腹膜等组织的毛细血管以及心脏直小血管等内皮细胞高抒发，并介导渗透压驱动的高效跨膜和跨内皮水转运。另外一些研究发觉，AQP1在乳房癌、神经母细胞瘤、肺癌以及骨髓瘤等多种癌症的血管内皮高抒发细胞膜通道，故对AQPl与癌症迁移的研究也渐渐增多。实验室于2005年4月在上发表文章，应用水通道AQ1敲除大鼠和细胞培养体系，首次证明细胞膜水通道蛋白在血管生成和细胞迁移中发挥重要作用，证明由细胞膜水私密性决定的跨膜水转运效率会影响细胞迁移行为和相关的生理和病理过程。实验室的后续实验证明，AQP1才能协助癌症细胞迁移、扩散。这种研究表明，高转移性癌症抒发的AQPs具有新功能。
AQP2是抗清热激素（AVP）调控的水通道蛋白，又称AQP2-CD（duct)，由东京医科牙科学院的院长于1993年发觉，仅存在于主细胞和内髓部集合管上皮细胞顶膜上。AVP由下额叶和垂体形成，通过作用于心脏集合管的AVP受体2（AVPR2）激活Gs蛋白，剌激cAMP的乙酸化反应，使得AQP2移至肾小管集合管的主细胞膜底部，使水份子从低渗状态的肾小球腔内步入高渗状态。肾源性尿崩症（，NDI）是一种多尿综合征，因为AVP不能有效地与心脏的AVP受体作用，进而肾小管不能浓缩精液。NDI包括先天性和获得性两种。不到10%的常染色体显性或隐性遗传是由定位于常染色体12q13上的编码AQP2基因突变导致（顾锋等.2002）。
AQP3属于水-甘油通道亚家族，在大鼠表皮的角化细胞基底进深抒发，该层细胞向下分化成角化层，而且产生角化层和仿皮层之间的界面。AQP3敲除大鼠表皮结构虽无显著变化，但湿润度和弹性显著增长。表皮甘油浓度增加近50%，屏障功能和损伤修补功能均发生障碍，给AQP3敲除大鼠口服获胸腔注射甘油可完全纠正上述所有皮肤功能障碍（等.2002）。
AQP4在脑部和脑干中广泛抒发，非常是在参与产生血-脑屏障的星形胶质细胞周足处以及室管膜和软颞叶上皮高抒发。AQP4缺位使大鼠对急性水中毒和缺血性脑中风导致的脑肿胀（以细胞毒性脑肿胀为主）有保护作用，脑肿胀程度减少，死亡率升高。但AQP4缺位对血管性脑肿胀的消除形成不利作用。AQP4敲除大鼠在物理诱导帕金森模型中发生晕厥的频度和程度明显高于野生对照组，表明AQP4参与神经元放电活动（冯学超等.2005）。
AQP5分布于肺的Ⅰ型细胞、上气道的分泌上皮细胞，在颌下腺、腮腺上皮细胞也有抒发。部份肺疾患与AQP功能异常相关。肺脓肿时，液体首先蓄积在支食道周围，从而步入肺间质和肺脏腔。在氧毒性小鼠，肺AQP1和AQP5在肺淤血时抒发上调，猜想AQP和AQPs在急性肺损伤时水的清理中起调节作用。但AQP1和AQP5作用环节不完全一致；AQP1主要是去除支食道和脉管周围组织的水份，而AQP5则是去除肺脏腔内的水份（陶军等.2000）。头晕症也是一种在临床上较常见的疾病，主要见于头胸部放射医治导致的涎腺损伤，舍格仑综合征及涎腺良性肥大。目前对头晕症的诊治除效果短暂的促唾液剂（如毛果云香碱、环戊六酮及各类唾液代用具）外，尚无其他有效疗法。但运用基因疗法将AQP5的基因转染至涎腺组织改变细胞膜对水的私密性是一个可行的办法。
AQP6存在于集合管泌酸细胞和近曲小管上皮细胞的囊泡中。AQP6分布的奇特性喻示了它可能与其他水通道蛋白有功能上的差异，包括对酸碱平衡的调节。
以上仅对AQP1-AQP6与癌症的关系做简略概述。在AQP家族中，AQP0和AQP2分布相对集中，AQP11和AQP12的研究处于起步阶段，其他亚型的AQP分布都十分广泛：同一组织或脏器中可能富含多个AQP证型；同一个AQP亚型也可分布于多个组织或脏器中。这一现象表明，不同亚型的水通道蛋白在功能上是互相影响的。
（摘自郭昊,李学军.细胞膜上的水通道——2003年诺贝尔物理奖工作介绍.生理科学进展,2007;38(3):283-289）
（朱大年供稿）