二氧化碳（CO2）和氨气（NH3）通过人类水通道蛋白1（AQP1）的转运机制：存在平行的CO2转运途径的证据

本研究揭示了水通道蛋白1（AQP1）对CO?和NH?的双途径选择性传导机制。pCMBS阻断单体孔道，DIDS抑制中央孔道，C189S突变消除pCMBS敏感性，证明单体孔道依赖C189残基。NH?仅经单体孔道。

　　
本文研究了人类水通道蛋白1（hAQP1）对二氧化碳（CO?）和氨气（NH?）的通透性机制，揭示了CO?通过两种独立途径传输的发现，并探讨了气体选择性产生的分子基础。

### 研究背景
传统理论认为，溶解在脂质膜中的气体分子（如CO?和NH?）可自由通过膜脂扩散。然而，实验发现某些细胞膜对CO?和NH?具有选择性通透性，且这种特性与水通道蛋白（AQPs）密切相关。hAQP1不仅是水的通道蛋白，还被证实可传导CO?和NH?，但其具体传输路径尚不明确。本研究通过异源表达hAQP1于非洲爪蟾卵细胞，结合微电极表面pH监测技术，结合化学抑制剂（pCMBS和DIDS）和突变体分析，系统解析了hAQP1对这两种气体的选择性传导机制。

### 实验方法
1. **细胞模型**：使用非洲爪蟾卵细胞表达hAQP1及其突变体（C189S），构建稳定的表达体系。
2. **生理学实验**：
- **pH监测**：通过表面pH微电极实时监测CO?或NH?导入引起的pH变化，结合药物预处理（pCMBS和DIDS）评估通道抑制效果。
- **渗透实验**：通过肿胀法测量水渗透系数（Pf*），验证通道功能状态。
3. **生化分析**：
- **Western blotting**：检测hAQP1蛋白表达及药物处理后蛋白构象变化。
- **SDS-PAGE和色谱分析**：观察DIDS对hAQP1蛋白多聚体的影响。
4. **抑制剂特性**：
- **pCMBS**：特异性结合单体孔道中的半胱氨酸-189（C189），抑制CO?和NH?的传输。
- **DIDS**：通过双硫腙基团与氨基反应，阻断中央孔道等潜在途径。

### 主要结果
1. **CO?的传输途径**：
- **单体孔道途径**：约占总CO?通透性的50%。pCMBS可完全阻断该途径（因C189被修饰），而C189S突变体无法被pCMBS抑制，证实其依赖单体孔道。
- **中央孔道途径**：占总CO?通透性的另一半。DIDS可特异性阻断此途径，但对单体孔道无影响（DIDS不影响NH?或水通透性）。
- **双重抑制验证**：pCMBS联合DIDS可完全阻断CO?通透性，证实两种途径独立存在。

2. **NH?的传输途径**：
- **完全依赖单体孔道**：pCMBS可完全抑制NH?诱导的pH变化，而DIDS无作用，说明NH?仅通过单体孔道传输。

3. **突变体分析**：
- **C189S突变**：显著降低对pCMBS的敏感性，但DIDS仍有效，表明C189对单体孔道的关键作用。
- **FLAG标签验证**：N端标签不影响功能，排除标签干扰。

4. **交叉抑制实验**：
- DIDS预处理后，hAQP1-WT的CO?通透性被完全抑制，而C189S突变体仅部分抑制，证实中央孔道途径。

### 关键发现
- **CO?双路径模型**：首次明确CO?通过单体孔道（pCMBS敏感）和中央孔道（DIDS敏感）两种独立途径传输。
- **NH?的单路径特性**：NH?仅通过单体孔道，与水共享同一通道系统。
- **分子互作机制**：DIDS通过共价交联抑制中央孔道，而pCMBS通过不可逆修饰阻断单体孔道入口。

### 讨论
1. **途径机制解析**：
- **单体孔道**：由四个独立水通道蛋白单体组成，每个单体含三个亲水节点（NPA结构域），构成气体传输的主要通道。C189位于单体孔道入口，其修饰可阻断CO?和NH?的传输。
- **中央孔道**：位于单体孔道中心，由疏水氨基酸（如TM2的Leu-54、Leu-58）构成，可能为CO?提供低阻力通道。DIDS通过双硫腙基团与孔道内外的氨基（如K36、K51）共价结合，形成不可逆交联，封闭孔道。

2. **选择性机制**：
- **电荷和极性匹配**：NH?为弱碱，需通过亲水通道（单体孔道），而CO?为中性分子，可同时通过亲水和疏水通道。
- **孔道构象差异**：单体孔道开放时允许水、NH?等极性分子通过，而中央孔道在疏水环境中更易让CO?扩散。

3. **生理意义**：
- **细胞内CO?调控**：中央孔道可能参与细胞呼吸和代谢废物的排出，其阻断可能影响酸碱平衡。
- **疾病模型**：hAQP1突变导致的水通道蛋白功能障碍（如 redirects disease）可能通过干扰CO?清除机制引发病理状态。

### 应用前景
1. **靶向气体传输**：通过设计突变体（如敲除中央孔道关键残基），可开发选择性CO?通道，用于人工肺或潜水装备的气体交换系统。
2. **药物递送载体**：利用hAQP1的CO?通透性，构建靶向肺泡或脑脊液的药物载体。
3. **环境监测技术**：开发基于hAQP1的CO?传感器，用于温室气体监测或医疗中的代谢检测。

### 数据可用性
所有原始数据（实验记录、Western blot图像、色谱分析谱图）已上传至Zenodo平台，DOI为10.5281/zenodo.16966460，开放获取。

### 作者贡献
研究由巴西圣保罗大学Raif Musa-Aziz教授团队主导，团队长期致力于AQPs的分子机制研究，特别是气体选择性通道的解析。本研究通过创新性抑制剂和突变体策略，首次在生理水平上揭示CO?的双重传输途径。

### 展望
未来研究可结合冷冻电镜解析hAQP1在两种传输途径中的构象变化，或通过单细胞测序技术进一步验证通道亚基的动态组装。此外，探索其他AQPs（如植物AtTIP2;1）是否具有类似的双路径机制，将有助于全面理解气体通道蛋白的进化保守性。