Metabolizm miedzi i charakterystyka dziedziedzicznych zesp.chorobowych a niedobór miedzi, Publikacje z Zoologia

Pobierz Metabolizm miedzi i charakterystyka dziedziedzicznych zesp.chorobowych a niedobór miedzi i więcej Publikacje w PDF z Zoologia tylko na Docsity! Tom 63 2014 Numer 3 (304) Strony 395–413 której pierwiastek ten bierze udział, powstają wolne rodniki, mogące uszkadzać błony ko- mórkowe, materiał genetyczny oraz białka. Z uwagi na ogromnie ważną rolę jaką pełni opisywany pierwiastek w organizmie, jak i z uwagi na jego toksyczność, zwierzęta wy- kształciły precyzyjne mechanizmy regulujące poziom miedzi w komórkach, jak i w całym organizmie (Tapiero i współaut. 2003). Pobieranie, transport i usuwanie nad- miaru miedzi w komórce (Ryc. 1) podlega ścisłej kontroli genetycznej i zachodzi przy udziale specjalnych białek, które początko- wo były badane głównie u drożdży. Obecnie wiadomo, że u ludzi transport i metabolizm miedzi jest kontrolowany przez trzy główne grupy białek. Pierwszą z nich stanowią białka błonowe CTR1 i DMT1, dzięki którym jony miedzi mogą być pobrane przez komórkę. Druga grupa to metalochaperony (ATOX1, CCS, białka z grupy COX oraz SCO), białka wiążące jony miedzi w obrębie cytoplazmy i transportujące je do różnych organelli. W skład trzeciej grupy wchodzą białka o budo- wie ATPaz (ATP7A i ATP7B), które regulują stężenie jonów miedzi w komórce, jak rów- nież pośredniczą we włączaniu kationów tego pierwiastka do cząsteczek białek enzy- Miedź, jako mikroelement, jest metalem niezbędnym do prawidłowego funkcjono- wania organizmu. Pierwiastek ten jest przy- swajany z pożywienia w małych ilościach (0,6–1,6 mg/d) i jest on wchłaniany z po- karmu w jelicie cienkim (zwłaszcza w jego początkowym odcinku, dwunastnicy) oraz w mniejszej ilości w żołądku. Znacząca pula miedzi w organizmie jest stała i w zależności od potrzeb ulega gromadzeniu bądź uwol- nieniu z poszczególnych organów i tkanek. Podobna regulacja zachodzi na poziomie komórkowym (Tapiero i współaut. 2003). Miedź może występować zarówno w formie utlenionej Cu(II), jak i zredukowanej Cu(I), przez co pełni rolę kofaktora w wielu enzy- mach. Z tego też powodu pierwiastek ten jest niezbędny do prawidłowego funkcjo- nowania wielu szlaków metabolicznych od- powiedzialnych na przykład za wytwarzanie energii w komórce (oksydaza cytochromu c), usuwanie wolnych rodników (dysmutaza ponadtlenkowa), tworzenie kolagenu i elasty- ny (oksydaza lizylowa), produkcję katechola- min (β-monooksygenaza dopaminy) czy też produkcję melaniny (tyrozynaza). Z drugiej strony, nadmiar miedzi jest toksyczny dla ko- mórek, gdyż podczas tzw. reakcji Fentona, w Wojciech KrzepToWsKi, olga pierzchała, MałgorzaTa lenarToWicz Uniwersytet Jagielloński Instytut Zoologii Gronostajowa 9, 30-387 Kraków E-mail: [email protected] [email protected] [email protected] METABOLIZM MIEDZI ORAZ CHARAKTERYSTYKA DZIEDZICZNYCH ZESPOŁÓW CHOROBOWYCH, NA TLE NIEDOBORU MIEDZI, SPOWODOWANYCH ZABURZENIAMI AKTYWNOŚCI BIAŁKA ATP7A ROLA MIEDZI U SSAKÓW Praca finansowana jest z grantu NCN nr 2012/05/B/NZ4/02423 oraz z projektu SET Uniwersytetu Jagiellońskie- go. Projekt jest współfinansowany przez Unię Europejską. 396 Wojciech KrzeptoWsKi i współaut. pozwoli nakreślić złożoność procesu związa- nego z metabolizmem miedzi. matycznych. Przedstawiona poniżej krótka charakterystyka poszczególnych grup białek Z uwagi na fakt, iż błona komórkowa jest nieprzepuszczalna dla większości substancji i jonów, miedź może być transportowana do cytoplazmy z udziałem specjalnych bia- łek transportowych. Możemy do nich zali- czyć białko CTR1 (ang. copper transporter 1), CTR2 (ang. copper transporter 2) oraz DMT1 (ang. divalent metal membrane trans- porter 1, inaczej DCT1 lub Nramp2), jednak- że lokalizacja tkankowa i komórkowa wymie- nionych transporterów, a także regulacja ich ekspresji jest różna (Wee i współaut. 2013). Za główne białko transportujące miedź w organizmie uznaje się CTR1, ponieważ jego ekspresję stwierdzono w większości organów. Przypuszcza się, że CTR1 jest od- powiedzialne za transport 80% miedzi i innych metali do komórek. U myszy szcze- gólnie wysoki poziom opisywanego białka występuje w wątrobie, jelicie cienkim, sercu i nerkach. CTR1 jest transbłonowym biał- kiem, które jako trimer tworzy kanał, umoż- liwiający transport miedzi i innych metali. W warunkach fizjologicznych białko to jest zlokalizowane głównie w błonie komórko- wej, jednakże jego obecność stwierdzono także w błonie pęcherzyków cytoplazma- tycznych. W warunkach wysokiego stężenia miedzi w środowisku zewnątrzkomórko- wym CTR1 jest szybko internalizowane do cytoplazmy i degradowane. Ponadto jego ak- tywność może być modyfikowana potransla- cyjnie, poprzez glikozylację. Okazuje się, że CTR1 jest białkiem kluczowym nie tylko w transporcie miedzi w organizmie dorosłych ssaków, ale jest także niezbędne już w trak- cie rozwoju, gdyż inaktywacja genu Ctr1 u myszy powoduje obumieranie embrionów w macicy. Zaburzenia te mogą być spowo- dowane upośledzonym transportem miedzi, aczkolwiek przypuszcza się, że białko Ctr1 może także wchodzić w interakcje z recep- torami hormonów. Sugeruje to, że mutacja genu Ctr1 może także być odpowiedzial- na za nieprawidłowe funkcjonowanie we- wnątrzkomórkowych szlaków sygnalizacyj- nych w czasie rozwoju embrionalnego (Wee i współaut. 2013). TRANSPORT MIEDZI NA POZIOMIE KOMÓRKOWYM Ryc. 1. Białka zaangażowane w metabolizm miedzi w komórce. Miedź jest transportowana do komórki poprzez dwa transbłonowe białka, CTR1 oraz DMT1. W cytoplazmie miedź jest wiązana w kompleksach, głownie z metalotioneiną (MT), co stanowi wewnątrzkomórkowy ma- gazyn tego pierwiastka. Część jonów miedzi jest przyłączana do odpowiedznich enzymów, gdzie pierwia- stek ten pełni rolę kofaktora. Za dostarczanie jonów miedzi do odpowiednich enzymów odpowiedzialne są chaperony. W przypadku transportu miedzi do dysmutazy ponadtlenkowej (SOD1) za transport odpowiada białko CCS, do oksydazy cytochromu c (CCO) miedź transportowana jest przez białka z grupy COX oraz SCO. Białko chaperonowe ATOX1 transportuje jony miedzi do ATPaz ATP7A i ATP7B odpowiadających za utrzymanie właściwego stężenia jonów Cu w komórce, poprzez aktywny eksport lub przyłączanie tego pier- wiastka do białek enzymatycznych. 399Metabolizm miedzi oraz charakterystyka dziedzicznych zespołów chorobowych kę przed negatywnym wpływem stresu oksy- dacyjnego, gdyż struktura czwartorzędowa tego białka umożliwia ochronę atomu meta- lu przed utleniaczami lub związaniem przez „konkurencyjne” związki takie jak glutation (Kelner i współaut. 2000). Brak ATOX1 skut- kuje akumulacją miedzi i zahamowaniem se- krecji tego pierwiastka. U ludzi nie opisano schorzeń związanych z brakiem aktywności ATOX1, natomiast inaktywacja genu Atox1 u myszy powoduje wiele efektów fenotypo- wych, jak zaburzenia rozwoju i wzrostu, wro- dzone wady wzroku, hipopigmentację czy też epilepsję. Najnowsze badania wskazują również, że dzięki obecności domeny NLS białko to może być transportowane do jądra komórkowego, gdzie najprawdopodobniej pełni rolę czynnika transkrypcyjnego, który może wpływać na ekspresję innych genów (Muller i KloMp 2009). CXXXXXXXXXC, jednak ich rola nie jest do końca poznana (paluMaa 2013). Jony miedzi w cytoplazmie mogą rów- nież zostać związane przez inne białko opie- kuńcze, a mianowicie białko ATOX1 (ang. antioxidant protein 1). Jest to zbudowane z 68 aminokwasów białko zawierające dome- nę MBS (ang. metal binding site) z konser- watywną sekwencją MXCXXC wiążącą jony miedzi. Jedna cząsteczka białka przyłącza jeden jon miedzi poprzez wiązanie koordy- nacyjne do dwóch reszt cysteinowych (huf- fMan i o’halloran 2001). Główną funkcją białka ATOX1 w komórce jest przyłączanie miedzi i jej transport do szlaku sekrecyjne- go aparatu Golgiego, gdzie odbiorcami tych jonów są białka ATP7A i ATP7B. Ponadto, może ono ulec homodimeryzacji i pełnić rolę magazynu miedzi w komórce (luTsenKo i współaut. 2007a). Białko ATOX1 funkcjonu- je jako komponent ścieżki chroniącej komór- BUDOWA BIAŁKA ATP7A Białka ATP7A i ATP7B zasługują na szcze- gólną uwagę nie tylko z powodu doniosłej roli jaką pełnią w metabolizmie miedzi, ale również dlatego, że brak bądź tylko zaburze- nie ich aktywności prowadzi u człowieka do ciężkich i najczęściej nieuleczalnych scho- rzeń metabolicznych. Dlatego też w obecnym artykule skoncentrujemy się na dokładnym omówieniu budowy i funkcji tych białek. Białka ATP7A oraz ATP7B należą do ro- dziny ATPaz typu P1B, których główną funk- cją jest transport jonów metali, takich jak miedź, kadm, kobalt, ołów oraz cynk. Grupa ta jest najliczniejszą z wszystkich grup rod- ziny P-ATPaz i zawiera około 100 różnych białek (luTsenKo i współaut. 2007b, sMiTh i współaut. 2014). ATPazy transportujące jony miedzi przez błony są białkami wysoce kon- serwatywnymi ewolucyjnie i występują za- równo u organizmów prokariotycznych, jak i eukariotycznych. Ich główną funkcją jest usuwanie miedzi z komórki w przypadku jej nadmiaru, a także włączanie jonów tego pier- wiastka do centrum aktywnego enzymów, w których pełni on rolę kofaktora (luTsenKo i współaut. 2008, Wang i współaut. 2011). U ludzi są to białka ATP7A oraz ATP7B, które należą do integralnych białek błonowych, wykorzystujących energię, pochodzącą z procesu hydrolizy ATP, do transportu mie- dzi przez błony lipidowe (Van den berghe i KloMp 2009, la fonTaine i współaut. 2010, gourdon i współaut. 2012). W przypadku, gdy poziom jonów Cu przekroczy wartość fizjologiczną, białko ATP7A (normalnie znaj- dujące się w cysternach trans aparatu Golgie- go), na drodze transportu w pęcherzykach klatrynowych jest transportowane do błony komórkowej, gdzie bierze udział w aktyw- nym usuwaniu jonów miedzi. W momencie, gdy homeostaza zostanie przywrócona, biał- ko to na drodze endocytozy wraca do apara- tu Golgiego (la fonTaine i współaut. 2010). Białka ATP7A i ATP7B kodowane są na matrycy zupełnie różnych genów, a ich eks- presja podlega osobnej regulacji. U czło- wieka gen ATP7A jest zlokalizowany na chromosomie X w pozycji Xq13.2–13.3 i jest on kodowany przez odcinek o długo- ści około 150 kpz, złożony z 23 egzonów. Z kolei gen ATP7B o wielkości 80 kpz składa się z 21 egzonów. Zlokalizowany jest on na 13 chromosomie autosomalnym w pozycji 14.3. Wielkość produktów transkrypcji obu tych genów waha się pomiędzy 7.5 a 8.5 kpz. Badania przeprowadzone na myszach wskazują, że ekspresja obu wspomnianych genów zachodzi już na etapie życia zarod- kowego (dla genu Atp7a w dniu E7, nato- miast Atp7b w dniu E9.5) i utrzymuje się aż do śmierci organizmu, jednak poziom tej ekspresji jest różny w zależności od wieku. Najwyższa ekspresja obu tych genów przypa- da na takie tkanki jak wątroba (tu w szcze- 400 Wojciech KrzeptoWsKi i współaut. MBD1-MBD6) (luTsenKo i współaut. 2007b, la fonTaine i współaut. 2010, gupTa i luT- senKo 2012) Każda domena zbudowana jest z 72 aminokwasów, a miejsca (tzw. kieszenie) wiążące jony metalu znajdują się w części dy- stalnej domeny MBD, która może wiązać je- den jon miedzi (Wang i współaut. 2011). Po- nadto, najnowsze doniesienia wskazują rów- nież, iż domeny te mogą być swego rodzaju centrum regulującym pracę ATPazy, jednak mechanizm tej regulacji nie jest bliżej pozna- ny. Na N-końcu białek ATP7A i ATP7B wystę- pują również, charakterystyczne dla rodziny P-ATPaz, bardzo konserwatywne sekwencje CXXC, które umożliwiają przyłączanie jonów miedzi do białka. Pomiędzy kolejnymi dome- nami MBD znajdują się pętle o różnej długo- ści. Przypuszcza się, że mogą znajdować się tutaj dodatkowe domeny odpowiedzialne za wiązanie jonów miedzi lub przynajmniej gólności występuje bardzo wysoka ekspresja genu ATP7B), mózg oraz nerka. Gen ATP7A jest zaliczany do grupy genów metabolizmu podstawowego (ang. house-keeping genes), ponieważ jego ekspresja ma miejsce w prak- tycznie wszystkich tkankach organizmu (linz i współaut. 2008, la fonTaine i współaut. 2010). Oba geny podlegają mechanizmowi alternatywnego składania egzonów (tzw. al- ternatywny splicing), dzięki któremu z jed- nego genu możemy otrzymać kilka różnych form białek, które mogą pełnić podobne lub całkiem różne funkcje. Niektóre z tych białek są produkowane w formie niefunkcjonalnej i nie jest wiadome w jakim celu powstają. Dla przykładu, w oku oraz w szyszynce produko- wane jest białko PINA, powstające na matry- cy genu ATP7B. Białko to nie posiada części, która odpowiada N-końcowi białka ATP7B; skutkuje to brakiem domen wiążących jony Cu oraz utratą sześciu domen transbłono- wych. Możliwe jest, że PINA należy do nowej podgrupy P-ATPaz transportujących jony me- tali ciężkich, jednak nieposiadającej charakte- rystycznych domen wiążących miedź. Białko to może być związane z działaniem zegara biologicznego, gdyż zarówno w szyszynce, jak i w siatkówce oka ekspresja obu form białek PINA jest zależna od pory dnia (li i współaut. 1998, borjigin i współaut. 1999, ahMed i współaut. 2005) . Funkcja białka PINA nie jest dokładnie poznana, jednak przypuszcza się, że ma ono właściwości po- zwalające tej cząsteczce na transport jonów miedzi (borjigin i współaut. 1999, ahMed i współaut. 2005). Procesowi alternatywnego splicingu ulega również gen ATP7A. Powsta- łe transkrypty są najczęściej jednak związane z opisanymi poniżej, chorobą Menkesa lub jej lżejszą formą, zespołem rogu potyliczne- go. Występujące w tych przypadkach formy białka ATP7A najczęściej nie posiadają czę- ści wiążących miedź oraz domen transbłono- wych. Takie białka najczęściej nie mają moż- liwości transportu jonów miedzi (luTsenKo i współaut. 2008, la fonTaine i współaut. 2010, gourdon i współaut. 2012). Badania wykazały, że podobieństwo mię- dzy białkami ATP7A i ATP7B wynosi około 60%, aczkolwiek białko ATP7A podlega pro- cesowi glikozylacji, co wpływa na wzrost jego masy molekularnej (la fonTaine i współ- aut. 2010). Cechą charakterystyczną omawia- nych białek jest obecność specyficznych do- men pełniących określone funkcje (Ryc. 2). Na końcu N tych białek, u ssaków, znajduje się 6 domen wiążących jony miedzi (domeny Ryc. 2. Budowa białka ATP7A. Białko ATP7A jest zakotwiczone w dwuwarstwie li- pidowej poprzez osiem domen TMS. Jednocześnie te same domeny dzięki obecności unikatowych se- kwencji (motyw CPC w obrębie domeny 6, motyw YN w obrębie domeny 7 oraz motyw MXXS w ob- rębie domeny 8) umożliwiają transport jonów mie- dzi przez błonę. Kationy tego pierwiastka są wiąza- ne poprzez domeny MDB zlokalizowane w N-koń- cowym fragmencie białka. Pozostałe domeny biorą udział w cyklu katalitycznym białka ATP7A poprzez wiązanie cząsteczki ATP do domeny N, a następnie przyłączenie reszty fosforanowj do domeny P. Z ko- lei za defosforylację białka odpowiada domena A. 401Metabolizm miedzi oraz charakterystyka dziedzicznych zespołów chorobowych rębie tego rejonu, a szczególnie obszaru se- kwencji TGE, powodują w konsekwencji wy- stąpienie objawów ogólnoustrojowych, jakie można obserwować u pacjentów z chorobą Menkesa. Sugeruje to, iż konserwatywność domeny A, która występuje w strukturze wszystkich P1B-ATPaz, jest bardzo znacząca w procesie transportu miedzi ze względu na utrzymanie prawidłowego mechanizmu fos- forylacji białka (argüello i współaut. 2007). Ostatnią charakterystyczną strukturą wy- stępującą w białkach ATP7A oraz ATP7B jest tzw. domena ATP. Zlokalizowana jest ona na odcinku łączącym TMS6 z TMS7. W jej skład wchodzą subdomeny N oraz P, a jej funkcja przyłączania cząsteczki ATP jest wypadkową działania obu tych domen. Można tu wyróż- nić dwie charakterystyczne sekwencje ami- nokwasowe oznaczane jako motywy DKTG (znajdująca się w obrębie subdomeny P) oraz GDGXXD (w obrębie subdomeny N). Motywy te są odpowiedzialne za katalitycz- ną aktywność obu Cu-ATPaz (la fonTaine i współaut. 2010; gourdon i współaut. 2012). Subdomena P jest bardzo konserwatywną strukturą, charakterystyczną dla wszystkich białek rodziny P1B-ATPaz i jest odpowiedzial- na za przeprowadzenie procesu fosforylacji białka (argüello i współaut. 2007, luTsen- Ko i współaut. 2008). W jej obrębie znajdu- ją się reszty kwasu asparaginowego (motyw DKTG), które ulegają katalitycznemu proce- sowi fosforylacji podczas hydrolizy przyłączo- nej cząsteczki ATP (la fonTaine i współaut. 2010, gourdon i współaut. 2012). Subdo- mena N wykazuje największą strukturalną różnorodność pomiędzy ATPazami typu P, co wynika z odmiennego układu sekwen- cji aminokwasowych pomiędzy poszczegól- nymi białkami grup tej nadrodziny białek. Układ aminokwasów DXXK, występujący we wszystkich P-ATPazach, zlokalizowany jest na końcu domeny N. Ta część białka odpowia- da prawdopodobnie za ruchliwość pomiędzy leżącymi blisko siebie składowymi domeny ATP podczas zachodzących procesów fos- forylacji oraz defosforylacji (VosKoboiniK i współaut. 2003). Funkcja oraz struktura C-końca ATPaz jest słabo poznana. Jego długość wynosi około 90 reszt aminokwasowych i prawdo- podobnie jest on odpowiedzialny za stabili- zację całego białka w błonie oraz jego trans- port wewnątrzkomórkowy (guo i współaut. 2005). Ponadto, badania nad zmutowany- mi komórkami linii MDCK wykazały, że ATPazy, których C-koniec ma nieprawidło- ułatwiające zajście tego procesu (luTsenKo i współaut. 2008). Obecność domen MBD5 oraz MBD6, charakteryzujących się najwięk- szym powinowactwem do jonów metali, jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania Cu-ATPaz (luTsenKo i współaut. 2007b). Po- twierdzają to wyniki badań na hepatocytach pochodzących od szczurów (linia WIF-B), u których występuje forma Atp7b nieposiadają- ca domen MBD1-MBD4. Okazało się, że funk- cjonalność takiego białka nie została naruszo- na w stopniu uniemożliwiającym transport miedzi (guo i współaut. 2005). Wysunięto również przypuszczenie, iż jony wspomnia- nego pierwiastka w pierwszej kolejności przyłączają się do domeny piątej oraz szóstej, co stabilizuje współpracę między domenami umożliwiając proces transportu jonów (luT- senKo i współaut. 2007b). Kolejne domeny białek ATP7A i ATP7B, łączące się z domeną MBD6, to 8 transbłono- wych domen TMS, które zakotwiczają wspo- mniane białka w dwuwarstwie lipidowej (Wang i współaut. 2011). Charakterystyczne i bardzo konserwatywne motywy występu- ją w domenie TMS6 (motyw CPC), domenie TMS7 (motyw YN) oraz w TMS8 (motyw MXXS) (luTsenKo i współaut. 2008). Dzięki odpowiedniemu ułożeniu aminokwasów, do- meny transbłonowe uzyskują odpowiednie ułożenie przestrzenne, które jest kluczowe dla transportu jonów miedzi. Ponadto, jakie- kolwiek zmiany w sekwencji aminokwasów wewnątrz domen skutkują częściową lub cał- kowitą utratą funkcji danego białka (TüMer i Møller 2010). Domeny TMS1 oraz TMS2, mimo że również biorą udział w transporcie miedzi, w przeciwieństwie do domen TMS3- -TMS8, nie posiadają sekwencji konserwatyw- nych (Wang i współaut. 2011). Ze względu na swój przestrzenny układ, wspólna bu- dowa tych domen nazywana jest strukturą „spinki do włosów” (ang. hairpin). Całość tej struktury łączy się poprzez domenę TMS1 z domeną MBD6, ta część opisywanych białek jest bogata w cysteinę, dzięki której możli- we jest powstawanie mostków dwusiarcz- kowych, utrzymujących strukturę i umożli- wiającą wzajemne interakcje domen TMS1 i MBD6 (luTsenKo i współaut. 2007b, Wang i współaut. 2011). Domena A (ang. actuator domain) jest zlokalizowana na cytoplazmatycznej pętli, pomiędzy domeną TMS4 i TMS5 (Telianidis i współaut. 2013). Podlega zmianom konfigu- racji zależnym od przyłączenia ATP (banci i współaut. 2009). Jakiekolwiek mutacje w ob- 404 Wojciech KrzeptoWsKi i współaut. aktywnego enzymów. Przykładem może być amidacja neuropeptydów oraz produkcja nor- adrenaliny, dzięki działaniu odpowiednio en- zymów PAM (ang. peptidyl-a-amidating mo- nooxygenase) oraz MOXD1 (ang. DBH-like monooxygenase). W mózgu miedź jest także niezbędna w procesach synaptogenezy oraz pełni kluczową rolę dla pracy oksydazy lizylo- wej, która z kolei odpowiada za prawidłowe funkcjonowanie macierzy zewnątrzkomór- kowej (luTsenKo i współaut. 2010). Miedź transportowana jest do mózgu wraz z krwią, a ilość wspomnianego metalu, która jest bez- pośrednio wykorzystywana przez neurony i komórki glejowe, jest regulowana przez barie- rę krew–mózg (ang. blood-brain barier, BBB) oraz barierę krew–płyn mózgowo-rdzeniowy (ang. blood-cerebrospinal fluid barier, BCB). W fizjologicznych warunkach bariery te są nieprzepuszczalne dla miedzi i tylko trans- port z użyciem odpowiednich białek umoż- liwia wymianę jonów Cu. Głównym trans- błonowym transporterem miedzi w mózgu, podobnie jak w przypadku jelita, jest białko CTR1. Pobieranie miedzi do komórek tworzą- cych barierę może także zachodzić z użyciem DMT1, jednakże wydaje się, że białko to od- grywa główną rolę w BCB. Z kolei za eksport miedzi z komórek tworzących barierę odpo- wiadają białka ATP7A oraz ATP7B, jednakże ich ekspresja w obrębie BBB oraz BCB jest różna. Ilość ATP7A jest znacznie większa w BCB, natomiast w przypadku BBB przeważa białko ATP7B. Zaburzenia procesów home- ostazy jonów miedzi w mózgu mogą prowa- dzić do wielu dysfunkcji układu nerwowego, które są obserwowane także u chorych cier- piących na zespół Menkesa i Wilsona (luTsen- Ko i współaut. 2010, zheng i MonnoT 2012). drobnocząsteczkowego, bogatego w cysteinę białka (Kelly i palMiTer 1996) odwracalnie wiążącego miedź, a szczególnie jej nadmiar występujący w danej chwili w organizmie. Wraz z krwią miedź jest transportowana do innych organów. W nerkach, w procesie fil- tracji kłębuszkowej, pierwiastek ten trafia do przesączu pierwotnego, jednak ponownie w kanalikach proksymalnych ulega reabsorpcji przy udziale białka ATP7A i trafia do krwio- obiegu. Tylko 2% miedzi usuwane jest wraz z moczem, a organem zaangażowanym w wy- dalanie nadmiaru tego pierwiastka z organi- zmów jest wątroba. Jak już wspomniano, to w wątrobie miedź przechodzi do syntetyzo- wanej tu żółci i jest wydzielana razem z nią do przewodu pokarmowego. Jest to główna droga wydalania miedzi z organizmu i w ten sposób z organizmu jest usuwane 98% tego metalu (didonaTo i sarKar 1997, WijMenga i KloMp 2004). Aby zapobiec ponownemu wchłanianiu tego pierwiastka, w jelicie za- warta w żółci miedź jest związana w kom- pleksie z ceruloplazminą, co uniemożliwia absorbcję (Tapiero i współaut. 2003). Wraz z krwią, miedź jest transportowana w obrębie całego organizmu, w tym do mó- zgu. Organ ten, zaraz po wątrobie, gromadzi największe ilości wspomnianego pierwiastka, a sama miedź jest niezbędna zarówno do pra- widłowego rozwoju układu nerwowego, jak i jego funkcjonowania w życiu postnatalnym. W mózgu, podobnie jak w innych tkankach, miedź jest niezbędna do prawidłowej pra- cy komórek poprzez pełnienie roli kofaktora enzymów podstawowych ścieżek metabolicz- nych. Jednakże poza tym istnieje szereg pro- cesów specyficznych dla mózgu, gdzie miedź jest niezbędna dla funkcjonowania centrum ZABURZENIA METABOLIZMU MIEDZI U LUDZI U człowieka opisano kilka jednostek cho- robowych związanych z nieprawidłowym metabolizmem miedzi, szczególnie spowodo- wanych niedoborem tego pierwiastka. Część z nich wywołana jest przez mutacje genu kodującego białko ATP7A, powodujące cho- roby recesywne dziedziczone na chromoso- mach X, np. choroba Menkesa. W chorobie Menkesa główną przyczyną defektu metabo- licznego jest brak wchłaniania jonów miedzi w przewodzie pokarmowym, spowodowany brakiem aktywności białka ATP7A. Brak lub znaczne obniżenie aktywności białka wywo- łane jest z kolei mutacjami w obrębie genu ATP7, a częstość występowania tej rzadkiej choroby metabolicznej w populacji europej- skiej ocenia się jako 1: 300 000 żywych uro- dzeń (TüMer 2013). W Japonii schorzenie to występuje jeszcze rzadziej, bo 1 na 360 000 przypadków (guy i współaut. 2005), nato- miast stosunkowo często choroba ta poja- wia się w Australii — 1 na 100 000 urodzo- nych dzieci (a według innych źródeł nawet z częstością 1: 50 000) (danKs 1988, TüMer 2013). W ogromnej większości pacjentami są chłopcy, aczkolwiek chorobę tę zdiagno- 405Metabolizm miedzi oraz charakterystyka dziedzicznych zespołów chorobowych (ang. kinky hair disease). Wspomniana zmia- na struktury włosów spowodowana jest za- burzeniem aktywności miedzio-zależnego enzymu oksydazy lizylowej, która odpowiada za prawidłową syntezę cząsteczek kolagenu (TüMer i Møller 2010, KodaMa i współaut. 2011). Odbarwienie włosów, to z kolei efekt zaburzeń pigmentacji wywołany brakiem ak- tywności innego enzymu, tyrozynazy, kontro- lującej syntezę melaniny (Mercer i współaut. 1993). Zwraca uwagę również bardzo jasna skóra dziecka oraz charakterystyczny „cheru- binowy” wygląd pozbawionej mimiki twarzy z szerokimi policzkami, płaską nasadą nosa, i opadającymi powiekami (KochanoWsKa i współaut. 2008). Zwykle powyżej 2 miesią- ca życia obserwuje się zahamowanie rozwo- ju psychicznego i fizycznego, a nawet regres już posiadanych zdolności. U pacjentów, na skutek postępującej degeneracji systemu nerwowego, występują oporne na leczenie drgawki i nasilające się wraz z wiekiem na- pady padaczkowe. Obserwowano również szereg innych objawów neurologicznych ta- kich jak drżenie mięśni, spastyczność, wygó- rowanie odruchów ścięgnistych, zaburzenia widzenia. Dołączają również zaburzenia ze strony przewodu pokarmowego (wymioty, biegunka) (desai i Kaler 2008, KodaMa i współaut. 2011), a u chorych obserwuje się także osłabienie mięśniowe, co związane jest z obniżeniem aktywności enzymu oksydazy cytochromowej (Kreuder i współaut. 1993, TüMer 1998). Chorzy cierpią ponadto na osteoporozę, co prowadzi do złamań żeber i rozrzedzenia struktury kości długich oraz kości czaszki (pinTo i współaut. 1995, Kaler 1999, KochanoWsKa i współaut. 2008). U chorych obserwowano także anomalie w bu- dowie i funkcjonowaniu układu moczowego (uchyłkowatość pęcherza, rak nerki, refluks moczu), prowadzące do licznych infekcji dróg moczowych (oshio i współaut. 1997, haddad i współaut. 2012). Badania głowy z użyciem rezonansu magnetycznego wykazały, że u chorych dochodzi do atrofii pewnych obszarów mózgu, występują również zabu- rzenia w procesie mielinizacji (desai i Kaler 2008). Wszystko to skutkuje upośledzeniem fizycznym i umysłowym pacjentów. W więk- szości przypadków, osoby takie nie są w sta- nie samodzielnie chodzić, a nawet mają trud- ności z utrzymaniem pozycji siedzącej i pra- widłowej pozycji głowy (KodaMa i współaut. 2012). W ostatnim stadium choroby, wraz z nasilającymi się objawami neurologicznymi, występują trudności z oddychaniem, często zowano również u 13 dziewczynek (Møller i współaut. 2012), a jej ujawnienie się było spowodowane translokacją chromosomową lub mozaicyzmem 45X/46XX, gdzie praw- dopodobnie ekspresja zmutowanego genu nastąpiła w komórkach o kariotypie 45X. Choroba ta może być także związana z nie- typową inaktywacją chromosomu X (Møller i współaut. 2012). Zwykle jednak kobiety tylko przenoszą mutację i nie wykazują ob- jawów chorobowych. Obecnie, w zależności od stopnia nasilenia objawów chorobowych, a co za tym idzie również od długości życia pacjentów, wyróżnia się trzy formy choroby Menkesa: ostrą, przebiegającą łagodniej, po- średnią oraz najłagodniejszą, tzw. syndrom rogu potylicznego (ang. occipital horn syn- drome, OHS) (TüMer i Møller 2010, KodaMa i współaut. 2012). W formie ostrej, nazwanej też chorobą Menkesa o przebiegu klasycz- nym, chorzy chłopcy umierają zwykle przed osiągnięciem 5 roku życia. Niestety forma ta występuje u 95% wszystkich chorych ze zdiagnozowaną choroba Menkesa i u tych pacjentów występuje cały zespół objawów patologicznych obejmujących zarówno zabu- rzenia neurologiczne, jak i szereg objawów wynikających z upośledzonej budowy tkanki łącznej. Dzieci takie rodzą się w większości w terminie i z prawidłową wagą urodzenio- wą (TüMer i Møller 2010), jednak opisy- wano również przypadki przedwczesnych urodzeń (gu i współaut. 2005). U niektó- rych noworodków obserwowano również występowanie przepukliny pępkowej lub pachwinowej oraz deformację klatki piersio- wej, tzw. klatka piersiowa lejkowata (TüMer i Møller 2010). Choroba ta, z powodu bra- ku charakterystycznych objawów występu- jących wkrótce po urodzeniu, diagnozowa- na jest zwykle u dzieci 3–6 miesięcznych. Jakkolwiek w pierwszych tygodniach życia niepokój może budzić ciężka i przedłużają- ca się żółtaczka noworodkowa, jak również trudności w pobieraniu pokarmu, przemija- jące zaburzenia termoregulacji (hipotermia) czy hipoglikemia (KochanoWsKa i współaut. 2008, KodaMa i współaut. 2012). Ważnym czynnikiem, który może przyczynić się do wczesnego zdiagnozowania choroby jest wy- gląd włosów dziecka, które u pacjentów są szorstkie, suche, przypominające w dotyku owczą wełnę i najczęściej odbarwione. Wło- sy u takich dzieci są specyficznie skręcone o 180o tworząc strukturę określaną jako pili torti, dlatego też chorobę Menkesa określa się czasem, jako chorobę krętych włosów 406 Wojciech KrzeptoWsKi i współaut. centracja miedzi w mózgu i wątrobie (har- ris 1993). Występowanie trzech wariantów choro- by Menkesa spowodowane jest tym, że w obrębie genu ATP7A zachodzą różnego typu mutacje, które w różnym stopniu upośle- dzają aktywność białka ATP7A. U około 75% pacjentów chromosom ze zmutowanym ge- nem pochodzi od matki, która jest nosiciel- ką choroby, a sama nie wykazuje objawów patologicznych, natomiast u pozostałych 25% chorych mutacja w genie ATP7A powstaje de novo (KodaMa i współaut. 2012, TüMer 2013). Wyniki badań wykazały, że ostra for- ma choroby występuje w przypadku, gdy u danej osoby białko ATP7A jest funkcjonalnie nieczynne, czyli nie przejawia swojej aktyw- ności na drodze włączania jonów miedzi do cząsteczek enzymów, jak również nie uczest- niczy w regulacji stężenia kationów mie- dziowych. W komórkach pacjentów, którzy cierpią na OHS lub pośrednią, łagodniejszą formę choroby, białko ATP7A ma znacznie obniżoną aktywność, np. na skutek zmiany lokalizacji wewnątrzkomórkowej (Møller i współaut. 2009; TüMer i Møller 2010). W takim przypadku cząsteczki białka, zamiast w aparacie Golgiego, zlokalizowane są w sia- teczce śródplazmatycznej, co znacznie ogra- nicza możliwość transportu Cu do enzymów miedzio-zależnych, natomiast zachowało ono w pewnym stopniu zdolność do transpor- tu jonów miedzi przez błony komórkowe. Badania przeprowadzone na komórkach pa- cjentów z formą OHS wykazały również, że oprócz formy zmutowanej znajdowano tam również niewielkie ilości prawidłowych czą- steczek białka, które zachowały swoją aktyw- ność. Okazało się, że w komórkach nawet 5–10% prawidłowo zbudowanego i aktywne- go białka jest wystarczające, aby u pacjenta wystąpiła łagodna postać choroby. W sumie, do 2013 r. w obrębie genu ATP7A opisa- no 274 różnych mutacji prowadzących do wystąpienia objawów chorobowych. Różne też jest spektrum mutacji, począwszy od re- aranżacji chromosomowych polegających na przeniesieniu całych fragmentów chromoso- mu X na autosom, poprzez mutacje typu de- lecji, duplikacji czy insercji w obrębie oma- wianego genu, a skończywszy na zamianie jednej zasady w łańcuchu DNA w sekwencji genu ATP7A (TüMer 2013). W przypadku choroby Menkesa najliczniejszą grupę muta- cji (25%) stanowią duże delecje obejmujące jeden lub kilka egzonów; występowanie tego typu mutacji prowadzi w większości przy- dochodzi do utraty wzroku, tworzą się także krwiaki podtwardówkowe (TüMer i Møller 2010). Objawy chorobowe nasilają się wraz z wiekiem pacjentów, prowadząc w końcu do śmierci. Pacjenci cierpiący na OHS żyją znacznie dłużej i nie wykazują takiego stopnia zaawan- sowania choroby, a zaburzenia w funkcjono- waniu organizmu są głównie następstwem nieprawidłowości w budowie tkanki łącznej. U chorych formują się charakterystyczne wy- rostki, powstające jako zwapnienia, sięgające od mięśnia czworobocznego i mostkowo- -obojczykowo-sutkowego do kości potylicz- nej. Widoczna też jest nadmierna elastycz- ność skóry oraz wady w budowie kręgosłupa (Kaler 1999, TüMer i Møller 2010, KodaMa i współaut. 2011). Osłabienie mięśni, hiper- mobilność stawów i niezborność są przyczy- ną opóźnienia rozwoju ruchowego pacjen- tów, jednak ich zdolności intelektualne są tylko nieznacznie obniżone w porównaniu ze zdrowymi osobami. Pacjenci cierpiący na OHS charakteryzują się hipotermią i dlatego występuje u nich problem z tolerancją wy- sokich temperatur. Zaburzenia w budowie tkanki łącznej są u takich chorych również przyczyną wadliwej budowy naczyń krwio- nośnych przejawiającej się występowaniem tętniaków aorty i mózgu, w sercu może wy- stępować niedomykanie zastawki mitralnej (KodaMa i współaut. 2011, 2012). Bardzo często występuje uporczywa biegunka oraz infekcje dróg moczowych i nerek, spowodo- wane uchyłkowatością pęcherza moczowego i refluksami moczu, a w skrajnych przypad- kach dochodzi do pęknięcia pęcherza mo- czowego (proud i współaut. 1996). Długość życia pacjentów jest różna, jednak znacznie dłuższa niż w przypadku klasycznej formy choroby. Niektórzy pacjenci osiągają wiek 38 (proud i współaut. 1996), a nawet 50 lat (TüMer i Møller 2010). Opisano też grupę nielicznych pacjentów, u których choroba przebiegała w sposób nie- typowy, czyli wykazywali oni objawy charak- terystyczne dla formy ostrej, jednak długość życia zbliżona była raczej do formy OHS. Taki przebieg choroby określano, jako formę pośrednią (TüMer i Møller 2010, KodaMa i współaut. 2012). Wyniki badań biochemicznych wyka- zały, że u pacjentów z chorobą Menkesa występuje obniżenie stężenia miedzi w su- rowicy krwi (o dwie trzecie w porówna- niu ze stanem fizjologicznym), obniżenie zawartości ceruloplazminy oraz niska kon- 409Metabolizm miedzi oraz charakterystyka dziedzicznych zespołów chorobowych chromowej c. Przypuszcza się, że nadmierna akumulacja miedzi w wątrobie może, w tym przypadku, być spowodowana upośledze- niem funkcji białka ATP7B odpowiadającego w hepatocytach za włączanie miedzi do czą- steczek ceruloplazminy oraz biorącego udział w wydzielaniu nadmiaru tego pierwiastka do żółci. Wiadomo bowiem, że białko ATP7B w trakcie swojego cyklu katalitycznego również pakowane jest w pęcherzyki i transportowa- ne z aparatu Golgiego w obrębie cytoplazmy oraz do błony apikalnej w komórkach o bu- dowie spolaryzowanej. Również opisane u pacjentów z syndromem MEDNIK objawy chorobowe ze strony wątroby przypominają nieco te, występujące u pacjentów z choro- bą Wilsona. Dlatego też w przypadku syndro- mu MEDNIK zastosowano leczenie podob- ne jak w przypadku wspomnianego zespołu chorobowego, czyli podawanie preparatów zawierających cynk i ograniczających wchła- nianie miedzi w jelicie cienkim. Terapia ta spowodowała poprawę ze strony objawów wątrobowych, natomiast nie zaobserwowano u chorych ustąpienia zmian skórnych (MarTi- nelli i współaut. 2013; MarTinelli i dionisi- -Vici 2014). Choroba Wilsona wywołana jest przez mu- tację w genie ATP7B (MaraMaTsu i współaut. 1998). Zespół ten występuje z częstością od 1:35 000 na 100 000 żywych urodzeń (ThoMas i współaut. 1995) i dziedziczony jest autosomal- nie, recesywnie. Rozrzut ten jest spowodowa- ny różną frekwencją zmutowanej formy genu w różnych populacjach ludzkich. Główną przy- czyną zaburzeń w chorobie Wilsona jest brak aktywności białka ATP7B, co powoduje defekt przy włączaniu miedzi do ceruloplazminy pod- czas syntezy tego białka w wątrobie (roberTs i schilsKy 2008). W czasie choroby dochodzi do akumulacji miedzi, aż do stężenia toksyczne- go, w wątrobie, mózgu, nerkach oraz gałkach ocznych, co prowadzi do chronicznych stanów zapalnych wątroby i zaburzeń typu neurolo- gicznego (Wu i współaut. 1994, husTer 2010). Choroba Wilsona przebiega w trzech etapach. W pierwszym stadium miedź akumulowana jest w cytoplazmie hepatocytów, gdzie osiąga poziom toksyczny prowadzący do śmierci ko- mórek. W drugim etapie miedź z obumarłych hepatocytów uwalniana jest do krwioobiegu, a gwałtowny wzrost stężenia tego pierwiast- ka w surowicy krwi powoduje uszkodzenie błon erytrocytów, co prowadzi do anemii he- molitycznej. W ostatniej fazie choroby miedź akumulowana jest w nerkach prowadząc do dysfunkcji i stanów zwyrodnieniowych tego gim ramieniu chromosomu 7 w pozycji q22. Gen ten koduje białko σ1A będące małą pod- jednostką kompleksu adapterowego AP1, któ- ry jest odpowiedzialny za prawidłowe pako- wanie w pęcherzyki klatrynowe i transport białek z aparatu Golgiego do błony komór- kowej (MonTpeTiT i współaut. 2008, MarTi- nelli i dionisi-Vici 2014). Pomimo że białko σ1A nie jest bezpośrednio zaangażowane w wiązanie kationów miedziowych, to zmia- ny powodowane przez jego mutacje prowa- dzą do ciężkich zaburzeń metabolizmu tego pierwiastka. Dzieje się tak dlatego, że białko ATP7A pakowane jest w pęcherzyki klatryno- we i transportowane z aparatu Golgiego do błony komórkowej, a nieprawidłowy trans- port prowadzi do wystąpienia objawów cho- robowych (MonTpeTiT i współaut. 2008). We wszystkich opisanych przypadkach syndro- mu MEDNIK u chorych stwierdzono obniże- nie poziomu miedzi i ceruloplazminy w su- rowicy, przy jednoczesnym, potwierdzonym przez biopsję, podniesieniu zawartości tego pierwiastka w wątrobie. Chorzy charaktery- zowali się upośledzeniem umysłowym, głu- chotą oraz znacznym opóźnieniem rozwoju ruchowego spowodowanego hipotonią mię- śniową oraz neuropatiami ruchowymi. Wy- stępowała u nich również osteoporoza, a u wszystkich chorych występowały zaburzenia ze strony układu pokarmowego, manifestują- ce się między innymi uporczywymi biegun- kami, prowadzącymi w kilku przypadkach do śmierci w okresie dziecięcym. Charak- terystyczne dla tego zespołu chorobowego jest równocześnie występowanie problemów dermatologicznych. Zmiany skórne obejmują nadmierne rogowacenie i złuszczanie naskór- ka o cechach rybiej łuski (łac. ichthyosis), a także erytrodermie. U niektórych chorych występowały zaburzenia pigmentacji i zmia- ny w strukturze włosów podobne do tych, które obserwowano u pacjentów z choro- bą Menkesa. Nadmierne i postępujące wraz z wiekiem gromadzenie miedzi w wątrobie prowadziło u części pacjentów do zwłóknie- nia tego organu, jak również do wewnątrz- wątrobowego zastoju żółci (MarTinelli i dionisi-Vici 2014). Wyniki badań krwi takich pacjentów wykazały, że w ich osoczu wystę- powało podniesienie poziomu bardzo długo- łańcuchowych kwasów tłuszczowych (ang. very long chain fatty acid, VLCFA). Wykaza- no również, że u chorych, wtórnie do hypo- cupremii, występowało obniżenie ekspresji białek enzymatycznych zawierających w swo- im składzie atomy miedzi, np. oksydazy cyto- 410 Wojciech KrzeptoWsKi i współaut. nie żółtego pierścienia, zwanego pierścieniem Kaysera-Fleischera, w rogówce oka. Nieleczone schorzenie, kończy się śmiercią chorego (di- donaTo i sarKar 1997, husTer 2010). organu. Równocześnie miedź odkładana jest w mózgu wywołując szereg objawów neuro- logicznych. Charakterystyczne dla pacjentów dotkniętych chorobą Wilsona jest występowa- METABOLIZM MIEDZI ORAZ CHARAKTERYSTYKA DZIEDZICZNYCH ZESPOŁÓW CHOROBOWYCH, NA TLE NIEDOBORU MIEDZI, SPOWODOWANYCH ZABURZENIAMI AKTYWNOŚCI BIAŁKA ATP7A Streszczenie Miedź, ze względu na swoje właściwości oksydo- redukcyjne, jest kofaktorem wielu enzymów, ale nad- miar tego pierwiastka w organizmie jest szkodliwy, gdyż przyczynia się do powstawania dużych ilości wolnych rodników. W konsekwencji organizmy wy- kształciły precyzyjne mechanizmy kontrolujące trans- port i metabolizm miedzi, zarówno na poziomie komórkowym, jak i w obrębie całego organizmu. W transport tego pierwiastka w komórce zaangażowa- ne są białka, które możemy podzielić na trzy gru- py. Pierwszą są transbłonowe białka odpowiedzial- ne za transport miedzi przez błonę komórkową do cytoplazmy, do których zaliczamy białka CTR1 oraz DMT1. Kolejną grupą są białka chaperonowe, a ich główną funkcją jest dostarczenie miedzi do odpo- wiednich enzymów w komórce. Zaliczamy do nich białka CCS, ATOX1, COX oraz SCO. Ostatnią grupą są białka ATP7A oraz ATP7B, które odpowiadają za utrzymanie właściwego stężenia jonów Cu w komór- ce poprzez aktywny eksport miedzi z komórki lub przyłączanie tego pierwiastka do białek enzymatycz- nych. Zaburzenia w funkcjonowaniu wymienionych powyżej białek powodują naruszenie homeostazy miedzi w organizmie, co w konsekwencji prowadzi do rozwoju wielu zespołów chorobowych. U ludzi, intensywnie badana jest mutacja genu ATP7A, a na- silenie objawów chorobowych zależy od typu mu- tacji. Ekspresja całkowicie niefunkcjonalnego białka prowadzi do powstania klasycznej choroby Menkesa, która charakteryzuje się znaczącym upośledzeniem fizycznym i umysłowym pacjentów oraz śmiercią w okresie wczesnodziecięcym. W przypadku zachowa- nia części aktywności białka ATP7A rozwija się lżej- sza forma wspomnianej choroby, której objawy nie są tak dotkliwe, a pacjenci dożywają nawet pięćdzie- sięciu lat. Mutacje genu ATP7A mogą najprawdopo- dobniej prowadzić także do rozwoju dziedzicznej neuropatii ruchowej, aczkolwiek objawy chorobowe związane są głównie z osłabieniem i zanikiem mięśni kończyn górnych i nie przypominają objawów cho- roby Menkesa. Okazało się także, że mutacje innych genów mogą wpływać na prawidłowe funkcjonowa- nie białka ATP7A. Badania ostatniej dekady wykaza- ły istnienie dwóch nowych zespołów chorobowych związanych z niedoborem miedzi w organizmie. Są to zespół Huppke-Brendel oraz zespół MEDNIK, spowodowane mutacjami, odpowiednio w genach SLC33A1 oraz AP1S1. Białko kodowane na matrycy pierwszego z wymienionych genów odpowiada za acetylację białek, z kolei drugie białko jest związa- ne z „pakowaniem” odpowiednich białek w pęche- rzyki klatrynowe i ich transport z aparatu Golgiego do błony komórkowej. Wymienione powyżej białka są najprawdopodobniej niezbędne dla prawidłowej aktywności białka ATP7A, stąd mutacje w genach SLC33A1 i AP1S1 pośrednio powodują zaburzenia metabolizmu miedzi. Niestety, pomimo prób lecze- nia chorób związanych z niedoborem miedzi w or- ganizmie, nadal nie opracowano skutecznej terapii. COPPER METABOLISM AND CHARACTERISTIC OF INHERITED METABOLIC SYNDROMES CAUSED BY COPPER DEFICIENCY AND LACK OF ATP7A PROTEIN ACTIVITY Summary Copper due to its oxyreductive properties plays a role as a catalytic cofactor in a variety of enzymes. On the other hand excess of copper can be cyto- toxic because copper can participate in reactions that result in the production of highly reactive free radicals. Thus, living organisms developed precise regulatory mechanisms to keep accurate copper homeostasis. In cells copper ions are bound by sev- eral proteins such as: membrane transporters (CTR1 and DMT1) responsible for influx of Cu ions into cytoplasm; copper chaperones (CCS, ATOX1, COX and SCO) necessary for copper delivery to specific subcellular compartments and thereby to cuproen- zymes; Cu-transporting P-type ATPases (ATP7A and ATP7B) involved in copper transport into the secre- tory pathway and its export from the cell. Mutations of these proteins result in disturbance of copper ho- meostasis and lead to severe metabolic diseases. For example mutations of critical copper-transport pro- tein- ATP7A are implicated in distinctive phenotypes of Menkes disease or the milder Occipital Horn Syn- drome. Severe form of Menkes disease characterized by growth failure and deterioration of the nervous system developed when mutation lead to lack of activity of ATP7A protein. When mutated ATP7A protein preserves partial activity, milder form of dis- ease is developed. Recently it was reported that mis- sense mutations in ATP7A gene can lead to isolated adult-onset distal motor neuropathy. Such mutations appear to selectively disturb normal motor neuron function and it is distinctively different from Menkes disease, however. Additionally, two other syndromes induced by autosomal recessive mutations which in- directly affected the function of ATP7A have been discovered. Huppke–Brendel syndrome is caused by mutations in SLC33A1 which encodes an acetyl 411Metabolizm miedzi oraz charakterystyka dziedzicznych zespołów chorobowych vesicle. Both proteins are probably involved in AT- P7A modification or trafficking, respectively. Unfor- tunately, therapeutic strategies against inherited cop- per deficiency disorders are still unsuccessful. CoA transporter needed for acetylation proteins. MEDNIK syndrome is developed in the presence of mutations in the s1A subunit of adaptor protein complex 1 (AP1S1 gene), which mediates intracellu- lar trafficking linking clathrin to receptors in coated LITERATURA agarWal S., hong d., desai n. K., sazinsKy M. h., argüello j. M., rosenzWeig A. C., 2010. Structu- re and interactions of the C-terminal metal bin- ding domain of Archaeoglobus fulgidus CopA. Proteins 78, 2450–2458. ahMed S., deng J., borjigin J., 2005. A new strain of rat for functional analysis of PINA. Brain rese- arch. Mol. Brain Res. 137, 63–69. argüello J. M., eren e., gonzález-guerrero M., 2007. The structure and function of heavy me- tal transport P1B-ATPases. Biometals 20, 233– 248. arredondo M., Mendiburo M. j., flores s., single- Ton s. T., garricK M. D., 2014. Mouse divalent metal transporter 1 is a copper transporter in HEK293 cells. Biometals 27, 115–123. banci L., berTini i., canTini f., Migliardi M., naTile g., nushi f., rosaTo A., 2009. Solution structures of the actuator domain of ATP7A and ATP7B, the Menkes and Wilson disease proteins. Bioche- mistry 48, 7849–7855. borjigin J., payne a. s., deng j., li X., Wang M. M., oVodenKo b., giTlin j. d., snyder s. H., 1999. A novel pineal night-specific ATPase encoded by the Wilson disease gene. J. Neurosci. 19, 1018– 1026. danKs D. M., 1988. Copper deficiency in humans. Annu. Rev. Nutr. 8, 235–257. desai V., Kaler S. G., 2008. Role of copper in human neurological disorders. Am. J. Clin. Nutr. 88, 855S–858S. didonaTo M., sarKar B., 1997. Copper transport and its alterations in Menkes and Wilson diseases. Biochim. Biophys. Acta. 1360, 3–16. dijKsTra M., Van den berg g. j., WolTers h., in’T Veld g., slooff M. j., heyMans h. s., Kuipers f., VonK r. J., 1996. Adenosine triphosphate-depen- dent copper transport in human liver. J. Hepa- tol. 25, 37–42. drac H., 2009. Wieloogniskowa neuropatia rucho- wa. Polski Przegląd Neurol. 5, 74–77. gourdon P., siTsel o., lyKKegaard Karlsen j., birK Møller l., nissen P., 2012. Structural models of the human copper P-type ATPases ATP7A and ATP7B. Biol. Chem. 393, 205–216. gu y. h., KodaMa h., shiga K., naKaTa s., yanaga- Wa y., ozaWa h., 2005. A survey of Japanese pa- tients with Menkes disease from 1990 to 2003: incidence and early signs before typical symp- tomatic onset, pointing the way to earlier diag- nosis. J. Inherit. Metab. Dis. 28, 473–478. guo Y., nyasae l., braiTerMan l. T., hubbard a. l., 2005. NH 2 -terminal signals in ATP7B Cu-AT- Pase mediate its Cu-dependent anterograde traf- fic in polarized hepatic cells. Am. J. Physiol. Gas- trointest. Liver Physiol.289, G904–G916. gupTa A., luTsenKo S., 2012. Evolution of copper transporting ATPases in eukaryotic organisms. Curr. Genom. 13, 124–133. guy. H., KodaMa H., shiga K., naKaTa s., yanagaWa y., ozaWa H., 2005. A survey of Japanese pa- tients with Menkes disease from 1990 to 2003: incidence and early signs before typical symp- tomatic onset, pointing the way to earlier diag- nosis. J. Inherit. Metab. Dis. 28, 473–478. haddad M. R., Macri c. j., holMes c. s., goldsTein d. s., jacobson b. e., cenTeno j. a., popeK e. j., gahl W. A., Kaler S. G., 2012. In utero copper treatment for Menkes disease associated with a severe ATP7A mutation. Mol. Genet. Metab. 107, 222–228. harris E. D., 1993. Menkes Disease: Perspective and Update on a Fatal Copper Disorder. Nutr. Rev. 51, 235–238. horVáTh r., freisinger p., rubio r., Merl T., baX r., Mayr j. a., shaWn Müller-höcKer j., pongraTz d., Møller l. b., horn n., jaKsch M., 2005. Con- genital cataract, muscular hypotonia, develop- mental delay and sensorineural hearing loss as- sociated with a defect in copper metabolism. J. Inherit. Metab. Dis. 28, 479–492. huffMan D. L., o’halloran T. V., 2001. Function, structure, and mechanism of intracellular cop- per trafficking proteins. Ann. Rev. Biochem. 70, 677–701. huppKe P., brendel c., Kalscheuer V., KorenKe g. c., MarquardT i., freisinger p., chrisTodoulou j., hillebrand M., piTeleT g., Wilson c., gru- ber-sedlMayr u., ullMann r., hass s., elpeleg o., nürnberg g., nürnberg p., dad s, Møller l. b., Kler s. g., gärTner J., 2012. Mutations in SLC33A1 cause a lethal autosomal-recessive disorder with congenital cataracts, hearing loss, and low serum copper and ceruloplasmin. Am. J. Hum. Genet. 90, 61–68. husTer D., 2010. Wilson disease. Best Pract. Res. Clin. Gastroenterol. 24, 531–539. Kaler S. G,. 1999. Metabolic and molecular bases of Menkes disease and occipital horn syndrom. Pe- diatr. Int. 41, 436–442. Kaler S. G., holMes c. s., goldsTein d. s., Tang j., godWin s. c., donsanTe a., lieW c. j., saTo s., paTronas n., 2008. Neonatal diagnosis and treatment of Menkes disease. N. Engl. J. Med. 358, 605–614. Kaler S. G., 2013. Inborn errors of copper metabo- lism. Handb. Clin. Neurol. 113, 1745–1754. KaWaMaTa H., Manfredi G., 2010. Import, matura- tion, and function of SOD1 and its copper chap- erone CCS in the mitochondrial intermembrane space. Antiox. Redox Signal. 13, 1375–1384. Kelly E. J., palMiTer R. D., 1996. A murine model of Menkes disease reveals a physiological function of metallothionein. Nat. Genet. 13, 219–222. Kelner g.s., lee M., clarK M. e., MaciejeWsKi d., Mc- graTh d., rabizadeh s., lyons T., bredesen d., jenner p., MaKi r. a., 2000. The copper transport protein Atox1 promotes neuronal survival. J. Biol. Chem. 7, 580–584. Kennerson M. L., nicholson g. a., Kaler s. g., KoW- alsKi b., Mercer j. f., Tang j., llanos r. M., chu s., TaKaTa r. i., specK-MarTins c. e., baeTs j., alMeida-souza l., fischer d., TiMMerMan V., Tay- lor p. e., scherer s. s., ferguson T. a., bird T. d., de jonghe p., feely s. M., shy M. e., garbern j. y., 2010. Missense mutations in the copper transporter gene ATP7A cause X-linked distal hereditary motor neuropathy. Am. J. Hum. Gen- et. 12, 343–52.