ATP7A , también conocida como proteína de Menkes ( MNK ), es una ATPasa de tipo P transportadora de cobre que utiliza la energía que surge de la hidrólisis del ATP para transportar Cu(I) a través de las membranas celulares. La proteína ATP7A es una proteína transmembrana y se expresa en el intestino y en todos los tejidos excepto en el hígado. En el intestino, ATP7A regula la absorción de Cu(I) en el cuerpo humano transportando Cu(I) desde el intestino delgado a la sangre. En otros tejidos, ATP7A viaja entre el aparato de Golgi y la membrana celular para mantener concentraciones adecuadas de Cu(I) (dado que no hay Cu(I) libre en la célula, los iones Cu(I) están todos fuertemente unidos) en la célula y proporciona ciertas enzimas con Cu(I) (por ejemplo, peptidil-α-monooxigenasa , tirosinasa y lisil oxidasa ). El trastorno genético letal, hereditario y ligado al cromosoma X del gen ATP7A causa la enfermedad de Menkes , una deficiencia de cobre que provoca la muerte temprana en la niñez. [5]
Gene
El gen ATP7A está ubicado en el brazo largo (q) del cromosoma X en la banda Xq21.1. La proteína ATP7A codificada tiene 1.500 aminoácidos. [6] Se han descubierto al menos 12 mutaciones causantes de enfermedades en este gen. [7] Las mutaciones, adiciones o eliminaciones de este gen a menudo causan deficiencia de cobre, lo que conduce a una neurodegeneración progresiva y la muerte en los niños. [8]
Estructura
ATP7A es una proteína transmembrana con los extremos N y C orientados hacia el citosol (ver imagen). Es altamente homólogo a la proteína ATP7B . ATP7A contiene tres dominios funcionales principales: [9] [10] [11] [12]
Ocho segmentos transmembrana que forman un canal y permiten que el Cu(I) atraviese la membrana;
Un dominio de unión a ATP;
Un gran dominio citosólico N-terminal que contiene seis sitios de unión de Cu(I) repetidos, cada uno de los cuales contiene un motivo GMTCXXC.
Se conservan muchos motivos en la estructura ATP7A: [11]
El motivo TGEA se encuentra en el bucle del lado citosólico entre los segmentos transmembrana 4 y 5 y participa en la transferencia de energía.
El motivo CPC ubicado en el segmento transmembrana 6 es común para todas las ATPasas transportadoras de metales pesados.
Entre los segmentos transmembrana 6 y 7 hay un gran bucle citoplasmático, donde se ubican tres motivos: DKTG, SEHPL y GDGXND.
El motivo DKTG es esencial para el correcto funcionamiento de la ATPasa. El residuo de ácido aspártico (D) se fosforila durante los ciclos de transporte.
El motivo SEHPL solo existe en ATPasas tipo P que transportan metales pesados. Sin el residuo de histidina (H), es posible que ATP7A no funcione correctamente.
Se cree que el motivo GDGXND cerca del segmento transmembrana 7 contiene principalmente hélices α y sirve como soporte estructural.
Los seis sitios de unión de Cu(I) en el N-terminal unen un Cu(I) cada uno. Este sitio de unión no es específico para Cu(I) y puede unirse a varios iones de metales de transición. Cd(II), Au(III) y Hg(II) se unen al sitio de unión más estrechamente que Zn(II), mientras que Mn(II) y Ni(II) tienen afinidades más bajas en relación con Zn(II). En el caso del Cu(I), se observa un posible mecanismo de unión cooperativa . Cuando la concentración de Cu(I) es baja, el Cu(I) tiene una menor afinidad por el ATP7A en comparación con el Zn(II); A medida que aumenta la concentración de Cu(I), se observa un aumento espectacular de la afinidad del Cu(I) por la proteína. [11]
Cambio conformacional
Los dos residuos de cisteína (C) en cada sitio de unión de Cu (I) están coordinados con Cu (I) con un ángulo S-Cu (I) -S entre 120 y 180 ° y una distancia Cu-S de 2,16 Å. Los resultados experimentales de una proteína homóloga ATP7B sugieren que están involucrados reactivos reductores y, al unirse el Cu(I), el enlace disulfuro entre los residuos de cisteína se rompe a medida que la cisteína comienza a unirse al Cu(I), lo que lleva a una serie de cambios conformacionales en el N-terminal de la proteína y posiblemente activando la actividad transportadora de Cu (I) de otros bucles citosólicos. [11]
De los seis sitios de unión de cobre(I), dos se consideran suficientes para la función de transporte de Cu(I). La razón por la que hay seis sitios de unión aún no se comprende completamente. Sin embargo, algunos científicos han propuesto que los otros cuatro sitios pueden servir como detectores de concentración de Cu(I). [9]
Mecanismo de transporte
ATP7A pertenece a una familia de transportadores denominada ATPasas tipo P , que catalizan la autofosforilación de un residuo clave conservado de ácido aspártico (D) dentro de la enzima. El primer paso es la unión del ATP al dominio de unión a ATP y la unión del Cu(I) a la región transmembrana. Luego, el ATP7A se fosforila en el residuo clave del ácido aspártico (D) en el motivo DKTG altamente conservado, acompañado de la liberación de Cu(I). Una desfosforilación posterior del intermedio finaliza el ciclo catalítico. Dentro de cada ciclo, ATP7A se interconvierte entre al menos dos conformaciones diferentes, E1 y E2. En el estado E1, el Cu(I) está fuertemente unido a los sitios de unión del lado citoplasmático; en el estado E2, la afinidad de ATP7A por el Cu(I) disminuye y el Cu(I) se libera en el lado extracelular. [13]
Función
ATP7A es importante para regular el cobre Cu (I) en mamíferos. [10] Esta proteína se encuentra en la mayoría de los tejidos, pero no se expresa en el hígado. [11] En el intestino delgado, la proteína ATP7A ayuda a controlar la absorción de Cu(I) de los alimentos. Después de que los enterocitos absorben los iones Cu (I) , se requiere ATP7A para transferirlos a través de la membrana basolateral hacia la circulación. [9]
En otros órganos y tejidos, la proteína ATP7A tiene una doble función y se desplaza entre dos ubicaciones dentro de la célula. La proteína normalmente reside en una estructura celular llamada aparato de Golgi , que modifica y transporta enzimas y otras proteínas recién producidas. Aquí, ATP7A suministra Cu(I) a ciertas enzimas (por ejemplo, peptidil-α-monooxigenasa , tirosinasa y lisil oxidasa [9] ) que son críticas para las estructuras y funciones del cerebro, los huesos, la piel, el cabello, el tejido conectivo y el sistema nervioso. Sin embargo, si los niveles de Cu(I) en el entorno celular son elevados, el ATP7A se mueve hacia la membrana celular y elimina el exceso de Cu(I) de la célula. [8] [10]
Las funciones del ATP7A en algunos tejidos del cuerpo humano son las siguientes: [10]
La enfermedad de Menkes es causada por mutaciones en el gen ATP7A. [14] Los investigadores han identificado diferentes mutaciones de ATP7A que causan la enfermedad de Menkes y el síndrome del cuerno occipital (SHO), la forma más leve de la enfermedad de Menkes. Muchas de estas mutaciones eliminan parte del gen y se predice que producirán una proteína ATP7A acortada que no puede transportar Cu(I). Otras mutaciones insertan pares de bases de ADN adicionales o utilizan pares de bases incorrectos, lo que conduce a proteínas ATP7A que no funcionan correctamente. [6]
Las proteínas alteradas que resultan de las mutaciones de ATP7A perjudican la absorción de cobre de los alimentos, no suministran cobre a ciertas enzimas o quedan atrapadas en la membrana celular, incapaces de viajar de un lado a otro desde el Golgi. Como resultado de la actividad alterada de la proteína ATP7A, el cobre se distribuye mal a las células del cuerpo. El cobre se acumula en algunos tejidos, como el intestino delgado y los riñones, mientras que el cerebro y otros tejidos tienen niveles inusualmente bajos. [8] [9] La disminución del suministro de cobre puede reducir la actividad de numerosas enzimas que contienen cobre que son necesarias para la estructura y función de los huesos, la piel, el cabello, los vasos sanguíneos y el sistema nervioso. [8] [10] El cobre también es fundamental para la propagación de proteínas priónicas , y los ratones con mutaciones en Atp7a tienen una aparición tardía de la enfermedad priónica. [15] Se ha puesto a disposición un recurso completo de variantes genéticas clínicamente anotadas en el gen ATP7A [16] que confirma las pautas del Colegio Americano de Genética y Genómica Médica para la interpretación de variantes de secuencia.
Inhibición
Se ha demostrado que un inhibidor de la bomba de protones, el omeprazol, bloquea el ATP7A, además de su función más establecida de bloquear el ATP4A.
^ abc GRCh38: Ensembl lanzamiento 89: ENSG00000165240 - Ensembl , mayo de 2017
^ abc GRCm38: Ensembl lanzamiento 89: ENSMUSG00000033792 - Ensembl , mayo de 2017
^ "Referencia humana de PubMed:". Centro Nacional de Información Biotecnológica, Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
^ "Referencia de PubMed del ratón:". Centro Nacional de Información Biotecnológica, Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
^ Tümer Z, Møller LB, Horn N (1999). "Espectro de mutación de ATP7A, el gen defectuoso en la enfermedad de Menkes". Transporte de cobre y sus trastornos . Avances en Medicina y Biología Experimentales. vol. 448, págs. 83–95. doi :10.1007/978-1-4615-4859-1_7. ISBN978-1-4613-7204-2. PMID 10079817.
^ ab Kodama H, Murata Y (agosto de 1999). "Genética molecular y fisiopatología de la enfermedad de Menkes". Pediatría Internacional . 41 (4): 430–5. doi :10.1046/j.1442-200x.1999.01091.x. PMID 10453200. S2CID 19509148.
^ Šimčíková D, Heneberg P (diciembre de 2019). "Refinamiento de las predicciones de la medicina evolutiva basadas en evidencia clínica para las manifestaciones de enfermedades mendelianas". Informes científicos . 9 (1): 18577. Código bibliográfico : 2019NatSR...918577S. doi :10.1038/s41598-019-54976-4. PMC 6901466 . PMID 31819097.
^ abcd Kaler SG (enero de 2011). "Conceptos emergentes y tendencias futuras de enfermedades del transporte de cobre relacionadas con ATP7A". Reseñas de la naturaleza. Neurología . 7 (1): 15–29. doi :10.1038/nrneurol.2010.180. PMC 4214867 . PMID 21221114.
^ abcde Lutsenko S, Gupta A, Burkhead JL, Zuzel V (agosto de 2008). "Multitarea celular: la doble función de las Cu-ATPasas humanas en la entrega de cofactor y el equilibrio del cobre intracelular". Archivos de Bioquímica y Biofísica . 476 (1): 22–32. doi :10.1016/j.abb.2008.05.005. PMC 2556376 . PMID 18534184.
^ abcdef Crisponi G, Nurchi VM, Fanni D, Gerosa C, Nemolato S, Faa G (abril de 2010). "Enfermedades relacionadas con el cobre: de la química a la patología molecular". Revisiones de Química de Coordinación . 254 (7–8): 876–889. doi :10.1016/j.ccr.2009.12.018.
^ abcde Bertini I, Gray H, Stiefel E, Valentine J (2006). Química biológica inorgánica: estructura y reactividad . Sausalito, CA: Libros de ciencias universitarias. ISBN978-1-891389-43-6.
^ Inesi G, Pilankatta R, Tadini-Buoninsegni F (octubre de 2014). "Caracterización bioquímica de ATPasas de cobre tipo P". La revista bioquímica . 463 (2): 167–76. doi :10.1042/BJ20140741. PMC 4179477 . PMID 25242165.
^ Banci L, Bertini I, Cantini F, Ciofi-Baffoni S (agosto de 2010). "Distribución de cobre celular: un enfoque de biología de sistemas mecanicistas". Ciencias de la vida celulares y moleculares . 67 (15): 2563–89. doi :10.1007/s00018-010-0330-x. PMID 20333435. S2CID 41967295.
^ Hordyjewska A, Popiołek Ł, Kocot J (agosto de 2014). "Las muchas" caras "del cobre en la medicina y el tratamiento". Biometales . 27 (4): 611–21. doi :10.1007/s10534-014-9736-5. PMC 4113679 . PMID 24748564.
^ Siggs OM, Cruite JT, Du X, Rutschmann S, Masliah E, Beutler B, Oldstone MB (agosto de 2012). "La alteración de la homeostasis del cobre debido a una mutación de Atp7a retrasa la aparición de la enfermedad priónica". Proc. Nacional. Acad. Ciencia. EE.UU . 109 (34): 13733–8. doi : 10.1073/pnas.1211499109 . PMC 3427069 . PMID 22869751.
^ "ATP7Agen, un recurso integral para variantes clínicamente anotadas en el gen ATP7A". clingen.igib.res.in . Consultado el 6 de julio de 2020 .
Otras lecturas
Barnes N, Tsivkovskii R, Tsivkovskaia N, Lutsenko S (2005). "Las ATPasas transportadoras de cobre, las proteínas de la enfermedad de Menkes y Wilson, tienen funciones distintas en el cerebelo adulto y en desarrollo". J Biol Chem . 280 (10): 9640–5. doi : 10.1074/jbc.M413840200 . PMID 15634671.
Greenough M, Pase L, Voskoboinik I, Petris MJ, O'Brien AW, Camakaris J (2004). "Señales que regulan el tráfico de ATPasa tipo P translocadora de cobre de Menkes (MNK; ATP7A) en células MDCK polarizadas". Soy J Physiol Cell Physiol . 287 (5): C1463–71. doi :10.1152/ajpcell.00179.2004. PMID 15269005. S2CID 40168524.
Møller LB, Tümer Z, Lund C, Petersen C, Cole T, Hanusch R, Seidel J, Jensen LR, Horn N (2000). "Mutaciones similares en el sitio de empalme del gen ATP7A conducen a diferentes fenotipos: enfermedad de Menkes clásica o síndrome del cuerno occipital". Soy J Hum Genet . 66 (4): 1211–20. doi :10.1086/302857. PMC 1288188 . PMID 10739752.
Voskoboinik I, Camakaris J (2002). "ATPasa de tipo P translocadora de cobre de Menkes (ATP7A): propiedades bioquímicas y de biología celular y papel en la enfermedad de Menkes". J Bioenerg Biomembr . 34 (5): 363–71. doi :10.1023/A:1021250003104. PMID 12539963. S2CID 23109512.
Harris ED, Reddy MC, Qian Y, Tiffany-Castiglioni E, Majumdar S, Nelson J (1999). "Múltiples formas de Menkes Cu-ATPasa". Transporte de cobre y sus trastornos . Avances en Medicina y Biología Experimentales. vol. 448, págs. 39–51. doi :10.1007/978-1-4615-4859-1_4. ISBN 978-1-4613-7204-2. PMID 10079814.
Cox DW, Moore SD (2003). "Cobre que transporta ATPasas tipo P y enfermedades humanas". J. Bioenergía. Biomembre . 34 (5): 333–8. doi :10.1023/A:1021293818125. PMID 12539960. S2CID 21471699.
Voskoboinik I, Camakaris J (2003). "ATPasa de tipo P translocadora de cobre de Menkes (ATP7A): propiedades bioquímicas y de biología celular y papel en la enfermedad de Menkes". J. Bioenergía. Biomembre . 34 (5): 363–71. doi :10.1023/A:1021250003104. PMID 12539963. S2CID 23109512.
La Fontaine S, Mercer JF (2007). "Tráfico de cobre-ATPasas, ATP7A y ATP7B: papel en la homeostasis del cobre". Arco. Bioquímica. Biofísica . 463 (2): 149–67. doi :10.1016/j.abb.2007.04.021. PMID 17531189.
Lutsenko S, LeShane ES, Shinde U (2007). "Base bioquímica de la regulación de las ATPasas transportadoras de cobre humanas". Arco. Bioquímica. Biofísica . 463 (2): 134–48. doi :10.1016/j.abb.2007.04.013. PMC 2025638 . PMID 17562324.
Dierick HA, Ambrosini L, Spencer J, Glover TW, Mercer JF (1996). "Estructura molecular del gen de la enfermedad de Menkes (ATP7A)". Genómica . 28 (3): 462–9. doi :10.1006/geno.1995.1175. PMID 7490081.
Tümer Z, Vural B, Tønnesen T, Chelly J, Monaco AP, Horn N (1995). "Caracterización de la estructura exónica del gen de la enfermedad de Menkes mediante PCR vectorette". Genómica . 26 (3): 437–42. doi :10.1016/0888-7543(95)80160-N. PMID 7607665.
Kaler SG, Gallo LK, Proud VK, Percy AK, Mark Y, Segal NA, Goldstein DS, Holmes CS, Gahl WA (1995). "Síndrome del cuerno occipital y un fenotipo de Menkes leve asociado con mutaciones del sitio de empalme en el locus MNK". Nat. Genet . 8 (2): 195-202. doi :10.1038/ng1094-195. PMID 7842019. S2CID 12122103.
Das S, Levinson B, Whitney S, Vulpe C, Packman S, Gitschier J (1994). "Diversas mutaciones en pacientes con enfermedad de Menkes a menudo provocan la omisión de exones". Soy. J. hum. Genet . 55 (5): 883–9. PMC 1918324 . PMID 7977350.
Chelly J, Tümer Z, Tønnesen T, Petterson A, Ishikawa-Brush Y, Tommerup N, Horn N, Monaco AP (1993). "Aislamiento de un gen candidato para la enfermedad de Menkes que codifica una posible proteína de unión a metales pesados". Nat. Genet . 3 (1): 14–9. doi :10.1038/ng0193-14. PMID 8490646. S2CID 205341350.
Mercer JF, Livingston J, Hall B, Paynter JA, Begy C, Chandrasekharappa S, Lockhart P, Grimes A, Bhave M, Siemieniak D (1993). "Aislamiento de un gen candidato parcial para la enfermedad de Menkes mediante clonación posicional". Nat. Genet . 3 (1): 20–5. doi :10.1038/ng0193-20. PMID 8490647. S2CID 9148871.
Vulpe C, Levinson B, Whitney S, Packman S, Gitschier J (1993). "Aislamiento de un gen candidato para la enfermedad de Menkes y evidencia de que codifica una ATPasa transportadora de cobre". Nat. Genet . 3 (1): 7–13. doi :10.1038/ng0193-7. PMID 8490659. S2CID 24883244.
Levinson B, Conant R, Schnur R, Das S, Packman S, Gitschier J (1997). "Un elemento repetido en la región reguladora del gen MNK y su deleción en un paciente con síndrome del cuerno occipital". Tararear. Mol. Genet . 5 (11): 1737–42. doi :10.1093/hmg/5.11.1737. PMID 8923001.
Yamaguchi Y, Heiny ME, Suzuki M, Gitlin JD (1997). "Caracterización bioquímica y localización intracelular de la proteína de la enfermedad de Menkes". Proc. Nacional. Acad. Ciencia. EE.UU . 93 (24): 14030–5. doi : 10.1073/pnas.93.24.14030 . PMC 19489 . PMID 8943055.
Petris MJ, Mercer JF, Culvenor JG, Lockhart P, Gleeson PA, Camakaris J (1997). "Transporte regulado por ligando de la bomba de eflujo de ATPasa tipo P de cobre de Menkes desde el aparato de Golgi a la membrana plasmática: un nuevo mecanismo de tráfico regulado". EMBO J. 15 (22): 6084–95. doi :10.1002/j.1460-2075.1996.tb00997.x. PMC 452430 . PMID 8947031.
Tümer Z, Lund C, Tolshave J, Vural B, Tønnesen T, Horn N (1997). "Identificación de mutaciones puntuales en 41 pacientes no relacionados afectados por la enfermedad de Menkes". Soy. J. hum. Genet . 60 (1): 63–71. PMC 1712537 . PMID 8981948.
Dierick HA, Adam AN, Escara-Wilke JF, Glover TW (1997). "Localización inmunocitoquímica de la proteína transportadora de cobre de Menkes (ATP7A) en la red trans-Golgi". Tararear. Mol. Genet . 6 (3): 409–16. doi : 10.1093/hmg/6.3.409 . PMC 7185191 . PMID 9147644.
Ronce N, Moizard MP, Robb L, Toutain A, Villard L, Moraine C (1997). "Una transición C2055T en el exón 8 del gen ATP7A se asocia con la omisión de exón en una familia del síndrome del cuerno occipital". Soy. J. Hum. Genet . 61 (1): 233–8. doi :10.1016/S0002-9297(07)64297-9. PMC 1715861 . PID 9246006.
Gitschier J, Moffat B, Reilly D, Wood WI, Fairbrother WJ (1998). "Estructura de la solución del cuarto dominio de unión a metales de la ATPasa transportadora de cobre de Menkes". Nat. Estructura. Biol . 5 (1): 47–54. doi :10.1038/nsb0198-47. PMID 9437429. S2CID 172550.
La entrada de GeneReviews/NCBI/NIH/UW sobre los trastornos del transporte de cobre relacionados con ATP7A incluye: enfermedad de Menkes, síndrome del cuerno occipital, neuropatía motora distal relacionada con ATP7A
Entradas de OMIM sobre trastornos del transporte de cobre relacionados con ATP7A