марганцю

  • предметів
  • реферат
  • вступ
  • результат
  • U миша Slc39a14-/- sa розвивати прогресивний дефіцит поведінки та рухів
  • Втрата виразу Slc39a14 призводить до накопичення Mn
  • Втрата виразу Slc39a14 змінює експресію різних транспортерів Mn в декількох тканинах
  • Делеція експресії, специфічна для гепатоцитів Slc39a14 не призводить до накопичення Mn зі стандартним Mn у раціоні
  • Висока дієта Mn не призводить до накопичення печінки Mn у гепатоцитоспецифічних гепатоцитах Slc39a14- викинуті миші.
  • обговорення
  • Додаткова інформація
  • Файли PDF
  • Додаткова інформація
  • відео
  • Додаткова плівка S1
  • Додаткова плівка S2
  • Додаткова плівка S3
  • Додаткова плівка S4
  • Додаткова плівка S5

предметів

  • Механізми захворювання
  • Транспорт білка

реферат

В організмі гомеостаз металів - це складний процес, що включає безліч транспортерів, які жорстко регулюються рівнем їх субстратів та/або іншими умовами навколишнього середовища. Мозок особливо чутливий до токсичної дії металів, і метали легко накопичуються в мозку, коли порушується гомеостаз металів [1, 2, 3]. Марганець (Mn), який є важливим елементом для людини, зазвичай міститься в мозку, кістках, печінці, підшлунковій залозі та нирках, а дисбаланс Mn пов’язаний із порушенням функції мозку [4, 5, 6, 7]. На сьогоднішній день виявлено декілька транспортних білків, які відіграють певну роль у підтримці рівня Mn, включаючи двовалентний транспортер іонів-1 (DMT1) [8, 9, 10, 11], ферропортин (Fpn1) [12], SLC39A8 (також відомий як ZIP8). [13, 14], SLC30A10 (також відомий як ZnT10) [15, 16, 17] та SLC39A14 (також відомий як ZIP14) [4]. Однак точні молекулярні механізми, що лежать в основі гомеостазу Mn, недостатньо відомі.

SLC39A14 вперше з’явився завдяки своїй ролі у всмоктуванні цинку в печінку у відповідь на гостре запалення та інфекцію [28]. Мутації в SLC39A14 можуть викликати паркінсонізмоподібні симптоми (PD-подібні) в результаті накопичення Mn у різних структурах мозку, особливо в блідому шарі та смугастому тілі [4]. Подібним чином мутації в інших транспортерах Mn, таких як SLC30A10, також можуть викликати нейротоксичність Mn та пов'язані з цим симптоми [15, 29, 30]. Однак, незважаючи на встановлену роль гомеостазу Mn у підтримці здоров’я, специфічна для тканини роль транспортерів Mn чітко не визначена.

Тут ми повідомляємо, що глобальні миші з нокаутом Slc39a14 (Slc39a14 -/-) та гепатоцити, специфічні для мишей з нокаутом Slc39a14 (Slc39a14 fl/fl; Alb-Cre +), мають різні фенотипи, пов'язані з Mn, та розподіл металевих тканин. Зокрема, хоча миші Slc39a14 -/- рекапітулюють гіперманганемію, яка виникає у пацієнтів з PD-подібним синдромом [4], накопичення Mn не спостерігалося в мозку та інших тканинах мишей Slc39a14 fl/fl; Alb-Cre +, які мають значно нижчий рівень Mn у печінці. Ці результати дають нове розуміння фізіологічної ролі SLC39A14 як головного імпортера Mn у печінці та проливають нове світло на клінічні наслідки порушення гомеостазу Mn.

результат

Slc39a14 -/- у мишей розвивається прогресивний дефіцит поведінки та рухів

Відповідно до попередніх звітів [31, 32], наші гомозиготні планери Slc39a14 (Slc39a14 -/-) життєздатні і не мають явних морфологічних відхилень при народженні. Однак до 4-тижневого віку у цих мишей починають проявлятися ознаки прогресуючого випадкового кортиколісу та рухового дефіциту (рис. 1а; додаткова плівка S1, додаткова плівка S2, додаткова плівка S3, додаткова плівка S4, додаткова плівка S5). Порівняно з послідами дикого типу, миші Slc39a14 -/- мають нижчу масу тіла у віці 8 тижнів (рис. 1b). У шестимісячному віці миші Slc39a14 -/- почали проявляти ознаки дистонії з прогресуючою нездатністю координувати свою рухову активність (рис. 1c-i); ці симптоми подібні до PD-подібних рухових порушень у пацієнтів з мутацією SLC39A14 [4].

Втрата експресії Slc39a14 призводить до накопичення Mn

Як повідомляється, Slc39a14 транспортує кілька металів, включаючи Mn [4], цинк (Zn) [31] та залізо (Fe) [40]. Тому ми використовували мас-спектрометрію з індуктивно зв'язаною плазмою (ICP-MS) для вимірювання рівнів різних металів у мишей Slc39a14 -/- та мишей дикого типу [41, 42, 43]. Цікаво, що порівняно з контролем дикого типу, відповідним за віком, у 48-тижневих мишей Slc39a14 -/- миші мали значно вищий рівень Mn у широкому діапазоні тканин, включаючи сироватку, мозок, нирки, легені, серце та селезінку (рис. 2а); Рівень Mn у печінці та кишечнику був подібним у мишей дикого типу та Slc39a14 -/-. Ми не виявили суттєвих відмінностей між мишами дикого типу та мишами Slc39a14 -/- щодо Fe, Zn або Cu у будь-якій тканині (Рисунок 2b-d), за винятком незначного, але помітного підвищення рівня Fe у сироватці крові (Рисунок 2b Загалом, ці дані свідчать про те, що Slc39a14 є переважно транспортером Mn.

У мишей slc39a14 -/- Mn накопичується в різних тканинах. ( a - d ) Рівні Mn ( a ), Fe ( b ), Zn ( c ) і Cu ( d ) вимірювали у зазначених тканинах мишей дикого типу (WT) та Slc39a14 -/- (KO) на терміні> 24 тижні за допомогою ICP-MS (n = 4 миші/група). В точці і так зверніть увагу на розрив осі Y для сироватки Mn. * P -/- обробляли протягом чотирьох тижнів CaEDTA Na2 (370 мг/кг маси тіла) або фізіологічним розчином (n = 8 - 12 мишей/група, вік 5 місяців). f ) результати тесту на ротарод у мишей Slc39a14 -/-, оброблених Na2 CaEDTA або фізіологічним розчином протягом чотирьох тижнів (n = 8–12 мишей/група, вік 5 місяців). В e a f, * Р -/- Рівні Mn в мозку, які є

У 10 разів вище, ніж контрольні миші дикого типу, що відповідають віку. Тому ми перевірили, чи можна зменшити ефекти накопичення Mn, обробляючи мишей за допомогою хелатора металевого Na2 CaEDTA. У віці 5 місяців ми лікували мишей дикого типу та Slc39a14 -/- Na2 CaEDTA протягом 4 тижнів, використовуючи стандартний терапевтичний протокол [44, 45]. Хелатотерапія не впливала на рівень Mn у сироватці крові (рис. 2д) або ефективність ротароду (рис. 2е) у мишей дикого типу; однак у мишей Slc39a14 -/- обробка Na2 CaEDTA суттєво знизила рівень Mn в сироватці крові (з 0,1 нг мкл -1 до 0,05 нг мкл -1; Рисунок 2e) та значно покращила продуктивність ротарода (Рисунок 2f).

Втрата експресії Slc39a14 змінює експресію різних транспортерів Mn в декількох тканинах

Рівні експресії різних транспортерів Mn у мишей дикого типу та Slc39a14 -/-. У печінці вимірювали рівні мРНК Slc39a8, Slc13a5, Slc2a4, Dmt1, Fpn1 та Slc30a10 ( a ), кора ( b ), гіпокампу ( c ), мозочок ( d ), серце ( e ), нирки ( f ), селезінка g ) підшлункова залоза ( h ), кишечник ( i ) миші дикого типу (WT) та Slc39a14 -/- (KO)> віком до 24 тижнів. (n = 4 миші/група). ND означає невизначений, * P fl/fl; Миші Alb-Cre +) з використанням умовної стратегії нокауту (рис. 4а). Ген миші Slc39a14 кодує дві ізоформи, які містять або екзон 5a або 5b [32]. Тому ми зосередилися на екзоні 4, який вводить передчасний стоп-кодон в обидві ізоформи (рис. 4а). QPCR-аналіз підтвердив, що експресія печінки Slc39a14 була практично усунена у Slc39a14 fl/fl; Миші Alb-Cre + порівняно з контрольними мишами (малюнок 4b).

Високий вміст дієтичного Mn не призводить до накопичення печінкового Mn у гепатоцитоспецифічних мишей-нокаутів Slc39a14.

Враховуючи системне накопичення Mn у мишей Slc39a14 -/- та те, що печінка є основним місцем зберігання опосередкованого Slc39a14 опосередкованого поглинання Mn, ми висунули гіпотезу про те, що годували мишей Fec39a14 fl/fl, специфічних для гепатоцитів; Миші Alb-Cre + дієта з високим вмістом Mn може підвищити рівень Mn у мозку. Тому ми годували нещодавно відлученого Slc39a14 fl/fl; Alb-Cre + та контрольні миші (Slc39a14 fl/fl; Alb-Cre -) очищена дієта AIN-93G, що містить нормальну (10 ppm) або високу (2400 ppm) концентрацію Mn [48]. Через 30 днів на дієті з високим вмістом Mn ні маса тіла (рис. 5а), ні показники обертання (рис. 5b) не відрізнялися між масою тіла Slc39a14 fl/fl, Alb-Cre + та контрольними мишами; також ми не виявили різниці між мишами, які харчуються нормальним раціоном Mn, та мишами, які харчуються дієтою з високим вмістом Mn (порівняйте малюнки 5a та b з малюнками 4c і d)). Однак дієта з високим вмістом Mn підвищувала рівень Mn у сироватці крові у мишей Slc39a14 fl/fl; Alb-Cre + та контрольних мишей, з набагато сильнішим впливом на мишей Slc39a14 fl/fl; Alb-Cre + (Малюнок 5c).

обговорення

Тут ми охарактеризували роль транспортера іонів металів Slc39a14 у системному метаболізмі Mn із використанням глобальних нокаутів Slc39a14 та мишей, що виділяють гепатоцити, Slc39a14. Наші результати вказують на те, що печінковий Slc39a14 відіграє особливу роль у підтримці системного гомеостазу Mn. Зокрема, ми виявили, що Slc39a14 регулює поглинання Mn переважно в печінці, що, в свою чергу, опосередковує рівень Mn в інших тканинах, включаючи мозок, серце, нирки та кровообіг. Наші результати також показують, що Slc39a14 функціонує для регулювання припливу Mn у печінку, оскільки миші Slc39a14 -/- розвивають накопичення Mn у мозку та інших тканинах, але не в печінці. Далі ми виявили, що специфічні для гепатоцитів миші, що нокаутують Slc39a14, не мають ознак накопичення Mn в нормальних умовах харчування Mn; однак після їжі з високим вмістом Mn у цих мишей підвищується рівень Mn у мозку та сироватці, але не в печінці. Загалом, ці висновки дозволяють припустити, що печінковий Slc39a14 регулює гомеостаз Mn, опосередковуючи поглинання Mn у печінці, забезпечуючи розуміння функції SLC39A14 у людей.

Підтримка гомеостазу Mn має важливе значення для здоров’я людини, а надлишок Mn пов’язаний з накопиченням Mn у мозку та нейродегенерацією [49, 50]. Мутації транспортерів Mn SLC39A14 та SLC30A10 були пов'язані із збільшенням рівня Mn у сироватці та мозку [4, 30] та розвитком симптомів, подібних до PD. Крім того, вплив професійних та інших екологічних джерел із високим вмістом Mn може спричинити подібні неврологічні симптоми [50, 51]. У пацієнтів з гомозиготною мутацією SLC39A14 у ранньому віці підвищений рівень Mn у крові та мозку та розвивається дистонія-паркінсонізм [4]. Однак, на відміну від пацієнтів з мутацією SLC30A10, у цих пацієнтів не підвищений рівень Mn в печінці або не розвивається захворювання печінки. Крім того, Тушль та співавт. видалив експресію Slc39a14 у даніо і виявив підвищений рівень Mn у мозку, але не в черевній кишці. На відміну від цього, наші експерименти з використанням моделей вибивання мишей забезпечують причинно-наслідковий зв’язок між функцією SLC39A14, імпортом печінки Mn та нейротоксичністю, пов’язаною з Mn. На жаль, провести ці експерименти на людях було б неможливо.

Ключовим висновком нашого дослідження є те, що SLC39A14 відіграє центральну роль у регулюванні всмоктування Mn у печінці. Ми виявили, що селективне видалення експресії Slc39a14 в гепатоцитах не спричиняє перевантаження Mn у мозку, крові чи інших тканинах. На відміну від глобальних мишей з виключенням slc39a14 порушується регуляція метаболізму Mn, а у пацієнтів з мутацією SLC39A14 розвиваються поведінкові та рухові дефіцити, подібні до дефіцитів рухів [4]. Наш аналіз мишей, що секретують гепкоцити, секретують гепатоцити, свідчить про те, що накопичення Mn у крові та мозку відбувається не лише через порушення всмоктування Mn у печінку. Хоча раніше повідомлялося, що у мишей Slc39a14 -/- миші знизили споживання цинку та збільшили абсорбцію заліза [31], наші дані ICP-MS показують, що миші Slc39a14 -/- мають нормальний рівень Fe, Zn та Cu в тканині (при єдиний виняток: підвищений рівень Fe у сироватці крові). Загалом, наші дані дають переконливі докази того, що загальна делеція експресії Slc39a14 в першу чергу впливає на метаболізм Mn, але має незначний вплив на метаболізм Fe, Zn або Cu, що припускає, що Slc39a14 функціонує головним чином як транспортер Mn.

Механізм, що лежить в основі токсичності Mn, недостатньо вивчений. Хоча центральна нервова система є добре відомою основною мішенню для Mn, як транспортується Mn через гематоенцефалічний бар'єр, наразі невідомо. На основі наших результатів ми вважаємо, що SLC39A14 безпосередньо не опосередковує поглинання Mn у мозок; швидше, печінковий SLC39A14 має системний вплив на гомеостаз Mn. У людини дієтичний Mn доставляється в печінку, де він утворює кон’югат із жовчю, а потім виводиться в кишечник [52, 53]. У ссавців Mn виділяється в каудальні відділи кишкового тракту [26]. Оскільки Slc39a14 експресується на базолатеральній мембрані клітин слизової оболонки в проксимальній кишці [54], можливо, Slc39a14 відіграє роль у секреції Mn із проксимального відділу кишечника. Наші дані також дозволяють припустити, що різницю в чутливості до накопичення Mn між різними тканинами можна пояснити різним розподілом тканин основних транспортерів Mn.

Токсичність Mn була безпосередньо пов’язана з поведінковими та руховими порушеннями на моделях людини та тварин [51, 55], а Ca2TA Na2 часто використовується для хелатування високих рівнів важких металів, хоча і зі змішаними результатами. Наприклад, Na2 CaEDTA хелатотерапія зменшила навантаження Mn і змінила пов'язану з Mn нейротоксичність у одного пацієнта з мутацією SLC39A14, але не мала ефекту у іншого пацієнта з такою ж мутацією [4]. Ми виявили, що миші, що секретують Slc39a14, виділяли поведінковий та руховий дефіцит, пов'язаний з високим рівнем Mn у мозку, і лікування Na2CaEDTA значно знижувало рівень Mn у сироватці крові та покращувало рухову функцію у цих мишей.

Схематична модель, що показує роль печінкового Slc39a14 на внутрішньоклітинному та системному рівнях Mn. (Вгорі) За нормальних дієтичних умов Mn з нормальним рівнем Slc39a14 (зліва) Mn поглинається гепатоцитами через транспортер Mn Slc39a14 (показано червоним кольором) і може експортуватися через експортер Mn Slc30a10 (зеленим кольором). Навпаки, втрата експресії Slc39a14 призводить до суттєво зниженого рівня Mn у гепатоцитах (праворуч). (Внизу) Споживання дієти з високим вмістом Mn не дозволяє подолати зниження рівня Mn в гепатоцитах, що секретують slc39a14, що призводить до збільшення системного накопичення Mn.