SUBCLASELE DE GENE ABC - Clasificare si generalitati

SUPRAFAMILIA TRANSPORTORILOR ABC DIN GRUPELE DE LIGANZI AI ATP-ULUI

Transportul specific al moleculelor prin membranele cu bistrat fosfolipidic reprezinta o functie esentiala a tuturor organismelor vii, si un numar variat de transportori specifici au evoluat in vederea indeplinirii acestei functii.

Cea mai mare familie de gene transportoare este cea a suprafamiliei de transportori ABC, specializati in legarea ATP-ului.

Aceste proteine strabat o larga varietate de substraturi, implicate fiind in fluxul de polizaharide, aminoacizi, ioni de metale, peptide si proteine, precum si un numar mare de componente hidrofobe si metaboliti, extra- si intracelular.

Genele ABC sunt esentiale in numeroase procese intracelulare, iar mutatiile ce pot interveni la nivelul lor cauzeaza, sau sunt implicate, in nenumarate anomalii genetice umane incluzand fibroza chistica, boli neurologice, anemie, diverse reactii la administrarea de medicamente.

Secventierea si caracterizarea genomului la eucariote a permis identificarea completa a tuturor genelor ABC in genomurile de la Saccharomyces cerevisae, Drosophila sp. si C. elegans. S-au identificat 48 de gene ABC la om, au fost ulterior divizate in 7 subclase distincte in functie de organizarea domeniilor si omologia aminacizilor. Multe dintre genele ABC au rolul de a mentine un echilibru lipidic in transportul acizilor grasi, a sterolilor in organism, in acest scop se fac cercetari asupra genelor ABC, din genomul uman, in ce priveste stabilirea unui rol precis in mostenirea, transmiterea ereditara a bolilor, si in intelegerea topologiei acestor gene la nivel membranar.

Proteinele ABC-liganzi ai ATP-ului, folosesc energia in vederea transportului diverselor molecule atat la nivelul membranei plasmatice, cat si la nivelul membranelor intracelulare ale reticulului endoplasmic (RE), peroxizomilor si mitocondriilor.

Structura principala de la care se pleaca in diferentierea subclaselor de transpotori ABC este reprezentata de 2 domenii de legatura a ATP-ului, NBF (nucleotide binding folds), domenii de nucleotide cu structuri de legatura, si 2 domenii transmembranare (TM), continand 6 membrane condensate, α - helicate.

TMs

Fig.1. Structura unui

transportor ABC.

NBD(F)s

http://www.chem.umass.edu

Nucleotidele (NBF) contin 3 domenii de conservare: domeniile Walker A si Walker B, intalnite in toate proteinele - leganzi de ATP, si o semnatura: motivul C, localizat deasupra domeniului Walker B.

Domeniul C este specific transportorilor ABC si ii distinge de alte proteine de legatura a ATP-ului.

Prototipul proteinei ABC contine deci 2 domenii NBF si 2 domenii TM, cu nucleotidele localizate in citoplasma. Componentele hidrofobice sunt scoase din citoplasma dinspre patura interna a membranei catre cea externa sau catre un acceptor de molecule.

Genele ABC sunt profilate, fiind specializate cu functie de transportor deplin cu ambele tipuri de domenii (2 NBF si 2 TM), sau sunt doar cu cate un domeniu din fiecare (1 NBF si 1 TM), functionand doar cu jumatate din componente. Jumatatile de transportori sunt asamblati fie ca homodimeri, fie ca heterodimeri pentru a forma un transportor functional. Genele care codifica transportorii ABC, sunt dispersate in genom si arata un grad ridicat de secvente de aminoacizi identificat la eucariote.

Analize filogenetice au permis ca suprafamilia de gene ABC sa fie impartita in 7 subfamilii, iar 6 dintre ele sunt intalnite atat in genomul mamiferelor cat si al Saccharomyces cerevisae.

Fig.2 Structura in spațiu a unui transportor ABC

1.1.  SUBCLASELE DE GENE ABC - Clasificare si generalitati

1.1.1 SUBCLASA ABCA (ABC1)

Subclasa ABCA este reprezentata de gene "portar" alcatuita din 12 transportori cu functie deplina, separati in 2 subgrupe. Prima subgrupa cuprinde ABCA1-A4, A7, A12, A13, , include 7 gene cu situsuri pe 6 cromozomi, iar a doua subgrupa, genele ABCA5-A6, A8-A10 organizate intr-o retea cap-coada pe cromozomul 17q24.

In ce priveste expresivitatea pattern- ului cromozomului 17, este reprimata activitatea ABCA5, iar ABCA10 exprimata in musculatura scheletica, ABCA9 in inima, ABCA8 in ovar, iar ABCA6 in ficat. Exista ipoteza ca aceste componente ale retelei de gene de pe cromozomul 17 ar fi de fapt un grup distinct, fiind diferite dupa numarul intronilor, de 38 pe cromozomul 17 si de 50-51 la restul genelor, dar primele nu se exprima, de exemplu la Drosophila sp. sau Caenorhabditis elegans, ci doar la soarece si om, fapt ce dovedeste aparitia lor dupa separarea vertebratelor de regnurile inferioare.

Gena ABCA1 este implicata in controlul fluxului de colesterol, in boala numita Tanger, prin membrana (PL - fosfolipidica), catre acceptorii plasmatici specifici, apolipoproteinele.

Expresia ei este indusa de steroli si de receptori nucleari hormonali, receptori oxisteroli si receptori ai acizilor biliari, precum si heterodimer cu receptorii retinoizi. Asigura deasemeni homeostazia in continutul lipidic al membranei cu influente dramatice in plasticitatea si fluiditatea membranei in sine, afectand mobilitatea laterala a proteinelor de membrana precum si asocierea lor cu domenii membranare cu structura lipidica specializata. Gena ABCA4 s-a demonstrat ca fiind exprimata in fotoreceptori si implicata direct in Sindromul Stargardt, un sindrom degenerativ recesiv in copilarie, precum si in distrofii ale celulelor cu con fotoreceptoare, in degenerarea simtului vizual la pacientii in varsta de peste 60 de ani, prin acumularea componentilor cu pigment retinoid, asemanatoare cu boala Stargardt.

Gena ABCA5 este exprimata in pancreas, muschi, si testicule, insa nu se cunoaste inca nici substratul si nici functia propriu-zisa a acestei gene.

Gena ABCA2 este exprimata in oligodendrocite din creier si de asemenea poate functiona ca pompa de eflux pentru medicamentele tumorii ovariene; gena ABCA7 este exprimata in splina si timus. Functionarea acestor gene, precum si a ABCA12 si ABCA13, nu este cunoscuta, desi se presupune ca ar participa in homeostazia lipidelor celulare in diverse medii.

1.1.2 SUBCLASA ABCB (MDR / TAP)

Subfamilia ABCB este alcatuita din 4 transportori cu functie deplina si alti 7 cu jumatate de structura, constituind singura familie cu ambele tipuri de transportori.

Gena ABCB1 (MDR/PGY1) a fost descoperita ca o proteina supraexprimata in linii celulare tumorale rezistente la medicamente. Celulele care prezinta aceasta proteina, arata o reactie de rezistenta la administrarea de medicamente, manifestand rezistenta in transportul unei largi varietati de componente hidrofobe de genul colchicinei, doxorubicinei, adriamicin, vinblastine, digoxin, saquinivir, si paclitaxel.

Gena este exprimata in primul rand in ficat si in bariera sangvina cerebrala, si se presupune ca este implicata in protectia celulelor de agenti toxici.

Secretia colesterolului, fosfolipidelor si a altor componente in bila, este critica pentru functionarea normala a bilei, incluzand si excretia colesterolului si a altor steroli, precum si absorbtia vitaminelor. Proteinele ABCB4 si B11 sunt amandoua localizate in ficat si participa la secretia de fosfatil-colina si saruri biliare. Mutatii la nivelul acestor proteine, respectiv gene, duc la numeroase forme de blocaj intrahepatic, autosomale, caracterizate prin blocaj si mai apoi colaps hepatic, acest fapt reprezentand cauza principala a transplantului de ficat la pacienti copii.

Mutatii ale ABCB4 sunt responsabile si de blocajul la nivel hepatic in cazul sarcinii.

Procesul de recunoastere al antigenului din clasa 1 de histocompatibilitate genica implica digestia celulara a proteinelor straine in peptide scurte, transportate apoi in RE unde formeaza complexe cu clasa I de proteine exprimandu-se pe suprafata membranei celulare.

Genele ABCB2 si ABCB3 (TAP) sunt jumatati de transportori ce formeaza un heterodimer pentru transportul acestor peptide in RE. Familii destul de rare cu mutatii ale acestor gene, prezinta imunitate supresoare, lipsindu-le capacitatea de desfasurare a procesului de recunoastere imunologica.

Jumatatile de transportori ramasi din familia ABCB se exprima in lizozomi (ABCB9), in mitocondrii (ABCB6, B7, B8, si B10). Una dintre aceste gene (ABCB7) este localizata in cromozomul X, iar mutatiile de la nivelul genei sunt responsabile de anemie sideroblastica si ataxie (XLSA/A). Gena de la om ABCB9 poate suplini gena ortoloaga de la drojdie ABCB7, Atm1. Aceasta gena detine rolul de a mentine homeostazia ionilor de metale si a proteinelor citosolice Fe/S in mitocondrii.

1.1.3 SUBCLASA TRANSPORTORILOR ABCC ( CFTR)/(MRP)

CFTR= Cystic Fibrosis TM conductance Regulator (reglator transmembranar implicat in conductanta fibrozei chistice)

MRP= Multidrug Resistance Protein (proteina rezistenta la administrarea medicamentelor)

Subfamilia transportorilor ABCC este reprezentata de 12 transportori completi, ce indeplinesc functie de transport al ionilor, secretiilor toxice si in traducerea semnalului.

Fibroza chistica, supranumita si mucoviscidoza, este o anomalie ereditara caracterizata prin disfunctii la nivelul fiziologiei glandelor cu secretie exocrina, fapt ce coincide cu pierderea functiei transportorului CFTR.

Aceasta proteina este unica, in cadrul clasei de proteine ABC, deoarece contine un canal reglator al fluxului de Cl (AMP). Boala este intalnita la populatiile caucaziene mult mai rar decat in cadrul celorlalte rase umane. Pacientii cu 2 alele CFTR nefunctionale, dezvolta secretii neadecvate de enzime pancreatice ducand la deficiente de ordin nutritional, infectii bacteriene manifestate la nivelul plamanilor si obturarea vaselor deferente provocand sterilitate la barbati. In functie de prezenta sau absenta alelelor CFTR, anomalii pot aparea sau nu, sau intr-un grad variat de infectiozitate.

Fig. 3 Alcatuirea proteinei CFTR.

Gena ABCC8 a fost identificata ca fiind locusul specific familiei persistente a hipoglicemiei hiperinsulinice prezenta in stadiul infantil, o anomalie recesiva autosomala caracterizata prin secretia neregulata a insulinei. Cercetari ulterioare au constatat ca gena ABCC8 este un receptor cu afinitate mare pentru medicamentele de gen sulfonylurea.

Acest medicament este folosit pentru cresterea nivelului de secretie a insulinei la pacientii cu diabet nondependenti de insulina injectabila. Medicamentul se leaga de proteina ABCC8 si de cea apropiata ei ABCC9, cu reactia de inhibare a canalului de potasiu KIR6. Un polimorfism al genei ABCC8 a fost asociat cu raspunsul insulinic la pacientii din Mexic, si un raspuns al diabetului de tip II, la pacientii francezi canadieni, dar nu s-a exprimat sub nici o forma la "cohortele" scandinavice.

Celelalte gene ABC sunt 9 gene legate, de rezistenta la administrarea de medicamente.

ABCC1, a fost identificat ca fiind o gena cu rezistenta la medicamente si s-a demonstrat ca transporta conjugate glutationice a unor componente toxice. ABCC2 si C3, deasemeni transportori de conjugate glutationice, precum si a unor anioni organici.

Asemanator cu ABCB1, transportorul ABCC1 confera rezistenta unei intregi varietati de substraturi toxice, dar nu are vreo implicatie in crestere si dezvoltare, desi poate transporta leukotriene C4, un factor chemotactic ce controleaza migratia celulelor dendritice din tesuturile periferice in ganglionii limfatici.

ABCC2 este prezent in hepatocite , implicat in sindromul Dubin - Johnson, mediind transportul de anioni organici.

ABCC6 este implicata in pseudoxanthoma elasticum, mutatii la nivelul acestei gene sunt responsabile pentru disfunctii la nivelul conectivelor tisulare, boala manifestandu-se prin depozitarea Ca in fibrele de elastina, rezultand hemoragii arteriale, sangerari la nivelul tractului gastrointestinal si la nivelul retinei. Gena este exprimata in rinichi si ficat, iar la nivelul acestora se pare ca pseudoxanthoma elasticum nu poate fi localizata, ceea ce ar sugera faptul ca aceasta gena nu are implicatii directe in boala respectiva si nici in transportul sau eliminarea metabolitilor toxici la care au sensibilitate conectivele tisulare.

Proteinele ABCC4, C5, C11, sunt mai mici decat celelalte gene MRP - uri si leaga un domeniu N-terminal, neimplicat in functia de transport.

Genele ABCC4 si C5 confera rezistenta catorva nucleotide incluzand 9-(2-fosfonil-metoxietil), adenina si analogi ai purinei, si poate fi implicata si in secretia de GMP.

1.1.4 SUBCLASA TRANSPORTORILOR ABCD - SUBFAMILIA ADRENOLEUKODISTROFIEI (ALD)

Aceasta subfamilie contine 4 gene ce codifica jumatati de transportori exprimati

exclusiv in peroxizomi.

Una dintre gene, ABCD1, este responsabila pentru forma X-linkata a ALD (adrenoleukodistrofiei), o anomalie caracterizata prin deficiente neurodegenerative si adrenale, tipologie initiata in copilaria tarzie.

Fig.4. Localizarea citogenetica a genei ABCD1 pe cromozomul Xq28 , pe bratul lung

ALD este prezentata in asociere cu adrenomieloneuropatia, forma infantila a ALD -ului precum si un set de forme adulte. In orice caz se pare ca nu exista o corelatie clara intre fenotipul ALD-ului si genotipul locusului genei ABCD1.

Celulele de la pacientii cu ALD, sunt caracterizate printr-o acumulare de acizi grasi saturati neramificati, iar rolul exact al genei ABCD1 inca nu a fost elucidat in acest proces.

Functiile celorlalte familii de gene ABCD la fel au fost incomplet descoperite, dar similaritatile dintre secventele markate au sugerat implicarea lor in metabolismul acizilor grasi.

Genele ABCD sunt subjugate complexului reglator de la nivel transcriptional, fiind strans legat de celulele lipidice din metabolism, nu este surprinzator faptul ca impart cu subclasele ABCA si ABCG senzitivitatea receptorului de proliferare a peroxizomilor si a familiei receptorilor nucleari, specifica receptorului X retinoid.

1.1.5 SUBCLASA TRANSPORTORILOR ABCE - PROTEINA- LIGAND DE OLIGOADENILAT (OABP) SI ABCF (GCN20 - PROTEINE ABC NEMEMBRANARE)

Subfamiliile transportorilor ABCE si ABCF sunt alcatuite din gene ce prezinta domenii de legare a ATP, strans legate de cele ale celorlalti transportori ABC, dar aceste gene nu codifica domenii transmembranare (TM).

Familia ABCE cuprinde un singur membru, OABP, ABCE1.

Aceasta proteina indeplineste functia de a recunoaste oligoadenilatul produs in urma infectiilor virale.

Genele ABCF au fiecare cate o pereche de domenii NBF, si cel mai bine caracterizat membru al acestei familii este gena GCN20 de la S. cerevisae. GCN20 este implicata in activitatea eIF-2 alpha kinazei. Un omolog uman, ABCF1 face parte din complexul ribozomal si poate indeplini acelasi rol.

1.1.6 SUBCLASA TRANSPORTORILOR ABCG (WHITE) CU STRUCTURA INJUMATATITA

Subfamilia transportorilor ABCG contine 6 jumatati de transportori ce au un domeniu NBF la capatul amino-terminal si un singur domeniu TM la capatul carboxi-terminal: orientare opusa celorlalte gene ABC. La Drosophila, locusul pentru gena White a fost prima gena cartata. Proteina "white" formeaza un heterodimer cu alte 2 proteine ABCG inrudite: "brown" si "scarlet", pentru transportul guaninei si triptofanului in celulele ochiului musculitei. Aceste molecule sunt precursorii pigmentilor ce dau culoarea ochilor la Drosophila.

Surprinzator exista doar 5 gene ABCG in genomul uman, spre deosebire de cele 15 la Drosophila si 10 la drojdii.

ABCG1 este exprimata in macrofage si indusa de colesterol.

ABCG4 detine o expresivitate mare in creier. Ar fi interesant de urmarit daca aceste gene interactioneaza sau sunt inrudite cu ceva in functiile indeplinite.

Genele ABCG5 si ABCG8 sunt localizate cap-la-cap pe cromozomul uman 2p15-p16, separate de o grupare de 200 bp. Aceste gene sunt mutate in aceeasi familie cu sitosterolemia, o anomalie caracterizata prin transportul deficient al sterolilor si colesterolului din plante si peste. Pacientii cu sitosterolemie dezvolta deficiente de secretie a sterolilor la nivel intestinal si hepatic. Aceasta dovada genetica indica faptul ca cele doua jumatati de transportori formeaza un heterodimer functional, dovada sustinuta de faptul ca cele doua gene sunt coordonate regulat de colesterol.

Fig. 5. Identificarea unei gene ABCG5, implicata in reglarea absorbtiei colesterolului, structura sterolica si pozitionarea mutatiilor prin punctuatia neagra si a codonilor stop (cruciulite).

Gena ABCG5 sufera mutatii indeosebi la populatia asiatica, iar cea ABCG8 la caucazieni. Acest lucru sugereaza faptul ca aceste proteine pot forma atat heterodimeri cat si homodimeri pentru a transporta o varietate de steroli (compesterol, stigmasterol, avenosterol, sitosterol, colesterol) intalniti in digestie. Gena de la mamifere ABCG1 este deasemeni indusa de colesterol si implicata in reglarea transportului de colesterol.

Gena are expresivitate mare intr-o subpopulatie de celule stem hematopoietice, in celulele sincitiotrofoblaste, sugerand faptul ca pot fi pompe pentru fluxul de metaboliti toxici de la proviziile sangvine fetale la cele materne.

Gena ABCG3 a fost intalnita in studiu genetic doar la soarece si in alte genomuri de rozatoare. Gena are expresivitate in splina si timus si detine un domeniu de legare a ATP-ului caruia ii lipsesc cateva reziduuri conservate in domeniile Walker A si de Semnal.