Re:구리 과잉 - 구리 부족.. 세포 조직의 필수 미네랄 구리 탐구!!

[문형철]

beyond reason

구리 부족으로 문제가 되는 경우가 있다고 하는데.. 이 문제는 건생병사 식단으로 쉽게 해결

구리 과잉은 ??

Your doctor may also recommend additional tests, such as:

• blood tests to measure ceruloplasmin or vitamin B-12 levels
• urine tests to measure how much copper is being filtered out through pee
• tissue sample (biopsy) from your liver to check for signs of copper filtration issues

Your doctor may recommend copper diagnostic tests if they notice mild symptoms of copper poisoning during a physical exam.

Arch Toxicol. Author manuscript; available in PMC 2015 Feb 25.

Published in final edited form as:

Arch Toxicol. 2014 Nov; 88(11): 1929–1938.

Published online 2014 Sep 9. doi: 10.1007/s00204-014-1355-yPMCID: PMC4339675NIHMSID: NIHMS659791PMID: 

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Copper (Cu) is a vital mineral essential for many biological processes. The vast majority of all Cu in healthy humans is associated with enzyme prosthetic groups or bound to proteins. Cu homeostasis is tightly regulated through a complex system of Cu transporters and chaperone proteins. Excess or toxicity of Cu, which is associated with the pathogenesis of hepatic disorder, neurodegenerative changes and other disease conditions, can occur when Cu homeostasis is disrupted. The capacity to initiate oxidative damage is most commonly attributed to Cu-induced cellular toxicity. Recently, altered cellular events, including lipid metabolism, gene expression‎, alpha-synuclein aggregation, activation of acidic sphingomyelinase and release of ceramide, and temporal and spatial distribution of Cu in hepatocytes, as well as Cu-protein interaction in the nerve system, have been suggested to play a role in Cu toxicity. However, whether these changes are independent of, or secondary to, an altered cellular redox state of Cu remain to be elucidated.

구리(Cu)는 많은 생물학적 과정에 필수적인 중요한 미네랄입니다. 

건강한 사람의 구리 대부분은 효소 보조 그룹과 관련이 있거나 단백질에 결합되어 있습니다. 

구리 항상성은 

구리 수송체와 샤페론 단백질의 복잡한 시스템을 통해 엄격하게 조절됩니다. 

구리 항상성이 붕괴되면 

구리의 과잉 또는 독성이 발생할 수 있으며, 

이는 간 질환, 신경 퇴행성 변화 및 기타 질병의 발병과 관련이 있습니다. 

산화적 손상을 유발하는 능력은 

가장 일반적으로 

구리 유발 세포 독성에 기인합니다. 

Cu-induced cellular toxicity

구리는 필수 미네랄이며, 심혈관계 등 다양한 시스템의 정상적인 생리학적 과정을 지원하기 위해서는 최적의 구리 양이 필요합니다. 지난 수십 년 동안, 구리 유발 세포사멸(cuproptosis)은 죽상경화증, 뇌졸중, 허혈-재관류 손상, 심부전 등 심혈관 질환(CVD)의 병인과 진행을 매개하는 중요한 과정으로 점점 더 인식되고 있습니다. 따라서, CVD에서 구리 결핍증의 조절 메커니즘에 대한 심층적인 이해는 CVD 관리를 개선하는 데 유용할 수 있습니다. 여기에서는 CVD에서 구리 항상성과 구리 결핍증 관련 경로 간의 관계와 CVD에서 구리 유발 세포 사멸을 다루는 치료 전략을 검토합니다.

최근에는 

지질 대사, 유전자 발현, 알파-시누클레인 응집, 

산성 스핑고미엘리나제의 활성화 및 세라마이드의 방출, 

간세포 내 구리의 시간적 및 공간적 분포, 

신경계 내 구리-단백질 상호작용 등 세포 내 사건의 변화가 

구리 독성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 

그러나 

이러한 변화가 구리의 세포 내 산화 환원 상태 변화와 독립적인 것인지, 

아니면 이차적인 것인지 여부는 아직 밝혀지지 않았습니다.

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Abstract

Copper (Cu) is a vital mineral essential for many biological processes. The vast majority of all Cu in healthy humans is associated with enzyme prosthetic groups or bound to proteins. Cu homeostasis is tightly regulated through a complex system of Cu transporters and chaperone proteins. Excess or toxicity of Cu, which is associated with the pathogenesis of hepatic disorder, neurodegenerative changes and other disease conditions, can occur when Cu homeostasis is disrupted. The capacity to initiate oxidative damage is most commonly attributed to Cu-induced cellular toxicity. Recently, altered cellular events, including lipid metabolism, gene expression‎, alpha-synuclein aggregation, activation of acidic sphingomyelinase and release of ceramide, and temporal and spatial distribution of Cu in hepatocytes, as well as Cu-protein interaction in the nerve system, have been suggested to play a role in Cu toxicity. However, whether these changes are independent of, or secondary to, an altered cellular redox state of Cu remain to be elucidated.

I. Introduction

Copper (Cu) is found in a variety of cells and tissues with the highest concentrations in the liver and brain (Turnlund, 1998). Cu is largely present in biological systems as cupric form (Cu++), although several distinct types of the bound cation can be found in Cu containing enzymes, often in combination within a single protein (Su et al 1982; Divertie et al. 1982). The Cu enzyme, lysyl oxidase, for example, is essential for cross-linking collagen and elastin, both are required for the formation of connective tissue. The Cu protein, ceruloplasmin or ferroxidase I, facilitates transport from the interstitial lumen and storage sites to sites of erythropoiesis. Cu is required for the formation and maintenance of myelin, a protective layer covering neurons, and is involved in the formation of melanin pigment in skin, hair, and eyes. Also, Cu is a component of cytochrome c oxidase, which catalyzes the reduction of oxygen to water, the essential step in cellular respiration, and is a part of copper, zinc-superoxide dismutase (Cu, Zn-SOD) which scavenges the free radical superoxide. Non-specific Cu++-binding to thiol enzymes may modify the catalytic activities of cytochrome P450 monooxygenase, and Cu++ could both oxidize and bind to some amino acid residues of the P450 monooxygenase but not to its heme group (Letelier et al. , 2009). Additionally, Cu is a constituent of dopamine-beta-hydroxylase, a critical enzyme in the catecholamine biosynthetic pathway (Turnlund, 1999; Uauy et al., 1998). Therefore, it is not surprising that Cu-enzyme/protein-related malfunctions contribute to the development of hepatic, neurological, and other disorders.

Essentially all of the body's Cu in normal healthy humans is linked to enzyme prosthetic groups or tightly bound to Cu transport or chaperone proteins (Rosenzweg, 2001, Prohaska, 2008, Boal and Rosenzweig, 2009). Cu chaperones help minimizing the probability of unbound (free) Cu from participating in redox reactions (Burkitt, 2001; Evans and Halliwell, 1994) and ensure deliver of Cu ions to specific target proteins (Boal and Rosenzweig, 2009, Fields et al., 2001, Prohaska, 2008). Cu absorbed in excess of metabolic requirements is normally excreted through bile. The amount of Cu ingested in food and water is relatively low, and the body is able to control excess amounts of Cu in the body by either decreased absorption or increased excretion under normal conditions. As tight control of Cu homeostasis prevents excess accumulation of Cu in the body, acute and chronic Cu toxicity are relatively rare. However, Cu toxicity may result from exposure to excess Cu caused by accident, occupational hazard, environmental contamination, as well as adrenal gland insufficiency, inborn errors of Cu metabolism and other factors. Recent investigations examining how copper imbalance develops and alters metabolic functions have provided a better insight into the pathophysiology, and into therapies and prevention strategies for health problems associated with Cu toxicity.

구리(Cu)는

다양한 세포와 조직에서 발견되며,

그 중에서도 간과 뇌에 가장 많이 함유되어 있습니다(Turnlund, 1998).

구리는

생물학적 시스템에서 주로

구리 이온(Cu++) 형태로 존재하지만,

구리를 함유하는 효소에서는

여러 가지 유형의 결합된 양이온이 발견될 수 있으며,

종종 단일 단백질 내에서 결합되어 있습니다(Su et al 1982; Divertie et al. 1982).

예를 들어,

Cu 효소인 리실 옥시다아제는

콜라겐과 엘라스틴의 교차 결합에 필수적이며,

둘 다 결합 조직의 형성에 필요합니다.

Cu 단백질인 세룰로플라스민 또는 페록시다아제 I은

간질 내강과 저장 장소에서 적혈구 생성 장소로 수송을 촉진합니다.

구리는

뉴런을 덮고 있는 보호막인 미엘린의 형성과 유지에 필요하며,

피부, 머리카락, 눈의 멜라닌 색소 형성에 관여합니다.

또한,

구리는 세포 호흡의 필수 단계인

산소를 물로 환원시키는 시토크롬 c 산화효소의 구성 요소이며,

구리는 시토크롬 C의 구성요소

자유 라디칼인 슈퍼옥사이드를 제거하는

구리, 아연-슈퍼옥사이드 디스뮤타제(Cu, Zn-SOD)의 일부입니다.

티올 효소에 대한 비특이적 Cu++ 결합은

시토크롬 P450 모노옥시게나제의 촉매 활성을 변화시킬 수 있으며,

Cu++는 P450 모노옥시게나제의 일부 아미노산 잔기에 산화 작용을 하거나 결합할 수 있지만,

헴 그룹에는 결합할 수 없습니다(Letelier et al. , 2009).

또한,

Cu는

도파민-베타-하이드록실라제의 구성 성분으로,

카테콜아민 생합성 경로에서 중요한 효소입니다(Turnlund, 1999; Uauy et al., 1998).

따라서,

Cu 효소/단백질 관련 기능 장애가

간, 신경, 기타 장애의 발생에 기여한다는 사실은 놀라운 일이 아닙니다.

기본적으로

정상적인 건강한 사람의 체내의 모든 Cu는

효소 보철 그룹에 연결되어 있거나

Cu 수송 또는 샤페론 단백질에 단단히 결합되어 있습니다(Rosenzweg, 2001, Prohaska, 2008, Boal and Rosenzweig, 2009).

Cu를 보호하는 물질은

결합되지 않은(자유) Cu가 산화 환원 반응에 참여하는 것을 최소화하고(Burkitt, 2001; Evans and Halliwell, 1994),

특정 표적 단백질에 Cu 이온을 전달하도록 합니다(Boal and Rosenzweig, 2009, Fields et al., 2001, Prohaska, 2008).

과도한 양의 구리를 흡수하면,

일반적으로 담즙을 통해 배설됩니다.

음식과 물에 함유된 구리의 양은 상대적으로 적으며,

정상적인 조건에서 구리의 흡수를 줄이거나 배설을 늘림으로써

체내의 과도한 구리를 조절할 수 있습니다.

구리의 항상성을 엄격하게 조절하면

체내에 구리가 과도하게 축적되는 것을 방지할 수 있기 때문에,

급성 및 만성 구리 중독은 비교적 드뭅니다.

그러나

사고, 직업적 위험, 환경 오염, 부신 기능 부전,

선천성 구리 대사 이상 및 기타 요인으로 인해 과도한 구리 노출로 인해

구리 중독이 발생할 수 있습니다.

최근 구리 불균형이 어떻게 발생하고

대사 기능을 변화시키는지를 조사한 연구들은

구리 중독과 관련된 건강 문제에 대한 병태 생리학, 치료 및 예방 전략에 대한 더 나은 통찰력을 제공했습니다.

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II. Cu source exposure

Cu is a transition metal with atomic mass of 63.54 daltons (Da). Its malleability, low corrosion, alloying ability, high thermal conductivity, and high electrical conductivity make Cu one of the most important metals for industrial application. Cu is used as a metal or alloy in machinery, construction, transportation, and military weapons (Barceloux, 1999; Winge and Mehra, 1990) and is an important component of white gold and other alloys used for imitation jewelry, dental products, and in many cosmetics (Okereke et al., 1972; Vilaplana et al., 1991; Lucas and Lemons, 1992). Cu metal has low reactivity due to its high nuclear charge, small size, and consequent high ionization potential (Georgopoulos et al., 2006.) Cu, however, can exist in nature in an elemental form and in a wide range of compounds, and Cu ions exist in both oxidized, cupric, or reduced, cuprous state (Linder et al., 1996; Linder et al., 1998). The cuprous ion (Cu+) can disproportionate rapidly in aqueous solution to form Cu (II) and Cu (0). The cupric ion (Cu++) is the most important oxidation state of Cu generally encountered in water and is coordinated with six water molecules in solution.

The natural concentration of Cu in soil is approximately 50 ppm Cu (Barceloux, 1999). Cu in the air is released from such natural sources as windblown dust, volcanoes, and forest fires, and man-made sources such as Cu smelters, iron and steel production, and municipal incinerators. Cu content of the atmosphere ranges from 5-20 ng Cu/m3 and natural water has a mean concentration of 4-10 μg Cu/L with most of the Cu bound to organic matter (Barceloux, 1999). Sources of Cu in the environment include Cu water pipes, Cu cookware, drinking water, birth control pills and Cu intrauterine devices, vitamin and minerals supplements, fungicides with added Cu for swimming pools, and foods. Plumbers, welders, machinists and others who work with Cu are at risk for Cu toxicity. Exposure to Cu through environmental or occupational exposures often includes exposure to other metals, such as arsenic, iron, or mercury, and chemicals such as ethanol, polychlorinated biphenyls, and pesticides (Pohl et al., 2011).

Cu intake varies greatly for individuals depending on food choices and dietary customs, as well as environmental factors. Most diets contain enough Cu (1-5 mg) to prevent a deficiency and not enough to cause toxicity. In the United States, the dietary or nutrient reference (recommended) intakes for Cu are based on the Food and Nutrition Board, Institute of Medicine recommendations of 0.9 mg/d for adults of both genders, 19-70 years (Food and Nutrition Board, 2006, Trumbo et al., 2001). The tolerable upper intake level in the same age group is 10 mg/d. Drinking water contributes about 6-13% of the average daily intake of Cu. The United States Environmental Protection Agency (2013) has set the maximum contaminant level goals for Cu at 1.3 mg/L or 1.3 ppm. This amount is based on possible health risks and exposure over a lifetime with an adequate margin of safety to prevent potential health problems. Determining the upper intake level of Cu consumption is more difficult because of health consequences from both Cu deficiency and Cu excess (Stern, 2010). The regulatory framework for risk assessment of essential trace elements introduced by the International Program on Chemical Safety has proposed a homeostatic model to determine the Adequate Range of Oral Intake of essential trace elements. Evidence available suggests that the upper level intake of Cu needs to be reeval‎uated, and that developing the scientific basis for a tolerable upper intake level of Cu and Cu deficiency are critically important (de Romaña et al., 2011).

Cu는

원자 질량이 63.54달톤(Da)인 전이 금속입니다.

가단성, 낮은 부식성, 합금 능력, 높은 열 전도성, 높은 전기 전도성 덕분에 Cu는 산업용으로 가장 중요한 금속 중 하나입니다. Cu는 기계, 건설, 운송, 군용 무기 분야에서 금속 또는 합금으로 사용됩니다(Barceloux, 1999; Winge and Mehra, 1990). 또한, 모조 보석, 치과 제품, 그리고 많은 화장품에 사용되는 화이트 골드와 다른 합금의 중요한 구성 요소입니다(Okereke et al., 1972; Vilaplana et al., 1991; Lucas and Lemons, 1992). 구리 금속은 높은 핵 전하, 작은 크기, 그리고 그에 따른 높은 이온화 잠재력(Georgopoulos et al., 2006.) 때문에 반응성이 낮습니다. 그러나 Cu는 자연에서 원소 형태와 다양한 화합물 형태로 존재할 수 있으며, Cu 이온은 산화 상태, 구리 상태, 환원 상태(Linder et al., 1996; Linder et al., 1998)로 존재합니다. 제1구리이온(Cu+)은 수용액에서 빠르게 불균형화되어 Cu(II)와 Cu(0)를 형성할 수 있습니다. 제2구리이온(Cu++)은 물에서 일반적으로 발견되는 가장 중요한 구리 산화 상태이며, 용액에서 6개의 물 분자와 협응력을 형성합니다.

토양에 함유된 자연적인 구리 농도는

약 50ppm입니다(Barceloux, 1999).

공기 중의 구리는

바람에 날린 먼지, 화산, 산불과 같은 자연적인 원인과

구리 제련소, 철강 생산, 도시 소각장과 같은 인공적인 원인으로 인해 방출됩니다.

대기 중의 구리 함량은 5-20 ng Cu/m3이고,

자연수에는 평균 4-10 μg Cu/L의 구리가 함유되어 있으며,

대부분의 구리는 유기물에 결합되어 있습니다(Barceloux, 1999).

환경에 존재하는 구리의 원천으로는

구리 수도관, 구리 조리기구, 식수,

피임약, 구리 자궁 내 장치, 비타민과 미네랄 보충제, 수영장용 구리 첨가 살균제, 식품 등이 있습니다.

cu intrauterine devices and copper toxicity

배관공, 용접공, 기계공 등 구리를 다루는 사람들은

구리 독성의 위험에 노출되어 있습니다.

환경적 또는 직업적 노출을 통해 구리에 노출되는 경우,

비소, 철, 수은과 같은 다른 금속과 에탄올, 폴리염화비페닐, 살충제와 같은

화학물질에 노출되는 경우가 많습니다(Pohl et al., 2011).

구리 섭취량은

음식 선택과 식습관, 그리고 환경적 요인에 따라 개인마다 크게 다릅니다.

대부분의 식단에는

결핍을 예방할 수 있을 만큼 충분한 양의 구리(1-5mg)가 함유되어 있지만,

독성을 유발할 만큼 충분한 양은 아닙니다.

미국에서 구리에 대한 식이 또는 영양소 기준(권장) 섭취량은

남녀 성인(19-70세)의 경우 하루 0.9mg을 기준으로 합니다(Food and Nutrition Board, 2006, Trumbo et al., 2001).

같은 연령대의 허용 가능한 최대 섭취량은 10mg/d입니다.

식수는

일일 평균 Cu 섭취량의 약 6-13%를 차지합니다. 미국 환경보호국(2013)은 구리의 최대 오염 물질 수준 목표를 1.3mg/L 또는 1.3ppm으로 설정했습니다. 이 수치는 잠재적인 건강 문제를 예방하기 위한 적절한 안전 여유를 고려한 평생 노출 및 건강 위험 가능성에 근거한 것입니다.

구리 결핍과 과잉 섭취로 인한 건강상의 영향 때문에 구리 섭취의 상한 섭취량을 결정하는 것은 더 어렵습니다(Stern, 2010). 국제 화학물질 안전 프로그램에서 도입한 필수 미량 원소 위험 평가 규제 체계는 필수 미량 원소의 적절한 경구 섭취량을 결정하기 위한 항상성 모델을 제안했습니다. 이용 가능한 증거에 따르면, 구리의 상한 섭취량을 재평가해야 하며, 구리의 허용 가능한 상한 섭취량과 구리 결핍에 대한 과학적 근거를 개발하는 것이 매우 중요합니다(de Romaña et al., 2011).

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III. Cu Status and markers

In addition to dietary intake and environmental exposure, Cu status can be influence by other factors including supplemental vitamins and minerals, as well as activity of the adrenal gland. Adrenal hormones, for example, promote hepatic production of ceruloplasmin, the main Cu binding protein in the body. Thus, malfunction of liver and adrenal gland insufficiency can cause Cu to accumulate in the tissues. When the liver is unable to release ceruloplasmin, Cu becomes bio-unavailable. Also, dietary zinc (Zn) and a number of nutrients may alter Cu status. As an antagonist of Cu, Zn deficiency is associated with Cu accumulation in various storage organs.

Increasing evidence suggests that Cu deficiency may be more preval‎ent than previously thought and Cu toxicity is uncommon under customary daily life conditions (de Romaña et al., 2011). The occurrence of mild Cu deficiency or excess Cu exposure is not easily recognized. Due to lack of sensitive and specific indicators, blood, urine and hair analysis are used to detect Cu toxicity. Serum Cu concentration and ceruloplasmin are the most frequently used indicators. However, both indicators only detect more pronounced changes of Cu status. The synthesis of ceruloplasmin has been proposed as a possible biomarker of Cu status, because it is regulated by the amount of available Cu in the liver (Goodman et al., 2004). Also, effects of milder degrees of Cu deficiency and excess Cu exposure are not well described.

식이 섭취와 환경 노출 외에도,

구리 상태는 비타민과 미네랄 보충제, 부신 활동 등

다른 요인에 의해 영향을 받을 수 있습니다.

예를 들어,

부신 호르몬은

체내의 주요 구리 결합 단백질인 세룰로플라스민의 간 생성을 촉진합니다.

따라서,

간 기능 장애와 부신 기능 부전은

조직에 구리가 축적되는 원인이 될 수 있습니다.

간이

세룰로플라스민을 방출할 수 없게 되면,

구리는 생체 이용이 불가능해집니다.

또한,

식이성 아연(Zn)과 여러 가지 영양소가

구리 상태를 변화시킬 수 있습니다.

구리의 길항제인 아연 결핍은

다양한 저장 기관에 구리가 축적되는 것과 관련이 있습니다.

구리 결핍이 이전의 생각보다 더 널리 퍼져 있을 수 있다는 증거가 늘어나고 있으며,

일상 생활 조건 하에서는 구리 독성이 드물다는 것이 밝혀졌습니다(de Romaña et al., 2011).

경미한 구리 결핍이나 과도한 구리 노출은

쉽게 알아차리기 어렵습니다.

민감하고 구체적인 지표가 없기 때문에,

혈액, 소변, 모발 분석을 통해 구리 독성을 감지합니다.

혈청 Cu 농도와 세룰로플라스민은

가장 빈번하게 사용되는 지표입니다. 그

러나 이 두 지표는

Cu 상태의 더 뚜렷한 변화만 감지할 수 있습니다.

세룰로플라스민의 합성은

간에서 이용 가능한 Cu의 양에 의해 조절되기 때문에

Cu 상태의 가능한 바이오마커로 제안되었습니다(Goodman et al., 2004).

또한,

경미한 Cu 결핍과 과도한 Cu 노출의 영향은

잘 설명되어 있지 않습니다.

The activities of several cuproenzymes are decreased in mild Cu deficiency. However, due to the lack of standardized assays and a large inter-individual variability, their use is limited. Also, no laboratory tests have been identified as potential early markers of Cu excess. As Cu is stored mainly in the brain, liver and other organs, and not in the blood or urine, specific, sensitive and noninvasive biomarkers are needed to detect an increase in body Cu before the appearance of functional or clinical effects. Of the many proteins assessed as potential markers of Cu status, the chaperone of Cu,Zn-SOD seems to yield promising results. Dietary restriction of Cu has been shown to impair catalytic functioning of Cu,Zn- SOD in tissues, and Cu supplementation restored the enzyme activity in animals deprived of Cu (Harris, 1992). Also, protein expression‎ of the Cu chaperone for SOD is increased in erythrocytes of rodents with mild Cu deficiency, and Cu chaperone for SOD mRNA abundance in mononuclear blood cells significantly decreased after Cu supplementation (Olivares et al., 2008). These studies suggest altered activity and/or expression‎ of Cu,Zn-SOD may serve as a sensitive marker of Cu status, although further studies under different conditions are needed to confirm‎ its use as an indicator of early Cu deficiency.

As adverse health consequences can result from both Cu deficiency and Cu excess, defining Cu requirements and upper safe limits of consumption is a complex process. At this range of intake, physiological mechanisms allow for normal Cu homeostasis, and there are no detectable adverse effects. Toxic levels are, by definition, intakes above the upper level. However, due to the lack of noninvasive, sensitive biomarkers of storage or early damage from excess Cu, toxic effects from excess Cu are normally based on the infrequent occurrence of clinical disease, such as unexplained liver cirrhosis (Uauy et al., 2008). Biomarkers that are capable of predicting the risk of elevated hepatic Cu stores and thus the possibility of disease are still lacking. Yang et al. (2010) have shown that high dose of Cu induced increases in alanine aminotransferase, aspartate aminotransferase, triglyceride, total bilirubin, total bile acid levels, and scattered, dotted hepatocytic necrosis in male Wistar rats. They also show that genes related to oxidoreductase activity, metabolism, and signal transduction were involved in the development of the observed phenotypes, and that altered gene expression‎ patterns were induced by exposure to a low, sub-toxic dose of Cu. These findings suggest that changes in gene expression‎ may serve as more sensitive indicators of potential adverse effects of Cu than traditional measurements of toxicity.

경미한 구리 결핍증에서는

여러 구리효소의 활동이 감소합니다.

그러나

표준화된 분석법이 부족하고 개인 간 차이가 크기 때문에

구리효소의 사용이 제한적입니다.

또한, 구리 과잉의 잠재적 조기 지표로 확인된 실험실 검사법은 없습니다.

구리는

주로 혈액이나 소변이 아닌

뇌, 간, 기타 기관에 저장되기 때문에

기능적 또는 임상적 효과가 나타나기 전에

구리의 체내 증가를 감지하기 위해서는

특이적이고 민감하며 비침습적인 바이오마커가 필요합니다.

구리 상태의 잠재적 지표로 평가된 많은 단백질 중

구리, 아연-SOD의 보호자가

유망한 결과를 가져오는 것으로 보입니다.

Cu의 식이 제한은

조직 내 Cu,Zn-SOD의 촉매 기능을 손상시키는 것으로 나타났으며,

Cu 보충은 Cu가 부족한 동물의 효소 활성을 회복시켰습니다(Harris, 1992). 또

한, Cu가 약간 부족한 설치류의 적혈구에서 SOD를 위한 Cu 샤페론의 단백질 발현이 증가하고, Cu 보충 후 단핵혈구 세포에서 SOD를 위한 Cu 샤페론의 mRNA 풍부도가 현저하게 감소합니다(Olivares et al., 2008). 이러한 연구 결과에 따르면, Cu,Zn-SOD의 활동 및/또는 발현의 변화는 Cu 상태의 민감한 지표가 될 수 있지만, 초기 Cu 결핍의 지표로 사용하기 위해서는 다른 조건에서 추가 연구가 필요합니다.

Cu 결핍과 과잉 모두 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문에,

Cu 요구량과 섭취 안전 상한선을 정의하는 것은 복잡한 과정입니다.

이 섭취량 범위에서는 생리적 메커니즘이

정상적인 Cu 항상성을 가능하게 하고, 감지 가능한 부작용이 없습니다.

독성 수준은 정의에 따라 상한 수준 이상의 섭취량을 의미합니다. 그러나 과잉 Cu로 인한 저장 또는 조기 손상에 대한 비침습적이고 민감한 바이오마커가 없기 때문에, 과잉 Cu로 인한 독성 영향은 일반적으로 설명할 수 없는 간경변증과 같은 드문 임상 질환의 발생을 기반으로 합니다(Uauy et al., 2008). 간 내 Cu 축적의 위험과 질병의 가능성을 예측할 수 있는 바이오마커는 아직 없습니다. Yang et al. (2010)은 고용량의 Cu가 알라닌 아미노트랜스퍼라제, 아스파라긴산 아미노트랜스퍼라제, 트리글리세리드, 총 빌리루빈, 총 담즙산 수치, 그리고 Wistar 쥐의 간세포 괴사를 유발한다는 것을 보여주었습니다. 또한, 산화 환원 효소 활동, 대사, 신호 전달과 관련된 유전자가 관찰된 표현형의 발달에 관여했으며, 저농도의 아연에 노출되어 유전자 발현 패턴이 변화되었음을 보여줍니다. 이러한 결과는 유전자 발현의 변화가 기존의 독성 측정보다 아연의 잠재적인 부작용을 더 민감하게 나타낼 수 있음을 시사합니다.

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IV. Cu homeostasis

Organisms have evolved into a number of systems for the efficient uptake, intracellular transport, protein loading and storage for Cu and other metal ions to ensure that the needs of the cells can be met while minimizing the adversary effects associated with deficiency or excess. Cu homeostasis is generally well maintained by intestinal absorption, biliary excretion and intrahepatic storage, and no significant changes in body Cu occur with mild-to-moderate Cu exposure (Turnlund et al., 1997, 1998). In mammalians, the liver is the major captor, distributor and excreter of Cu.

The rate of Cu absorption depends on Cu intake, chemical form and presence of other factors in the diet that may either promote or inhibit its absorption, and the Cu status of the individual. Cu is not stored in a significant amount in the body. About 30 to 50% of ingested Cu, mostly in Cu++ form, is absorbed in the small intestine, and very small amounts are absorbed in the stomach (Turnlund et al., 1997). Cu absorbed from the small intestine is transported in the blood bound predominantly to albumin, but also to transcuprein (Turnlund et al., 1998). Cu taken up by the liver may be stored within hepatocytes, secreted into plasma, or excreted in bile. The Cu in hepatocytes is mostly bound to metallothionein, or synthesized into cuproenzymes. Cu released from the liver is primarily bound to ceruloplasmin for transport to the tissues, but may also bind to albumin, transcuprein, and histidine. Ceruloplasmin, the main Cu binding protein and an acute phase protein, contains up to eight Cu atoms in both the cupric and cuprous states. Approximately 60 to 90% of the circulating Cu in the blood is in the form of ceruloplasmin (Harris, 1993).

Transfer of Cu to newly synthesized cuproenzymes and Cu disposal is carried out by the individual or concerted actions of Cu-chaperones and Cu-transporting ATPases (Cu-ATPases) expressed in tissues (Prohaska, 2008, Boal and Rosenzweig, 2009). Cu trafficking pathways participate in Cu homeostatic regulation by providing Cu for essential enzymes and proteins, and at the same time, preventing Cu from reaching toxic concentrations (Prohaska, 2008, Boal and Rosenzweig, 2009). Intracellular Cu trafficking has been defined with the clarification of Cu handling proteins or Cu chaperones. There are three major Cu trafficking pathways that entail Cu chaperones (Boal and Rosenzweig, 2009, Fields et al., 2001). The Atx1 Cu chaperone delivers Cu to transport ATPases in the secretory pathway, the chaperone encoded by the Cu chaperone for superoxide dismutase (CCS) gene delivers Cu to Cu,Zn- SOD, and Cu supplied to the mitochondria for activation of cytochrome c oxidase.

Cu transport protein Atox1 is a Cu-dependent suppressor of oxidative damage in yeast lacking superoxide dismutase. Kelner et al. (2000) have shown that neuronal cell lines transfected with the Atox1 gene to increase the endogenous level of Atox1 expression‎ are protected against serum starvation and oxidative stress, and suggested that Atox1 may also play a role in preventing neuronal cells against oxidative damage induced by Cu. By examining the role of Cu delivery to the secretory pathway in Cu utilization and homeostatic maintenance, Hatori et al. (2012) found that the glutathione/glutathione disulfide (GSH/GSSG) pair controls the Cu transport pathway by regulating the redox state of a Cu chaperone Atox1. GSSG oxidizes Cu-coordinating cysteines of Atox1 with the formation of an intra-molecular disulfide. GSH alone is sufficient to reduce the disulfide, restoring the ability of Atox1 to bind copper. In cells, high GSH reduces Atox1 and is required for cell viability in the absence of Atox1. Atox1 has a redox potential similar to that of glutaredoxin, which becomes essential for cell survival when GSH levels decrease. The findings suggest that GSH balance and Cu homeostasis are functionally linked, and jointly maintain conditions for Cu secretion and cell proliferation.

The biosynthetic incorporation of Cu into secreted and plasma membrane-bound proteins requires activity of Cu-ATPases ATP7A and ATP7B (Prohaska, 2008, Boal and Rosenzweig, 2009). ATP7A and ATP7B exert their functions in Cu transport through a variety of interdependent mechanisms and regulatory events, including catalytic ATPase activity, Cu-induced trafficking, post-translational modifications and protein-protein interactions. ATP7A and ATP7B are evolutionarily conserved polytopic membrane proteins with essential roles in human physiology. The Cu-ATPases are expressed in most tissues, and their transport activity is crucial for central nervous system development, liver function, connective tissue formation, and many other physiological processes (Lutsenko et al., 2007a, 2007b). The influx of reduced copper ions is controlled by two functionally homologous transmembrane solute carrier transporters CTR1and CTR2. The molecular characteristics of Cu transporters CTR1 (encoded by SLC31A1), CTR2 (encoded by SLC31A2), ATP7A and ATP7B, their roles in mammalian Cu homeostasis and the physiological consequences of their inactivation have been examined (Gupta and Lutsenko, 2009; Wee et al., 2013). These Cu transporters vary in their expression‎ profiles and intracellular localization patterns. CTR1 plays roles in the developing embryo as well as regulating homeostasis in the adult mammal (Wee et al., 2013). In contrast, the regulation, expression‎ and function of CTR2 are not well-defined. Both are capable of transporting other divalent metal ions and are the primary transporters for platinum-based chemotherapeutic drugs such as cisplatin. The SLC31 (CTR) family of Cu transporters is a major gateway of Cu acquisition in eukaryotes, ranging from yeast to humans. Characterization of the function, modes of action, and regulation of CTR and other molecular factors that functionally cooperate with CTR for Cu transport, compartmentalization, incorporation into cuproproteins, and detoxification has revealed that organisms have evolved fascinating mechanisms for tight control of Cu metabolism (Kim et al., 2013).

The Golgi complex harbors copper-transporting ATPases, ATP7A and ATP7B that transfer copper from the cytosol into Golgi lumen for incorporation into Cu-dependent enzymes. Incorporation of Cu into the secreted and plasma membrane-targeted cuproenzymes takes place in Golgi, a compartment central for normal Cu homeostasis (Polishchuk and Lutsenko, 2013). The Golgi complex also sends these ATPases to appropriate post-Golgi destinations to ensure correct Cu fluxes in the body and to avoid potentially toxic Cu accumulation. Mutations in ATP7A or ATP7B or in the proteins that regulate their trafficking affect their exit from Golgi or subsequent retrieval‎ to this organelle. This, in turn, may disrupt the homeostatic Cu balance, resulting in Cu deficiency (Menkes disease) or Cu overload (Wilson disease). Wilson disease (WD) is caused by mutations in ATP7B, a transporter that loads Cu(I) onto newly synthesized cupro-enzymes in the trans-Golgi network (TGN) and exports excess copper by trafficking from the TGN to the plasma membrane (Braiterman et al., 2014). While these studies have yielded a better insight into the enzymatic properties and cell biology of the Cu ATPases, the mechanism by which the Golgi regulates trafficking of ATP7A/7B and, thereby, maintains Cu homeostasis remains unclear.

유기체는

세포의 요구를 충족시키면서 결핍 또는 과잉과 관련된 부작용을 최소화하기 위해

Cu 및 기타 금속 이온의 효율적인 흡수, 세포 내 수송, 단백질 로딩 및 저장을 위한

여러 가지 시스템으로 진화했습니다.

구리 항상성은

일반적으로 장 흡수,

담즙 배설 및 간내 저장을 통해 잘 유지되며,

경미하거나 중간 정도의 구리 노출로 인해

체내 구리에 큰 변화가 발생하지 않습니다(Turnlund et al., 1997, 1998).

포유류에서 간은

구리의 주요 포획, 분배 및 배설 기관입니다.

구리 흡수율은 구리 섭취량, 화학 형태, 흡수를 촉진하거나 억제할 수 있는 식이요법 내 다른 요소의 존재 여부, 그리고 개인의 구리 상태에 따라 달라집니다. 구리는 체내에 상당량 저장되지 않습니다.

섭취된 구리의 약 30~50%가

주로 구리++ 형태로 소장에서 흡수되고,

아주 소량이 위장에서 흡수됩니다(Turnlund et al., 1997).

소장에서 흡수된 Cu는

주로 알부민에 결합된 상태로 혈액으로 운반되지만,

트랜스큐프린에도 결합됩니다(Turnlund et al., 1998).

간에서 흡수된 구리는

간세포 내에 저장되거나,

혈장으로 분비되거나,

담즙으로 배설될 수 있습니다.

간세포의 구리는 대부분 메탈로티오네인에 결합되거나, 큐프로효소로 합성됩니다.

간에서 방출된 구리는

주로 세룰로플라스민에 결합되어 조직으로 운반되지만,

알부민, 트랜스큐프레인, 히스티딘에도 결합할 수 있습니다.

주요 구리 결합 단백질이자

급성기 단백질인 세룰로플라스민은

구리 및 제1구리 상태 모두에서 최대 8개의 구리 원자를 포함합니다.

혈액에서 순환하는 구리의 약 60~90%는

세룰로플라스민 형태입니다(Harris, 1993).

새로 합성된 큐프로효소에 Cu를 옮기고 Cu를 처리하는 것은

조직에서 발현되는 Cu-샤페론과 Cu-수송 ATPase(Cu-ATPase)의 개별적 또는

공동적 작용에 의해 수행됩니다(Prohaska, 2008, Boal and Rosenzweig, 2009).

구리 운반 경로는

필수 효소와 단백질에 구리를 공급함으로써

구리의 항상성 조절에 참여하고,

동시에 구리가 독성 농도에 도달하는 것을 방지합니다(Prohaska, 2008, Boal and Rosenzweig, 2009).

세포 내 Cu 트래픽은 Cu 처리 단백질 또는 Cu 샤페론의 명확화와 함께 정의되었습니다.

Cu 샤페론을 수반하는 세 가지 주요 Cu 트래픽 경로가 있습니다(Boal and Rosenzweig, 2009, Fields et al., 2001).

Atx1 Cu 샤페론은 분비 경로에서 ATPase를 운반하기 위해 Cu를 전달하고,

Cu 샤페론은 Cu를 Cu,Zn-SOD에 전달하며,

Cu는 미토콘드리아에 전달되어 사이토크롬 c 산화효소의 활성화를 돕습니다.

Cu 수송 단백질 Atox1은

슈퍼옥사이드 디스뮤타제를 결핍한 효모에서

산화적 손상을 억제하는 Cu 의존성 억제제입니다.

Kelner et al. (2000)은 Atox1 유전자를 주입하여 Atox1 발현의 내인성 수준을 증가시킨 신경 세포주가 혈청 결핍과 산화적 스트레스로부터 보호된다는 것을 보여 주었고, Atox1이 Cu에 의해 유발되는 산화적 손상으로부터 신경 세포를 보호하는 역할도 할 수 있다고 제안했습니다. Hatori et al. (2012)은 구리 활용과 항상성 유지에 있어 분비 경로에 대한 구리 전달의 역할을 조사한 결과, 글루타티온/글루타티온 디설파이드(GSH/GSSG) 쌍이 구리 운반 경로를 조절함으로써 구리 운반자 Atox1의 산화 환원 상태를 조절한다는 사실을 발견했습니다. GSSG는 Atox1의 Cu-협응력 시스테인을 산화시켜 분자 내 이황화물을 형성합니다. GSH만으로도 디설파이드를 줄이고, Atox1이 구리를 결합하는 능력을 회복할 수 있습니다. 세포에서 높은 GSH는 Atox1을 감소시키고, Atox1이 없는 상태에서 세포 생존에 필요합니다. Atox1은 글루타레독신과 유사한 산화 환원 전위를 가지며, GSH 수준이 감소할 때 세포 생존에 필수적입니다. 이 연구 결과는 GSH 균형과 Cu 항상성이 기능적으로 연결되어 있으며, Cu 분비와 세포 증식을 위한 조건을 공동으로 유지한다는 것을 시사합니다.

Cu가 분비 및 세포막에 결합된 단백질에 생합성적으로 통합되기 위해서는 Cu-ATPase ATP7A와 ATP7B의 활동이 필요합니다(Prohaska, 2008, Boal and Rosenzweig, 2009). ATP7A와 ATP7B는 촉매 ATPase 활성, Cu에 의한 트래픽, 번역 후 변형, 단백질-단백질 상호작용 등 다양한 상호 의존적 메커니즘과 조절 사건을 통해 Cu 수송에 관여합니다. ATP7A와 ATP7B는 진화적으로 보존된 다중성 막 단백질로서, 인간 생리학에서 필수적인 역할을 합니다. Cu-ATPase는 대부분의 조직에서 발현되며, 이들의 수송 활동은 중추신경계 발달, 간 기능, 결합 조직 형성, 그리고 기타 여러 생리학적 과정에 매우 중요합니다(Lutsenko et al., 2007a, 2007b). 환원된 구리 이온의 유입은 기능적으로 동종인 두 개의 막 관통 용질 운반체 CTR1과 CTR2에 의해 제어됩니다. Cu 수송체 CTR1(SLC31A1에 의해 암호화됨), CTR2(SLC31A2에 의해 암호화됨), ATP7A 및 ATP7B의 분자적 특성, 포유류 Cu 항상성에서의 역할, 그리고 이들의 비활성화가 초래하는 생리학적 결과가 연구되었습니다(Gupta and Lutsenko, 2009; Wee et al., 2013). 이 Cu 수송체들은 그들의 발현 프로필과 세포 내 위치 패턴이 다양합니다. CTR1은 발달 중인 배아에서 역할을 수행할 뿐 아니라, 성인 포유류에서 항상성 조절에도 관여합니다(Wee et al., 2013). 반면에, CTR2의 조절, 발현, 기능은 잘 알려져 있지 않습니다. 두 가지 모두 다른 2가 금속 이온을 운반할 수 있으며, 시스플라틴과 같은 백금 기반 화학요법 약물의 주요 수송체입니다. SLC31(CTR) 계열의 구리 수송체는 효모에서 인간에 이르기까지 진핵생물에서 구리를 획득하는 주요 관문입니다. CTR과 구리 수송, 구획화, 구리단백질로의 통합, 해독을 위해 기능적으로 CTR과 협력하는 다른 분자 인자의 기능, 작용 방식, 조절에 대한 특성화는 유기체가 구리 대사를 엄격하게 제어하는 매혹적인 메커니즘을 진화시켰음을 보여줍니다(Kim et al., 2013).

골지 복합체는

구리를 세포질에서 골지 내강으로 옮겨 구리 의존성 효소에 통합하는

구리 수송 ATPase, ATP7A 및 ATP7B를 보유하고 있습니다.

분비된 구리 효소와 세포막 표적 구리 효소에

구리가 통합되는 것은

정상적인 구리 항상성의 중심인 골지에서 일어납니다(Polishchuk and Lutsenko, 2013).

골지 복합체는

또한 이러한 ATPase를 적절한 골지 후 목적지로 보내

신체 내의 올바른 Cu 흐름을 보장하고

잠재적으로 독성이 있는 Cu 축적을 방지합니다.

ATP7A 또는 ATP7B 또는 이들의 이동을 조절하는 단백질의 돌연변이는 골지에서 이들의 출구 또는 이 세포기관으로의 후속 회수에 영향을 미칩니다. 이것은 차례로 항상성 Cu 균형을 방해하여 Cu 결핍(멘케스병) 또는 Cu 과부하(윌슨병)를 초래할 수 있습니다.

윌슨병(WD)은

트랜스골지 네트워크(TGN)에서 새로 합성된 구리 효소에 구리(I)를 적재하고

TGN에서 세포막으로 이동시켜 과잉 구리를 배출하는 수송체인 ATP7B의 돌연변이에 의해 발생합니다(Braiterman et al., 2014). 이러한 연구로 인해 Cu ATPase의 효소적 특성과 세포 생물학에 대한 더 나은 통찰력을 얻을 수 있었지만, 골지가 ATP7A/7B의 이동을 조절하여 Cu 항상성을 유지하는 메커니즘은 아직 명확하지 않습니다.

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V. Cu toxicity

Most organisms possess a combination of regulated import, sequestration, and enhanced export mechanisms to protect against metal-induced toxicity. These mechanisms regulate metal status through metal-binding proteins at transcriptional, translational, and enzymatic levels. As stated above, the presence of a complex system of metal ion transporters and chaperones to regulate Cu homeostasis ensures Cu is provided to essential proteins without causing cellular damage. Disruptions in the homeostasis of Cu is associated with tissue damage and a number of diseases (Bleackley and Macgillivray, 2011; de Romana et al., 2011). In addition to the direct interact with essential macromolecules and minerals, several mechanisms, notably free radical-induced oxidative damage, have been proposed to explain Cu-induced cellular toxicity.

대부분의 유기체는

금속으로 인한 독성을 방지하기 위해

조절된 수입, 격리, 강화된 수출 메커니즘의 조합을 가지고 있습니다.

이러한 메커니즘은

전사, 번역, 효소 수준에서

금속 결합 단백질을 통해 금속 상태를 조절합니다.

위에서 언급한 바와 같이,

Cu 항상성을 조절하는 복잡한 금속 이온 수송체와 샤페론의 존재는

세포 손상을 일으키지 않고

필수 단백질에 Cu를 공급할 수 있도록 합니다.

Cu의 항상성 장애는

조직 손상 및 여러 질병과 관련이 있습니다(Bleackley and Macgillivray, 2011; de Romana et al., 2011).

필수 거대 분자와 미네랄과의 직접적인 상호 작용 외에도,

특히 자유 라디칼에 의한 산화적 손상과 같은

여러 가지 메커니즘이 Cu에 의한 세포 독성을 설명하는 것으로 제안되었습니다.

a. Free radical-induced oxidative damage

Transition metal ions, such as Fe and Cu, are capable of undergoing redox cycling reactions and promote the formation of reactive oxygen species (ROS). A number of studies have attributed Cu toxicity to the propensity of Cu ions to participate in the formation of ROS that modify the structure and/or function of essential biomolecules (Halliwell & Gutteridge, 1984; Lippard, 1999). In the presence of superoxide or reducing agents such as ascorbic acid or GSH, Cu++ can be reduced to Cu+, which is capable of catalyzing the formation of hydroxyl radicals from hydrogen peroxide via the Haber-Weiss reaction (Bremner, 1998; Kadiiska et al., 1993). As only one electron is needed to reduce Cu++, the other electron may be involved in the production of hydroxyl radicals (Multhaup et al., 1999). The hydroxyl radical is the most powerful oxidizing radical likely to arise in biological systems. It is capable of initiating oxidative damage by abstracting the hydrogen from an amino-bearing carbon to form a carbon-centered protein radical and from an unsaturated fatty acid to form a lipid radical (Chow, 1991; Letelier et al., 2010; Powell, 2000; Burkitt, 2001), and inducing DNA strand breaks and oxidation of bases (Kawanishi et al., 1989; Hayashi et al., 2000; Buettner, 1993; Liang and Dedon, 2001). Also, peroxynitrite, the reaction product of nitric oxide and superoxide, may promote the release of Cu ions from such protein complex as ceruloplasmin (Harris, 1992). The underlying mechanism of action for transition metal ions may involve the formation of superoxide, hydroxyl radical and other ROS, and subsequently producing malondialdehyde, 4-hydroxynonenal and other exocyclic DNA adducts (Rossi et al., 2006, Gaetke and Chow, 2003; Jomova and Valko, 2011).

Results obtained from a number of experimental studies support the view that ROS-induced oxidative damage plays an important role in Cu toxicity. For examples, Cu has been shown to involve oxidative modification of low-density lipoprotein (LDL) and promote atherogenesis by enhancing the transformation of macrophages into foam cells and by developing vasoconstrictor and prothrombotic properties (Haidari et al., 2001). Excess Cu may lead to peroxidative damage to membrane lipids via the reaction of lipid radicals and oxygen to form peroxy radicals (Powell, 2000), and causes peroxidation in the membranes of hepatocyte lysosomes (Bremner, 1998; Sokol et al., 1990). Cu-overloaded rats exhibit oxidative injury including decreased levels of hepatic GSH and α-tocopherol, increased levels of mitochondrial lipid peroxidation products, decreases in state 3 respiration and the respiratory control ratio in hepatic mitochondria, and decreased complex IV (cytochrome C oxidase) activity and increased hepatic Cu (Sokol et al., 1990; Ohhira et al., 1995; Sansinanea et al., 1998; Zhang et al., 2000). Cu overload also reduces the activity of cytochrome c oxidase and impairs liver mitochondrial respiration (Myers et al., 1993), and increase in rat liver chemiluminescence, while the activities of catalase and GSH peroxidase are significantly decreased (Ossola et al., 1997). By overwhelming body antioxidant systems and inducing DNA damage, lipid peroxidation, protein modification and other effects, ROS may lead to the development of degenerative diseases, including cancer, cardiovascular disease, diabetes, atherosclerosis, neurological disorders and chronic inflammation (Chow, 1979; Chow and Chow-Johnson, 2013; Jomova and Valko, 2011).

철(Fe)과 구리(Cu)와 같은 전이 금속 이온은

산화 환원 순환 반응을 일으킬 수 있으며,

활성 산소 종(ROS)의 형성을 촉진합니다.

많은 연구에서

구리 이온이

필수 생체 분자의 구조 및/또는 기능을 변화시키는 ROS의 형성에 관여하는 경향 때문에

구리의 독성이 발생한다고 주장했습니다(Halliwell & Gutteridge, 1984; Lippard, 1999).

과산화수소 또는

아스코르브산이나

GSH와 같은

환원제가 존재하는 경우,

Cu++는 Cu+로 환원될 수 있으며,

이는 하버-바이스 반응을 통해 과산화수소에서

하이드록실 라디칼의 형성을 촉매할 수 있습니다(Bremner, 1998; Kadiiska et al., 1993).

Cu++를 환원시키는 데는 하나의 전자만 필요하기 때문에,

다른 전자가 하이드록실 라디칼의 생성에 관여할 수 있습니다(Multhaup et al., 1999).

하이드록실 라디칼은

생물학적 시스템에서 발생할 가능성이 가장 높은

가장 강력한 산화성 라디칼입니다.

이 라디칼은

아미노기를 가진 탄소로부터 수소를 추출하여

탄소 중심 단백질 라디칼을 형성하고,

불포화 지방산으로부터 지질 라디칼을 형성함으로써

산화적 손상을 일으킬 수 있습니다(Chow, 1991년; Letelier 외, 2010년; Powell, 2000년; Burkitt, 2001년),

그리고

DNA 가닥의 파손과 염기 산화 유도(Kawanishi 외, 1989년; Hayashi 외, 2000년; Buettner, 1993년; Liang과 Dedon, 2001년).

또한, 산화질소와 슈퍼옥사이드의 반응 생성물인 퍼옥시니트라이트는

세룰로플라스민과 같은 단백질 복합체에서

구리 이온의 방출을 촉진할 수 있습니다(Harris, 1992).

전이 금속 이온의 작용 기전은

과산화수소, 하이드록실 라디칼 및 기타 ROS의 형성과 그 이후

말론디알데히드, 4-하이드록시노네날 및 기타 외환상 DNA 부가물(Rossi et al., 2006, Gaetke and Chow, 2003; Jomova and Valko, 2011)의 생성을 포함할 수 있습니다.

여러 실험 연구에서 얻은 결과는

ROS에 의한 산화적 손상이

구리 독성에 중요한 역할을 한다는 견해를 뒷받침합니다.

예를 들어,

구리는

저밀도 지단백질(LDL)의 산화적 변형을 일으키고

대식세포의 거품 세포로의 변형을 촉진하고

혈관 수축 및 혈전 형성 특성을 개발함으로써

죽상경화증을 촉진하는 것으로 나타났습니다(Haidari et al., 2001).

과도한 Cu는

지질 라디칼과 산소의 반응으로 과산화 라디칼을 형성하여

막 지질에 과산화 손상을 일으킬 수 있습니다(Powell, 2000).

또한,

간세포 리소좀의 막에서

과산화를 유발합니다(Bremner, 1998; Sokol et al., 1990).

구리 과부하 쥐는

간 GSH와 α-토코페롤의 감소,

미토콘드리아 지질 과산화 생성물의 증가,

상태 3 호흡과 간 미토콘드리아 호흡 조절 비율의 감소,

복합체 IV(사이토크롬 C 산화효소) 활동의 감소,

간 구리(Cu)의 증가 등 산화적 손상을 나타냅니다

(Sokol et al., 1990; Ohhira et al., 1995; Sansinanea et al., 1998년; Zhang et al., 2000년).

구리 과부하는 또한

시토크롬 C 산화효소의 활동을 감소시키고

간 미토콘드리아 호흡을 손상시키며(Myers et al., 1993년),

쥐의 간 화학발광을 증가시키지만,

카탈라제와 GSH 과산화효소의 활동은 현저하게 감소합니다(Ossola et al., 1997년).

과도한 체내 항산화 시스템과 DNA 손상, 지질 과산화, 단백질 변형 및 기타 효과를 유발함으로써,

ROS는 암, 심혈관 질환, 당뇨병, 동맥경화증, 신경 장애 및 만성 염증을 포함한

퇴행성 질환의 발병으로 이어질 수 있습니다(Chow, 1979; Chow and Chow-Johnson, 2013; Jomova and Valko, 2011).

A role of oxidative stress in Cu toxicity is supported by the protective effect of metal chelators, such as ammonium tetrathiomolybdate and ethylenediaminetetraacetic acid, which prevent neuronal death of rats caused by intra-hippocampal injections of cupric sulphate (Armstrong et al., 2001). While the hyperoxia-mediated induces the metal-binding proteins ceruloplasmin and metallothionein in the lungs of mice expressing varying amounts of Cu,Zn-SOD, it has no effect on tissue levels of Cu, Fe, or Zn (Levy et al., 2001). As mice with increased expression‎ of Cu,Zn-SOD have significant reduction in circulating ceruloplasmin and Cu concentrations, ceruloplasmin may function as a store of Cu for Cu,Zn-SOD synthesis. Also, as chronic reduction in Cu,Zn-SOD impairs vascular tone probably mediated by a direct inactivation of nitric oxide production and an increase in lipid peroxidation (Lynch et al.,1997), dietary Cu may affect the endothelium-dependent arterial relaxation.

In humans, the disruption of normal Cu absorption and excretion is associated with two severe disorders, Menkes disease and Wilson’s disease. The consequences of insufficient Cu supply that is characteristic of Menkes disease have been linked to the inactivation of key metabolic enzymes, although other non-enzymatic processes may be involved (Song et al., 2011). In contrast, the consequences of Cu accumulation in Wilson disease are generally ascribed to Cu-induced oxygen radical-mediated damage (White et al., 2009; Sayre et al., 2000). Wilson’s disease is phenotypically variable and can present with predominantly hepatic or neurologic manifestations. Patients with Wilson’s disease have evidence of lipid peroxidation in liver mitochondria and reduced liver and blood concentrations of the antioxidant vitamin E (Myers et al., 1993).

Chronic Cu toxicity in the form of liver cirrhosis and damage to other organs is seen in genetic abnormality of Cu metabolism (Wilson’s disease) and in the presumed environmental disorder Indian Childhood Cirrhosis (ICC). ICC, non-ICC, and possibly idiopathic Cu toxicity appear to be caused by ingesting milk that has been boiled or stored in corroded Cu or brass vessels, although a genetic predisposition has also been linked to ICC-like illness (Pankit and Bhave, 1996; Pankit and Bhave, 2002, Wijmenga et al., 1998). Cu has also been implicated in the pathogenesis of such common neurodegenerative diseases as Alzheimer's, Parkinson’ and Huntington’s diseases as well as amyotrophic lateral sclerosis. Alzheimer’s disease is characterized by neuronal degeneration, increased concentrations of Cu, Fe, and Zn, and increased deposits of amyloid-β protein in the brain (Strausak et al., 2001, Zatta et al., 2008; Squitti et al., 2009). In Alzheimer’s disease, the amyloid precursor protein gene molecule, which has been directly linked to early-onset forms of the disease, contains a Cu-binding site (Multhaup, 1997; Multhaup et al., 1998; Multhaup et al., 1999), and the binding of amyloid-β protein to Cu and Zn could promote ROS generation in the brain (Strausak et al., 2001).

산화 스트레스가

구리 독성에 미치는 영향은

암모늄 테트라티오몰리브덴산염과 에틸렌디아민테트라아세트산과 같은

금속 킬레이터의 보호 효과에 의해 뒷받침되는데,

이 물질들은 구리 황산염의 해마 내 주사로 인한 쥐의 신경 세포 사멸을 방지합니다(Armstrong et al., 2001).

과산소증은 Cu,Zn-SOD의 발현량이 다른 마우스의 폐에서 금속 결합 단백질인 세룰로플라스민과 메탈로티오네인을 유도하지만, 조직 수준의 Cu, Fe, Zn에는 영향을 미치지 않습니다(Levy et al., 2001). Cu,Zn-SOD의 발현이 증가한 생쥐의 경우, 순환 세룰로플라스민과 Cu 농도가 현저하게 감소하기 때문에, 세룰로플라스민은 Cu,Zn-SOD 합성을 위한 Cu 저장소 역할을 할 수 있습니다. 또한, 만성적으로 감소된 Cu,Zn-SOD는 혈관 긴장도를 손상시키는데, 아마도 산화질소 생성의 직접적인 불활성화와 지질 과산화 증가에 의해 매개되는 것으로 보입니다(Lynch et al., 1997). 식이 Cu는 내피 의존성 동맥 이완에 영향을 미칠 수 있습니다.

인간에서 정상적인 Cu 흡수 및 배설 장애는 멘케스병과 윌슨병이라는 두 가지 심각한 질환과 관련이 있습니다. 메켄스병의 특징인 불충분한 구리 공급의 결과는 주요 대사 효소의 불활성화와 관련이 있지만, 다른 비효소적 과정이 관련되어 있을 수도 있습니다(Song et al., 2011). 반대로, 윌슨병에서 구리 축적의 결과는 일반적으로 구리에 의한 산소 라디칼 매개 손상으로 인한 것으로 간주됩니다(White et al., 2009; Sayre et al., 2000). 윌슨병은 표현형이 다양하며, 주로 간 또는 신경계 증상으로 나타날 수 있습니다. 윌슨병 환자는 간 미토콘드리아에서 지질 과산화 반응이 일어나고, 간과 혈액의 항산화제인 비타민 E 농도가 감소하는 것으로 나타났습니다(Myers et al., 1993).

간경변과 다른 장기 손상의 형태로 나타나는 만성 구리 중독은 구리 대사(윌슨병)의 유전적 이상과 추정되는 환경적 장애인 인도 아동 간경변(ICC)에서 볼 수 있습니다. ICC, 비ICC, 그리고 특발성 구리 중독은 부식된 구리 또는 황동 용기에 끓이거나 보관된 우유를 섭취함으로써 발생하는 것으로 보이지만, 유전적 소인도 ICC와 유사한 질병과 관련이 있는 것으로 밝혀졌습니다(Pankit and Bhave, 1996; Pankit and Bhave, 2002, Wijmenga et al., 1998). Cu는 또한 알츠하이머병, 파킨슨병, 헌팅턴병, 근위축성 측삭경화증과 같은 일반적인 신경 퇴행성 질환의 발병과도 관련이 있습니다. 알츠하이머병은 신경세포의 퇴행, Cu, Fe, Zn의 농도 증가, 그리고 뇌에 아밀로이드-β 단백질의 침착 증가를 특징으로 합니다(Strausak et al., 2001, Zatta et al., 2008; Squitti et al., 2009). 알츠하이머병에서, 아밀로이드 전구체 단백질 유전자 분자는 이는 질병의 초기 발현 형태와 직접적으로 연관되어 있으며, Cu 결합 부위(Multhaup, 1997; Multhaup et al., 1998; Multhaup et al., 1999)를 포함하고 있으며, 아밀로이드-β 단백질의 Cu 및 Zn 결합은 뇌에서 ROS 생성을 촉진할 수 있습니다(Strausak et al., 2001).

b. Other possible mechanisms

In addition to the free radical-induced oxidative damage, information available suggests that the cellular response to Cu overload, particularly at the early stages of Cu accumulation, involves more specific mechanisms and pathways. This includes regulation of lipid metabolism, antimicrobial defense, neuronal activity, resistance of tumor cells to chemotherapeutic drugs, kinase-mediated signal transduction, and other essential cellular processes (Hasan and Lutsenko 2012). While the mechanism of these actions remains to be established, many regulatory and signaling events are associated with changes in the intracellular localization and abundance of Cu transporters, as well as distinct compartmentalization of Cu itself. Several other possible mechanisms of Cu toxicity are listed below:

자유 라디칼에 의한 산화적 손상 외에도, 구리 과부하에 대한 세포 반응, 특히 구리 축적의 초기 단계에서 더 구체적인 메커니즘과 경로가 관여한다는 정보가 있습니다. 여기에는 지질 대사 조절, 항균 방어, 신경 활동, 화학 요법 약물에 대한 종양 세포의 저항성, 키나아제 매개 신호 전달 및 기타 필수 세포 과정이 포함됩니다(Hasan and Lutsenko 2012). 이러한 작용 기전은 아직 밝혀지지 않았지만, 많은 조절 및 신호 전달 사건이 세포 내 위치와 구리 수송체의 풍부성 변화, 구리 자체의 뚜렷한 구획화와 관련되어 있습니다. 구리 독성의 다른 가능한 기전 몇 가지는 다음과 같습니다:

Altered lipid metabolism

Using an animal model of Wilson disease to characterize the pre-symptomatic effects of Cu accumulated in the liver, Huster and Lutsenko (2007) found links between Cu metabolism, cell-cycle machinery, and cholesterol synthesis, and identified several candidate proteins that may mediate the cross-talk between Cu status and lipid metabolism. Significant down-regulation of lipid metabolism is observed at all stages of Wilson’s disease irrespective of Cu distribution. These findings suggest that altered lipid metabolism may be involved in Cu toxicity. Also, using animal models of Wilson’s disease to study gene and protein profiling, Burkhead et al. (2011) have revealed the link between molecular players and pathways, including cell cycle and cholesterol metabolism, mRNA splicing and nuclear receptor signaling, and Cu imbalance, and uncovered cellular processes that are primarily affected by Cu accumulation in the liver.

윌슨병의 동물 모델을 사용하여 간에 축적된 구리의 증상 전 효과를 특성화한 Huster와 Lutsenko(2007)는 구리 대사, 세포주기 기계, 콜레스테롤 합성 사이의 연관성을 발견하고, 구리 상태와 지질 대사 사이의 상호 작용을 매개할 수 있는 몇 가지 후보 단백질을 확인했습니다. 지질 대사의 현저한 하향 조절은 구리 분포와 관계없이 윌슨병의 모든 단계에서 관찰됩니다. 이러한 연구 결과는 지질 대사의 변화가 구리 독성에 관여할 수 있음을 시사합니다. 또한, 윌슨병의 동물 모델을 사용하여 유전자와 단백질 프로파일링을 연구한 Burkhead et al. (2011)은 세포주기, 콜레스테롤 대사, mRNA 스플라이싱, 핵 수용체 신호 전달, 구리 불균형 등 분자적 요소와 경로 사이의 연관성을 밝혀냈고, 간에서 구리 축적에 의해 주로 영향을 받는 세포 과정을 밝혀냈습니다.

Altered hepatic gene expression‎

Using a toxicogenomic approach in a fish model to investigate the signaling pathways mediating the effects of exposure to Cu, Santos et al. (2010) found that Cu exposures resulted in DNA strand breaks in blood cells at all exposure concentrations, alterations in hepatic gene expression‎ occurred in a concentration-dependent manner, and that genes associated with the cholesterol biosynthesis pathway were significantly over-represented and consistently down-regulated, similar to that occurring in a mouse model for Wilson's disease. Additionally, Cu exposure induces metallothionein and catalase, and increases the concentrations of NAD (+) and lactate, which are consistent with a shift toward anaerobic metabolism, and changes in gene expression‎. The expression‎ of hepatocyte GP73, a Golgi membrane protein, in hepatocytes in response to acute and chronic liver disease, is more frequently observed in Wilson’s disease patients with hepatic versus neurologic presentation, and is significantly higher in patients with hepatic phenotype (Wright et al., 2009). In ATP7B(−/−) mice, GP73 mRNA is significantly elevated at 20-46 weeks of age, coincident with extensive hepatic inflammation and fibrosis, but not at 6 weeks, when hepatic histology is normal despite significant Cu overload. GP73 mRNA levels normalized concomitantly with the resolution of hepatic injury at 60-weeks. However, in tumor-like nodules GP73 is strikingly elevated. The findings suggest that increased hepatocyte GP73 expression‎ is more commonly a feature of hepatic than neurologic Wilson’s disease, and is triggered in response to inflammation, fibrosis, and dysplasia, rather than Cu overload.

Cu에 노출된 효과를 매개하는 신호 전달 경로를 조사하기 위해 생선 모델에 독성 유전체학 접근법을 사용한 Santos et al. (2010)은 Cu에 노출되면 모든 노출 농도에서 혈액 세포의 DNA 가닥이 끊어지고, 농도에 따라 간 유전자 발현이 변화하며, 콜레스테롤 생합성 경로와 관련된 유전자가 윌슨병 마우스 모델에서와 유사하게 현저하게 과다 표현되고 지속적으로 하향 조절된다는 것을 발견했습니다. 또한, Cu 노출은 메탈로티오네인과 카탈라제를 유도하고, NAD (+)와 락테이트의 농도를 증가시킵니다. 이는 혐기성 대사로의 전환과 유전자 발현의 변화와 일치합니다. 급성 및 만성 간 질환에 대한 반응으로 간세포에서 골지막 단백질인 간세포 GP73의 발현은 간 증상이 있는 윌슨병 환자에서 신경학적 증상이 있는 환자보다 더 자주 관찰되며, 간 증상이 있는 환자에서 훨씬 더 많이 관찰됩니다(Wright et al., 2009). ATP7B(−/−) 마우스에서 GP73 mRNA는 20-46주령에 현저하게 증가하는데, 이는 광범위한 간 염증 및 섬유증과 일치하지만, 상당한 Cu 과부하에도 불구하고 간 조직학이 정상인 6주령에는 그렇지 않습니다. GP73 mRNA 수준은 60주째에 간 손상의 회복과 함께 정상화되었습니다. 그러나, 종양과 유사한 결절에서 GP73은 현저하게 증가했습니다. 이 연구 결과는 간세포 GP73 발현의 증가는 신경학적 윌슨병보다 간 질환의 특징으로 더 흔하게 나타나며, 구리 과부하보다는 염증, 섬유증, 이형성증에 의해 유발된다는 것을 시사합니다.

Altered alpha-synuclein aggregation

Alpha-synuclein, a natively unfolded protein that aggregates and forms inclusions that are associated with a range of diseases that include Parkinson's disease and dementia with Lewy Bodies has been shown to bind metals including Cu and Fe. Using a cell culture model of alpha-synuclein aggregation to examine the relationship between metals and formation of aggregates, Wang et al. (2010) have shown that Cu is important for both aggregation and cellular localization of alpha-synuclein, and that reduction in cellular Cu results in a dramatic decrease in aggregate formation both in terms of large aggregates visible in cells and oligomers. They also show that reduction in Cu results in a change in localization of the protein, which became more intensely localized to the plasma membrane with low Cu, and these changes are reversed when Cu is restored to the cells. Additionally, mutants of the Cu binding domains alter the response to Cu, and increased expression‎ of alpha-synuclein increase cell sensitivity to the toxicity of Cu. These results suggest that the potential pathological role of alpha-synuclein aggregates is dependent upon the Cu binding capacity of the protein.

알파-시누클레인(Alpha-synuclein)은 원래 펼쳐진 상태의 단백질로, 응집되어 루이소체 치매와 파킨슨병을 포함한 다양한 질병과 관련된 내포물을 형성하며, 구리와 철을 포함한 금속과 결합하는 것으로 나타났습니다. 알파-시누클레인 응집의 세포 배양 모델을 사용하여 금속과 응집체의 형성 사이의 관계를 조사한 Wang et al. (2010)은 알파-시누클레인의 응집과 세포 내 위치 결정에 구리가 중요하다는 사실과 세포 내 구리의 감소가 세포에서 보이는 큰 응집체와 올리고머 모두에서 응집체 형성을 극적으로 감소시킨다는 사실을 보여 주었습니다. 또한, 구리의 감소가 단백질의 위치 결정에 변화를 일으켜, 구리가 적은 상태에서 단백질이 세포막에 더 강하게 위치하게 된다는 사실도 밝혀냈습니다. 이러한 변화는 구리가 세포로 복원될 때 역전됩니다. 또한, Cu 결합 도메인의 돌연변이는 Cu에 대한 반응을 변화시키고, 알파-시누클레인의 발현 증가로 인해 세포의 Cu 독성에 대한 민감도가 증가합니다. 이러한 결과는 알파-시누클레인 응집체의 잠재적인 병리학적 역할이 단백질의 Cu 결합 능력에 의존한다는 것을 시사합니다.

Altered activation of acidic sphingomyelinase (Asm) and release of ceramide

Apoptosis is a highly regulated and crucial process found in all multicellular organisms. It has been implicated in regulatory mechanisms of cells, and attributed to a number of diseases, including inflammation, malignancy, autoimmunity and neurodegeneration. Transition metals, including Cu, cadmium, chromium and nickel, may promote apoptosis along with DNA base modifications, strand breaks and rearrangements. Cu may induce apoptosis by p53 dependent and independent pathways, and suggests that disorders of apoptosis may play a critical role in Cu-induced hepatotoxicity and neurotoxicity (Rana, 2008). Lang et al. (2011) studied the role of Asm and ceramide in liver cell death and anemia in patients with Wilson’s disease, and found that Cu++ triggers hepatocyte apoptosis through activation of Asm and release of ceramide. The production of ceramide, an apoptotic signal, in hepatocytes may lead to hepatocyte apoptosis. Genetic deficiency or pharmacological inhibition of Asm prevented Cu++-induced hepatocyte apoptosis and protected rats, genetically prone to develop Wilson disease, from acute hepatocyte death, and liver failure. Cu++ induced the secretion of activated Asm from leukocytes, leading to ceramide release and phosphatidylserine exposure on erythrocytes, events also prevented by inhibition of Asm. Phosphatidylserine exposure resulted in immediate clearance of affected erythrocytes from the blood in mice. Asm may downregulate the liver-specific methionine adenosyltransferase 1A, and contribute to tumor necrosis factor-induced lethal hepatitis. Also, individuals with Wilson disease showed elevated plasma levels of Asm, and displayed a constitutive increase of ceramide- and phosphatidylserine-positive erythrocytes. Asm may downregulate the liver-specific methionine adenosyltransferase 1A, and contribute to tumor necrosis factor-induced lethal hepatitis (Mari et al., 2004). These findings suggest a central role of Asm activation in liver cirrhosis and anemia in Wilson’s disease, and that Cu++ may trigger hepatocyte apoptosis through activation of Asm and release of ceramide (Brewer et al., 2007).

세포자멸사는 모든 다세포 생물체에서 발견되는 매우 규제되고 중요한 과정입니다. 그것은 세포의 조절 메커니즘과 관련이 있으며, 염증, 악성 종양, 자가 면역 및 신경 퇴행을 포함한 여러 질병에 기인합니다. 구리, 카드뮴, 크롬, 니켈을 포함한 전이 금속은 DNA 염기 변형, 가닥 파손 및 재배열과 함께 세포자멸사를 촉진할 수 있습니다. Cu는 p53 의존적 경로와 독립적 경로를 통해 세포 사멸을 유도할 수 있으며, 세포 사멸 장애가 Cu로 인한 간독성 및 신경독성에 중요한 역할을 할 수 있음을 시사합니다(Rana, 2008). Lang et al. (2011)은 윌슨병 환자의 간세포 사멸과 빈혈에 대한 Asm과 세라마이드의 역할을 연구한 결과, Cu++가 Asm의 활성화와 세라마이드의 방출을 통해 간세포의 세포 사멸을 유발한다는 사실을 발견했습니다. 간세포에서 세라마이드(세포자멸사 신호)의 생성은 간세포의 세포자멸사로 이어질 수 있습니다. Asm의 유전적 결핍 또는 약리학적 억제는 Cu++에 의한 간세포 세포자멸사를 방지하고, 윌슨병에 걸리기 쉬운 유전적 소인을 가진 쥐를 급성 간세포 사멸과 간부전으로부터 보호했습니다. Cu++는 백혈구에서 활성화된 Asm의 분비를 유도하여 세라마이드 방출과 적혈구에서의 포스파티딜세린 노출을 유발했는데, 이 현상은 Asm의 억제에 의해 방지되었습니다. 포스파티딜세린 노출은 생쥐의 혈액에서 영향을 받은 적혈구를 즉시 제거하는 결과를 가져왔습니다. Asm은 간 특이적 메티오닌 아데노실트랜스퍼라제 1A를 하향 조절하고, 종양 괴사 인자 유발 치명적 간염에 기여할 수 있습니다. 또한, 윌슨병 환자는 Asm의 혈장 농도가 상승했고, 세라마이드 및 포스파티딜세린 양성 적혈구의 구성적 증가를 보였습니다. Asm은 간 특이적 메티오닌 아데노실트랜스퍼라제 1A를 하향 조절하고 종양 괴사 인자 유발 치명적 간염에 기여할 수 있습니다(Mari et al., 2004). 이러한 연구 결과는 간경변과 윌슨병의 빈혈에서 Asm 활성화가 중심적인 역할을 한다는 것을 시사하며, Cu++가 Asm의 활성화와 세라마이드의 방출을 통해 간세포 사멸을 유발할 수 있음을 보여줍니다(Brewer et al., 2007).

Altered hepatic distribution of Cu

Cu accumulation in Wilson’s disease is different from accumulation due to excess dietary Cu builds up in lysosomes and causes liver injury when it is released into the cytoplasm (Fuentealba et al., 2000, Medici et al. 2006). The impaired transport also interferes with incorporation of Cu into ceruloplasmin, thus decreasing serum concentrations of ceruloplasmin. Consequently, hepatic fibrosis develops, ultimately producing cirrhosis, and Cu diffuses out of the liver into the blood, then into other tissues. The excess Cu is deposited in other extra-hepatic tissues including the brain and cornea of the eye. The accumulation of Cu in the liver and other organs is associated with the development of hepatic or neurologic symptoms. The most common symptoms are hepatitis (acute, chronic active and fulminant), central nerve system development (motor deficits) and cognitive or psychiatric abnormalities. Temporal and spatial distribution of Cu in hepatocytes may play an important role in Wilson’s disease pathology. Using high resolution synchrotron-based x-ray fluorescence imaging in situ, Ralle et al. (2010) have shown that Cu does not continuously accumulate in ATP7B(−/−) hepatocytes. The lack of further accumulation is associated with the loss of Cu transporter CTR1 from the plasma membrane and the appearance of Cu-loaded lymphocytes and extracellular Cu deposits. Also, the progression of Wilson’s disease is characterized by changes in subcellular Cu localization and transcription remodeling in the initial response to Cu overload and the metabolic pathways show compartmentalization that parallels changes in subcellular Cu concentration.

윌슨병에서 Cu 축적은 리소좀에 과도한 식이 Cu 축적로 인한 것과는 다르며, 세포질로 방출될 때 간 손상을 유발합니다(Fuentealba et al., 2000, Medici et al. 2006). 운송 장애는 또한 세룰로플라스민에 구리를 결합시키는 것을 방해하여, 세룰로플라스민의 혈청 농도를 감소시킵니다. 결과적으로, 간 섬유증이 발생하여, 궁극적으로 간경변을 일으키고, 구리는 간에서 혈액으로 확산된 다음, 다른 조직으로 확산됩니다. 과잉 구리는 뇌와 눈의 각막을 포함한 다른 간외 조직에 축적됩니다. 간과 다른 기관에 구리가 축적되면, 간 또는 신경학적 증상이 발생합니다. 가장 흔한 증상은 간염(급성, 만성 활동성 및 급성 쇠약성), 중추신경계 발달(운동 장애) 및 인지 또는 정신 이상입니다. 간세포 내의 Cu의 시간적 및 공간적 분포는 윌슨병 병리에서 중요한 역할을 할 수 있습니다. Ralle et al. (2010)은 고해상도 싱크로트론 기반 X선 형광 이미징을 사용하여 ATP7B(−/−) 간세포에 Cu가 지속적으로 축적되지 않는다는 것을 보여주었습니다. 추가 축적의 부족은 원형질막에서 구리 수송체 CTR1의 손실과 구리-부하 림프구 및 세포외 구리 침착물의 출현과 관련이 있습니다. 또한, 윌슨병의 진행은 구리 과부하에 대한 초기 반응에서 세포 내 구리의 국소화 및 전사 리모델링의 변화로 특징지어지며, 대사 경로는 세포 내 구리 농도의 변화와 유사한 구획화를 보여줍니다.

Altered protein-metal interaction

The interaction between metals and proteins in the nervous system seems to be a crucial factor for the development or absence of neurodegeneration, and metal accumulation within the nervous system observed in those diseases could be the result of compensatory mechanisms to improve metal availability for physiological processes (Rivera-Mancía et al., 2010). Using a computational approach and employing quantum mechanics/molecular mechanics methods to examine the molecular mechanism of protein-mediated Cu+ transfer from the human Cu chaperone Atox1 to the fourth metal-binding domains of Wilson’s disease protein, Rodriguez-Granillo et al. (2010) found that both Atox1 and Wilson’s disease protein have solvent-exposed metal-binding motifs with two Cys residues that coordinate Cu+. Those data suggest that the Cu-transfer reaction from Atox1 to Wilson’s disease protein appears to be kinetically accessible, and that altered protein-metal interaction in the nerve system may play a role on Cu toxicity.

As a number of biological response modifiers are redox-sensitive, intracellular production/level of ROS may alter the expression‎ and activation of vital biological modifiers, which in turn may alter cell proliferation, differentiation, apoptosis, and other cellular events (D’Autréaux and Toledano, 2007; Chow and Chow-Johnson, 2013; Long et al., 2014; Caliceti et al., 2014). Therefore, Cu-induced changes in the redox properties may alter neurotransmitter biosynthesis, angiogenesis and other physiological processes. However, it remains possible one or more of the proposed mechanisms of Cu toxicity may be secondary to the formation of ROS or consequence to oxidative damage.

신경계에서 금속과 단백질 사이의 상호 작용은 신경 퇴행의 발생 또는 부재에 중요한 요소인 것으로 보이며, 이러한 질병에서 관찰되는 신경계 내의 금속 축적은 생리학적 과정에 대한 금속 가용성을 개선하기 위한 보상 메커니즘의 결과일 수 있습니다(Rivera-Mancía et al., 2010). 컴퓨터 접근법을 사용하고 양자역학/분자역학 방법을 사용하여 인간 Cu 샤페론 Atox1에서 윌슨병 단백질의 네 번째 금속 결합 도메인으로의 단백질 매개 Cu+ 전달의 분자 메커니즘을 조사한 Rodriguez-Granillo et al. (2010)은 Atox1과 윌슨병 단백질 모두 Cu+를 조정하는 두 개의 Cys 잔기를 가진 용매에 노출된 금속 결합 모티프를 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 이 데이터는 Atox1에서 윌슨병 단백질로의 Cu 전이 반응이 동역학적으로 접근 가능한 것으로 보이며, 신경계에서 변경된 단백질-금속 상호 작용이 Cu 독성에 영향을 미칠 수 있음을 시사합니다.

많은 생물학적 반응 조절 인자가 산화 환원 반응에 민감하기 때문에, 세포 내 ROS의 생성/수준은 중요한 생물학적 조절 인자의 발현과 활성화를 변화시킬 수 있으며, 이는 차례로 세포 증식, 분화, 세포 사멸 및 기타 세포 활동을 변화시킬 수 있습니다(D'Autréaux and Toledano, 2007; Chow and Chow-Johnson, 2013; Long et al., 2014; Caliceti et al., 2014). 따라서, Cu에 의한 산화 환원 특성의 변화는 신경 전달 물질 생합성, 혈관 신생 및 기타 생리학적 과정을 변화시킬 수 있습니다. 그러나, 제안된 Cu 독성의 메커니즘 중 하나 이상이 ROS의 형성에 이차적이거나 산화적 손상의 결과일 가능성이 여전히 남아 있습니다.

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IV. Summary and Conclusion

Cu is an essential trace mineral for many important enzymes and proteins in living organisms. Cu homeostasis is generally well-maintained with effective regulatory mechanisms, and Cu toxicity resulting from disturbed homeostasis is an important contributor to numerous different symptoms and disease conditions. These disease states are most often linked to the role of Cu as a redox-active transition metal that may initiate oxidative damage. Recently, altered lipid metabolism, gene expression‎, alpha-synuclein aggregation, activation of Acidic sphingomyelinase and release of ceramide, and temporal and spatial distribution of Cu in hepatocytes, and Cu-protein interaction in the nerve system, have been suggested to play a role in Cu toxicity.

Cu는 살아있는 유기체에서 많은 중요한 효소와 단백질에 필수적인 미량 무기질입니다. Cu 항상성은 일반적으로 효과적인 조절 메커니즘으로 잘 유지되며, 항상성 교란으로 인한 Cu 독성은 다양한 증상과 질병 상태의 중요한 원인입니다. 이러한 질병 상태는 산화적 손상을 유발할 수 있는 산화 환원 활성 전이 금속으로서의 Cu의 역할과 가장 자주 관련이 있습니다. 최근에는 지질 대사, 유전자 발현, 알파-시누클레인 응집, 산성 스핑고미엘리나제의 활성화 및 세라마이드의 방출, 간세포 내의 구리의 시간적 및 공간적 분포, 신경계 내의 구리-단백질 상호작용이 구리 독성에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다.

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Acknowledgments

The project described was supported in part by Grant Number P42ES007380 from the National Institute of Environmental Health Sciences. The content is solely the responsibility of the authors and does not necessarily represent the official views of the National Institute of Environmental Health Sciences or the National Institutes of Health.

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