Decreased expression of the Slc31a1 gene and cytoplasmic relocalization of membrane CTR1 protein in renal epithelial cells : a potent protective mechanism against copper nephrotoxicity in a mouse model of Menkes disease

Kidneys play an especial role in copper redistribution in the organism. The epithelial cells of proximal tubules perform the functions of both copper uptake from the primary urine and release to the blood. These cells are equipped on their apical and basal membrane with copper transporters CTR1 and ATP7A. Mosaic mutant mice displaying a functional dysfunction of ATP7A are an established model of Menkes disease. These mice exhibit systemic copper deficiency despite renal copper overload, enhanced by copper therapy, which is indispensable for their life span extension. The aim of this study was to analyze the expression of Slc31a1 and Slc31a2 genes (encoding CTR1/CTR2 proteins) and the cellular localization of the CTR1 protein in suckling, young and adult mosaic mutants. Our results indicate that in the kidney of both intact and copper-injected 14-day-old mutants showing high renal copper content, CTR1 mRNA level is not up-regulated compared to wild-type mice given a copper injection. The expression of the Slc31a1 gene in 45-day-old mice is even reduced compared with intact wild-type animals. In suckling and young copper-injected mutants, the CTR1 protein is relocalized from the apical membrane to the cytoplasm of epithelial cells of proximal tubules, the process which prevents copper transport from the primary urine and, thus, protects cells against copper toxicity

Histological and histochemical analysis of the spleen of Hmox1 gene knockout mice.

Żelazo poprzez swoje zdolności oksydoredukcyjne uczestniczy w reakcjach związanych z transportem elektronów i jest wbudowane w centra aktywne wielu enzy-mów prowadzących kluczowe reakcje metaboliczne. Najważniejszą rolę jaką odgrywa ten pierwiastek jest transport tlenu, gdyż żelazo wchodzi w skład centrum aktywnego hemu. Organizm ściśle reguluje gospodarkę żelazową jako iż jego przyswajalność jest niska. W związku z tym na drodze ewolucji powstały procesy ponownego wykorzysta-nia żelaza w organizmie, poprzez rozkład hemu przy udziale specjalnego białka, oksy-genazy hemowej. Enzym ten rozkład hem do jonów Fe(II), tlenku węgla (CO) i bili-werdyny. Oksygenaza hemowa posiada dwie główne izoformy, indukowalną oksygena-ze hemową 1 (HO-1) oraz konstytutywną oksygenze hemową 2 (HO-2). Izoforma HO-2 jest obecna w prawie każdej komórce ciała lecz ekspresja kodującego ją genu nie ulega indukcji. Natomiast izoforma HO-1 posiada złożony mechanizm indukcji pozwalający na znaczne zwiększenie wydajności ekspresji. Taką zdolność osiągają tylko nieliczne komórki, głównie makrofagi śledzionowe oraz również makrofagi wątrobowe czy niektóre komórki nerkowe. Zaburzenia w funkcjonowaniu HO-1 powodują dysfunkcje w redystrybucji żelaza w organizmie.Obecna praca skupia się na charakterystyce zmian zachodzących w śledzionie myszy z nokautem genu Hmox1 kodującego białko oksygenazy hemowej 1. Poprzez brak zdolności wyspecjalizowanych makrofagów śledziony do rozkładu hemu rośnie w nich stężenie wolnych rodników co prowadzi do wyginięcia ich populacji. Brak tych komórek skutkuje masywnymi zmianami zapalnymi w śledzionie powodując jej końcowo całkowite zwłóknienie oraz niekontrolowaną hemolizę doprowadzając do zwiększenia stężenia wolnej hemoglobiny i hemu we krwi. Prowadzi to do poważnych uszkodzeń w wątrobie, nerkach, a także naczyniach krwionośnych poprzez ogólny stan zapalny oraz anemie. Zmiany dotyczące redukcji miazgi czerwonej w śledzionie obser-wowano już u myszy 3-miesięcznych. Proces ten ulegał znacznemu zaawansowaniu u myszy starych, 24-miesięcznych, u których oprócz zaniku miazgi czerwonej obser-wowano zwłóknienie i nekrozę w obrębie miazgi białej. Badania te pozwolą na lepsze zrozumienie funkcji HO-1, ale również mogą przyczynić się do poszerzenia wiedzy na temat chorób o podłożu zapalnym takich jak zespół hemofagocytowy, aktywacji makro-fagów czy także przy porfiriach i anemiach.Iron, through its oxidoreductive capacity, participates in electron transport relat-ed reactions and is embedded in the active centres of many enzymes carrying out key metabolic reactions. However, the most important role played by this element is that of oxygen transport, as iron is incorporated into the active centre of haem. The organism strictly regulates iron metabolism, as its absorption in the gastrointestinal tract is low. Therefore, evolution has developed processes to reuse iron in the body by degrading haem with the help of a special protein, haem oxygenase. This enzyme breaks down haem to Fe(II) ions, carbon monoxide (CO) and biliverdin. Haem oxygenase has two main isoforms, inducible haem oxygenase 1 (HO-1) and constitutive haem oxygenase 2 (HO-2). The HO-2 isoform is present in almost every cell in the body but expression of the gene encoding it is not induced. In contrast, the HO-1 isoform has a complex mech-anism of induction, allowing a significant increase in expression efficiency, but only a limited number of cells have this capacity, including primarily splenic macrophages, but also liver macrophages and some renal cells. Disturbances in HO-1 function result in significant dysregulation of iron redistribution in the body.The current work focuses on characterising the changes that occur in the spleen of mice with a knockout of the Hmox1 gene encoding the haem oxygenase 1 protein. Through the inability of specialised splenic macrophages to degrade haem, the concen-tration of ROS (oxygen-containing reactive species) in the spleen increases, leading to the extinction of the macrophage population. The absence of these cells results in mas-sive inflammatory changes in the spleen causing its eventual complete fibrosis and uncontrolled haemolysis leading to increased concentrations of free haemoglobin and haem in the blood creating severe damage to the liver, kidneys and blood vessels through general inflammation and anaemia. Changes regarding the reduction of the splenic red pulp were already observed in 3-month-old mice. This process was signifi-cantly advanced in old 24-month-old mice in which fibrosis and necrosis within the white pulp were observed in addition to atrophy of the red pulp. These studies will pro-vide a better understanding of HO-1 function and may therefore contribute to our knowledge of inflammatory diseases such Hemophagocytic lymphohistiocytosis (HLH) or macrophage activation syndrome (MAS) and also in porphyria and anaemia

Characteristics of histological structure of the spleen in mice with Hmox1 gene knockout

Żelazo jest mikroelementem niezbędnym dla prawidłowego metabolizmu wszystkich organizmów żywych. Pierwiastek ten, dzięki swoim właściwościom oksydo-redukykcyjnym, pełni role kofaktora w białkach enzymatycznych biorących udział w kluczowych reakcjach metabolicznych takich jak np. oddychanie komórkowe. Żelazo wbudowane w cząsteczki hemu w białku hemoglobinie, jest też niezbędne dla prawidłowego transportu tlenu w organizmie. Cechą charakterystyczna metabolizmu żelaza u ssaków jest brak naturalnego szlaku usuwania tego pierwiastka z organizmu, dlatego rozwinęły one jest skuteczny system kontroli jego pobierania, wykorzystania w procesach metabolicznych, gromadzenia oraz redystrybucji. U ssaków powtórne wykorzystanie żelaza pochodzącego ze starych erytrocytów jest możliwe dzięki aktywności enzymu oksygenazy hemowej 1 (HO-1), katalizującej rozkład hemu do biliwerdyny, tlenku węgla i żelaza dwuwartościowego. Jej konstytutywna izoforma (HO-2), obecna jest w każdej komórce ciała, natomiast izoforma indukowalna (HO-1) głównie w makrofagach rezydentnych śledziony i wątroby. Zaburzenia w funkcjonowaniu izoformy indukowalnej (HO-1) powodują daleko idące konsekwencje w redystrybucji żelaza w organizmie. Dochodzi przez to, między innymi, do przeciążenia hemem w śledziony, wątroby czy nerek, co powoduje rozległe stany zapalne. Obecna praca skupia się na roli śledziony oraz na funkcji oksygenazy hemowej 1 w procesach redystrybucji żelaza w organizmie. W pracy omówiono również zaburzenia metabolizmu żelaza u myszy z nokautem genu Hmox1, u których dochodzi do postępującej wraz z wiekiem degeneracji śledziony. Wykorzystanie myszy z nokautem genu Hmox1 do badań pomaga lepiej zrozumieć funkcję oksygenazy hemowej 1, oraz może przyczynić się do poszerzenia wiedzy o roli tego enzymu w rozwoju takich chorób jak anemie, hemachromatozy czy nawet nowotwory.Iron is a trace element essential for normal metabolic processes in all living organisms. Due to the redox ability iron play a role of cofactor in important enzymes participated in kay biological reactions as eg. cellular respiration. However iron play many biological functions of but the most important is the oxygen transport in the blood by divalent ferrous cations in the heme ring in haemoglobin molecule. In mammals there is no natural path-way for excreting excess iron from the organism, therefore iron homeostasis must be very tightly controlled in the level of absorption, storage, utilization and iron recycling. In mammals senescent erythrocytes are engulfed by spleen and liver macrophages in which heme is catabolized by inducible heme oxygenase 1 (HO1) to iron, biliverdin, and carbon monoxide. The second isoform of heme oxygenase HO-2 is less active and exhibit constitutive expression in all the cells in organism. Disturbances in heme decomposition due to lack of activity of HO-1 lead to far-reaching consequences for the redistribution of iron in the body and resulted in pathological changes and widespread inflammation in the liver, spleen and kidney in caused by heme and iron accumulation. In the present study we focused on the role of the spleen and heme oxygenase 1 in the process of iron redistribution in the organism. We also characterised disturbances in iron metabolism in Hmox1 knockout mice (Hmox1-/-) in which lack of HO-1 activity lead to degeneration of the spleen caused by heme accumulation. Hmox1-/- mice are valuable model for investigation of HO-1 function and its role in such disease as anemia, hemochromatosis or cancer