布罗迪肌病

在不同膜中发现的钙转运ATPase的功能是通过将Ca（2+）泵送到腔或细胞外空间来降低细胞质Ca（2+）的浓度。尽管长期以来有证据表明快肌骨骼肌纤维和慢肌/心肌纤维中的Ca（2+）ATPase存在差异，但直到克隆编码这两种形式的cDNA并测序后，这种差异才得以澄清（Brandl等，1986）。这些蛋白质具有84％的氨基酸序列同一性和76％的核酸序列同源性。显然，这两种蛋白质的编码是由不同的基因进行的，这些基因可能是由于古老的基因复制事件而相互关联的。

细胞遗传学位置：16p11.2
基因座标（GRCh38）：16：28,878,487-28,904,465

张等（1995）分离并鉴定了编码人ATP2A1的基因组DNA和cDNA。推导的994个氨基酸蛋白的计算分子量为109 kD，包含10个假定的跨膜片段。

Chami等（2001年）指出成人SERCA1变异体SERCA1A在第22外显子具有终止密码子，而胎儿变异体SERCA1B在第22外显子中缺乏终止密码子，在第23外显子具有终止密码子。 S1T + 4和S1T-4。两个S1T变体都缺少外显子11，但S1T-4也缺少外显子4。两个变体中的外显子11剪接会导致移码，在外显子12中引入终止密码子，导致C端截短的蛋白缺少跨膜段5至10。 ，其中包括在全长SERCA1中发现的7个Ca（2+）结合残基中的6个。因此，S1T蛋白预计缺乏泵Ca（2+）的能力。RT-PCR分析在大多数受检的成年和胎儿组织中检测到了全长SERCA1，包括成年大脑，但未发现胎儿脑。在成人胰腺，肝脏，肾脏，肺，胎盘以及胎儿的肾脏，肝脏，脑和胸腺，但不在成年骨骼肌，心脏和脑中或胎儿骨骼肌和心脏中。在大脑中，表达似乎从胎儿的S1T转变为成人的SERCA1。蛋白质印迹分析分别在46和110 kD处检测到S1T和SERCA1。S1T似乎形成同二聚体，并与SERCA2B（ATP2A2;108740）在内质网（ER）膜中。

▼ 基因功能
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Chami等（2001）发现S1T蛋白质的过表达在几个人细胞系诱导凋亡和减少在ER的稳态Ca（2+）水平和增加的ER Ca（2+）泄漏。在共转染实验中，S1T蛋白在SERCA1或SERCA2B过表达后始终降低ER中较高的稳态Ca（2+）水平。Chami等（2001）得出结论，S1T亚型调节全长SERCA依赖的Ca（2+）积累到ER中，并在凋亡中起作用。

Chami等（2008）发现S1T的过度表达而非全长的SERCA1诱导HeLa细胞的ER应激，并通过PERK（EIF2AK3; 604032）-EIF2A（609234）-ATF4（604064）-CHOP（DDIT3; 126337）放大了ER应激。）途径。S1T1增加ER Ca（2+）泄漏，增加ER和线粒体之间的接触部位数量，并抑制线粒体运动。这些更改导致增加Ca（2+）转移到休息和刺激细胞中的线粒体并激活线粒体的凋亡途径。S1T组合式阻止内质网应激，线粒体Ca（2+）超载和随后的细胞凋亡。

▼ 基因结构
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张等（1995）确定人ATP2A1基因是26 kb长和包含23个外显子，其中1个可以被剪接。每个外显子/内含子边界的位置与先前在兔子ATP2A1基因中鉴定的位置相同。

▼ 测绘
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MacLennan等（1987）发现用于快速抽搐ATP酶的兔cDNA与用限制酶BamHI消化的人基因组DNA中的突出的单个片段杂交。通过将体细胞杂种DNA中该片段的存在与杂种的人类染色体含量相关联，他们将快速抽搐ATPase基因分配给了人类16号染色体。

Callen等人在将Batten病基因（204200）定位到16p12.1-p11.2（607042）的过程中（1991）将 ATP2A定位在脆弱区域FRA16E远端的同一区域。这是通过使用体细胞杂交分析和原位杂交对连接到CLN3和ATP2A的标记进行物理定位来完成的。

Schleef等（1996年）通过种间回交的分析将Atp2a1基因定位到小鼠7号染色体。

▼ 生化特征
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在肌肉中，动作电位与Na（+）的流入和K（+）的流出有关。肌膜的这种去极化诱导Ca（2+）从肌质网（SR）释放到细胞质中，引起肌肉收缩。骨骼肌兴奋后，依赖ATP的离子泵可恢复受干扰的离子稳态。SR Ca（2 +）-ATPase将Ca（2+）从胞质中转运到SR的腔中，Na（+）/ K（+）依赖的ATPase从组织液中重新摄取K（+）进入肌肉并释放Na（+）。Benders等人将快速抽搐的肌肉细胞质网Ca（2 +）-ATPase异构体称为SERCA1（1994）研究了它在股四头肌和培养的肌肉细胞中的活性。布罗迪性肌病患者的酶活性降低了约50％。该蛋白质的浓度是正常的，但是，这意味着在布罗迪病中SERCA1的分子活性降低了。

晶体结构

丰岛等（2004年）报道了2.3埃分辨率的SERCA1的结构，SERCA1是一种代表性的P型ATP酶，在不存在钙但存在氟化镁（一种稳定的磷酸盐类似物）的情况下结晶。这种晶体结构和其他晶体结构为反应周期中所有四个主要状态提供了原子模型。这些结构表明，3个胞质结构域重新排列以移动10个跨膜螺旋中的6个，从而改变了钙结合位点的亲和力和离子通道的门控。ADP的释放触发腔门的打开，磷酸盐的封闭释放，这主要是通过跨膜门驱动器A域的移动来实现的。

Olesen等（2004年）确定了与铝氟化物复合的兔肌浆网钙ATP酶的晶体结构，该结构模仿了抗衡离子结合（质子化）的磷酸酶水解的过渡态。根据结构分析和生化数据，Olesen等（2004）发现这种形式代表质子抗衡离子的闭塞状态。保守的thr-gly-glu-ser基元催化水解，并利用与ATP磷酸转移相同类型的缔合亲核反应机理。

Olesen等（2007）提出了功能研究和兔骨骼肌Ca（2 +）-ATPase（Serca1a）的3个新的晶体结构，代表与Ca（2+）结合，Ca（2+）易位和去磷酸化有关的磷酸酶中间体，分别基于与功能性ATP类似物，氟化铍和氟化铝的配合物。该结构完成了Ca（2 +）-ATPase的核苷酸结合和阳离子转运循环的研究。酶的磷酸化触发构象变化的发生，从而导致由跨膜片段M1至M6定义的腔出口通道的开放，跨膜片段M1至M6代表了P型泵的规范膜结构域。Ca（2+）释放通过易位的M4螺旋，使glu309，glu771和asn796暴露于内腔而得以促进。Olesen等（2007年）得出结论，该机制解释了P型ATP酶如何能够形成真核细胞关键功能所需的陡峭电化学梯度。

丰岛等（2013）描述了来自兔的天然Serca1a的晶体结构，在3.0埃分辨率下处于E1-Mg（2+）状态，此外，E2中的Serca1a的晶体结构不含外源抑制剂，并阐述了激活信号的结构基础用于磷酸基转移。出乎意料的是，肌钙蛋白（602203），Ca（2 +）-ATPase的一个小的调节膜蛋白，被绑定，稳定E1-Mg（2+）状态。肌钙蛋白是phosphorlamban（172405）的紧密同源物，它是β-肾上腺素信号在心脏钙调节中的关键介体，似乎在基于肌肉的生热中起重要作用。丰岛等（2013年） 还确定了不含Sarcolipin的重组Serca1a的晶体结构，并描述了被Sarcolipin / 受磷蛋白抑制的结构基础。

温瑟等（2013）报道了兔Serca1a与肌钙蛋白的复合物的晶体结构，分辨率为3.1埃。监管肌脂蛋白捕获Ca（2 +）-ATPase处于先前未描述的E1状态，通过通过Mg（2+）稳定的开放细胞质途径暴露Ca（2+）位点。这种结构表明选择性的Ca（2+）加载和SERCA激活的机制，并提供了深入的研究，如何从这种没有结合Ca（2+）的E1中间状态的稳定中产生肌钙蛋白和磷脂抑制的发现。

▼ 分子遗传学
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MacLennan等（1987）提出，位于16号染色体上的ATP2A1基因可能是布罗迪肌病（601003）中的突变位点，布罗迪肌病是一种异常的，明显的家族性疾病，其特征是运动过程中肌肉放松的损害增加（Brody，1969）。已经证明，快肌但不慢肌骨骼肌的肌浆网中存在Ca（2+）转运ATPase活性的不足（Karpati et al。，1986）。

张等。Karpati等人（1995年）对ATP2A1基因的外显子进行了测序（1986）是在2型肌纤维中的SERCA1蛋白和Ca（2 +）-ATPase活性不足，并且没有发现突变。他们还对另外2位无关的Brody患者的SERCA1全长cDNA进行了测序。再次，未发现序列异常。在所有3种情况下，编码和剪接连接序列均正常。

Odermatt等（1996）证明了2个家庭的ATP2A1基因突变与Brody肌病的常染色体隐性遗传。一个突变发生在内含子3（剪接供体位点108730.0003），而另外2个突变（108730.0001，108730.0002）导致提前终止密码子，截断SERCA1和删除必不可少的功能结构域。这就提出了一个问题，即布罗迪肌病患者如何部分补偿基因产物的功能性敲除，而基因敲除被认为对于快速抽搐骨骼肌松弛至关重要。

▼ 动物模型
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Pan等（2003年）发现，Serca1-null小鼠以孟德尔预测的比例出生。但是，与缺乏SERCA1的人类相反，Serca1无效的小鼠出生后不久便出现进行性紫和喘息呼吸，并因呼吸衰竭而屈服。突变小鼠的肺部表现出弥漫性充血和上皮细胞过多，而，肌则在分散的纤维中显示出明显的过度收缩区域，并增加了纤维大小的变异性。与野生型肌肉相比，突变隔膜和骨骼肌中Ca（2+）转移的Vmax降低了80％，并且在生理条件下对电刺激的收缩反应也降低了。其他Ca（2+）处理蛋白中没有补偿性增加。

Gehrig等（2012）表明增加肌内热休克蛋白72（HSP72；140550）的表达可以保留肌肉力量并改善2种肌肉营养不良小鼠模型的营养不良病理。BGP-15是Hsp72的药理诱导剂，可以治疗肥胖引起的胰岛素抵抗，改善mdx营养不良小鼠的diaphragm肌严重受累的diaphragm肌的肌肉结构，强度和收缩功能。在dko小鼠中，DMD的表型导致严重的后凸，肌肉无力和过早死亡，BGP-15减少了后凸，改善了四肢和diaphragm肌的营养不良性病理生理，并延长了寿命。Gehrig等（2012年）发现在严重感染mdx和dko小鼠的肌肉中Serca功能失调，Hsp72与Serca相互作用以在压力条件下保留其功能，最终导致Hsp72上调导致肌肉变性减少。BGP-15的治疗类似地增加了营养不良性骨骼肌的Serca活性。Gehrig等（2012）得出的结论是，他们的结果提供了证据，证明通过使用BGP-15来增加Hsp72在肌肉中的表达对于DMD和相关疾病具有重大的治疗潜力，无论是作为孤立疗法还是作为具有其他潜力的佐剂治疗，包括基因，细胞和药物治疗。

▼ 等位基因变异体（5个示例）：
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.0001勃氏肌病
ATP2A1，ARG198TER
Odermatt等人在3个患 Brody肌病的家庭（BD1）（601003）中受影响（1996）确定了纯合性在ATP2A1基因的核苷酸592的从C到T转换，导致密码子198从CGA（arg）更改为TGA（停止）。作者指出，截短的产物将没有磷酸化，核苷酸结合和Ca（2+）结合域。尽管在家族中没有血缘关系，但在标记D16S288和D16S304之间的6.6-cM间隔中，父母的单倍型相同。受影响的患者从每个父母那里继承了这种常见的单倍型。

.0002肌病
ATP2A1，CYS675TER
Odermatt等人在布罗迪肌病（601003）的2个兄弟（BD2家族）中（1996年）确定了ATP2A1基因中的复合杂合突变：一个cys675-to-ter（C675X）突变，以及一个在母系遗传染色体（IVS3-2G- C; 108730.0003）。父系遗传的C675X突变预计会导致674个氨基酸的截短蛋白。截短的基因产物预计包含磷酸化和核苷酸结合域，但Ca（2+）结合域将被破坏。剪接位点的突变预计会导致外显子3的优先跳过，而较少发生内含子3的部分保留。如果将外显子2剪接至外显子4并进行转录，则产物将被截短。如果内含子3被部分保留并转录，产物也将被截短。两个基因产物将缺少磷酸化，核苷酸结合和Ca（2+）结合域。

.0003勃氏肌病
ATP2A1，IVS3DS，GC，-2
为了讨论ATP2A1基因中的剪接位点突变（IVS3-2G-C），Odermatt等在两个伴有布罗迪肌病（601003）的同胞中以复合杂合状态发现（1996），参见108730.0002。

.0004勃氏肌病
ATP2A1，1-BP DEL，437C
Odermatt et al。在有Brody肌病（601003）的两个兄弟中（BD3家族），他们在ATP2A1位点上具有表兄弟的父母，并且在纯合状态下具有相同的单倍型（1997）确定了ATP2A1基因的一系列3个Cs（cDNA核苷酸437至439）中C的缺失。这种缺失在pro147处引起纯合的移码，在掺入33个其他氨基酸后导致两个转录物中的终止密码子。

.0005勃氏肌病
ATP2A1，PRO789LEU
Odermatt等人在一个有布罗迪肌病（601003）的瑞士家庭（BD11）中有2个受影响的兄弟中（2000年）确定了ATP2A1基因的纯合2366C-T过渡，导致pro789到leu（P789L）取代。突变体形式很容易在HEK293细胞中表达，但由于减少了Ca（2+）亲和力，它证明了Ca（2+）转运活性几乎完全丧失。这是首次报道错义突变引起布罗迪肌病的报道。父母是最早的表亲，是杂合子携带者。一个姐妹是该突变的无症状携带者。