La SOD1 fait partie de la majorité des organismes. Elle représente un élément-clé du processus de défense contre le stress oxydatif. Cet enzyme de faible masse moléculaire forme des homodimères. Chaque monomère contient un ion de zinc qui joue un rôle structural et un ion de cuivre qui agit en tant que cofacteur catalytique. La SOD1 catalyse la désagrégation des anions superoxydes en peroxyde d’hydrogène et en oxygène selon les réactions suivantes :

Chez S. cerevisiae, sans la chaperonne Ccs1, il n’y a pas d’incorporation de cuivre à l’enzyme SOD1 qui est toujours synthétisée mais demeure inactive. La chaperonne Ccs1 a été divisée en trois domaines selon des fragments polypeptidiques obtenus après une digestion partielle à la trypsine [ 13]. Le premier domaine contient un motif consensus de liaison au Cu¹⁺, MxCxxC, également présent chez la chaperonne Atx1. Le domaine I de Ccs1 peut agir en trans avec les domaines II et III pour favoriser l’apport en cuivre à la SOD1. Même si Atx1 montre une ressemblance avec le domaine I de Ccs1, cette chaperonne ne peut pas jouer un rôle équivalent en ce qui a trait à l’apport en cuivre à la SOD1. Le second domaine de Ccs1 partage une homologie de séquence avec la SOD1 et permet une interaction directe avec cet enzyme. La formation de l’hétérodimère Ccs1/SOD1 permet le transfert de l’ion Cu¹⁺ d’une protéine à l’autre. Deux acides aminés (AA) essentiels à la dimérisation de la SOD1 figurent aussi dans le domaine II de Ccs1. La mutation de ces AA chez Ccs1 empêche l’interaction Ccs1/SOD1 et rend l’activité SOD1 nulle [13]. Le troisième domaine de la chaperonne Ccs1 est très conservé d’une espèce à l’autre et il est indispensable à l’action de Ccs1. Il contient un motif CxC essentiel à la liaison du Cu¹⁺.

Le cytosol constitue un environnement réducteur où très peu de protéines y forment des ponts disulfures. C’est pourtant le cas de la SOD1. Ce pont disulfure joue un rôle important dans le maintien d’une structure optimale pour son activité. Chez S. cerevisiae, la chaperonne Ccs1 permet non seulement l’apport en cuivre à la SOD1 mais reconnaît la protéine SOD1 immature, sans pont disulfure et sans cuivre. Par la suite, un pont disulfure transitoire relie la Cys-57 de la SOD1 et l’une des cystéines du motif CxC de Ccs1. Le pont disulfure intramoléculaire observé chez la SOD1 serait formé à la faveur de cet hétérocomplexe [ 14].

Bien que les protéines SOD1 et Ccs1 soient pour la plupart localisées dans le cytosol, environ 1-5 % des protéines SOD1 sont localisées dans l’espace intermembranaire de la mitochondrie (IMS) [ 15]. Dans l’IMS, la SOD1 est importée seulement sous sa forme immature, sans zinc, ni cuivre, ni pont disulfure et son importation ne dépend pas de la présence de Ccs1. Cependant, la séquestration de la SOD1 mature dans l’IMS est influencée par la localisation de Ccs1 dans ce compartiment cellulaire [ 16]. La présence d’un pool de cuivre, non lié à des protéines, a récemment été mise en évidence dans la matrice mitochondriale. Cette source de cuivre pourrait servir à nourrir les enzymes dépendants du cuivre de la mitochondrie [ 17].

Chez S. pombe, l’orthologue de la chaperonne Ccs1 de S. cerevisiae (ScCcs1) a été nommé Pccs [ 18]. Chez les mammifères incluant l’homme, elle se nomme Ccs1. La chaperonne humaine acquiert le cuivre en liant ce dernier via ses domaines I et III. L’holo-molécule adopterait alors une conformation protégeant l’ion de cuivre jusqu’à son transfert à la SOD1. La passation du Cu de Ccs1 au site actif de la SOD1 relèverait du domaine III ; son domaine II quant à lui servirait de point d’arrimage avec la SOD1 [ 19]. Une particularité de la Ccs1 humaine est qu’elle peut être convertie par une simple mutation ponctuelle en une protéine ayant une activité superoxyde dismutase comparable à celle de la SOD1. Les souris qui ont subi l’inactivation des deux allèles codant pour Ccs1 montrent une diminution significative de l’incorporation de Cu à la SOD1 et ce, particulièrement dans les cellules neuronales [ 20]. L’hypothèse selon laquelle la chaperonne Ccs1 serait une des causes de certaines formes de sclérose latérale amyotrophique est aujourd’hui encore considérée.

L’apport en cuivre à la CcO de la membrane interne de la mitochondrie (IM) est la voie de distribution du cuivre la plus complexe (Figure 3). La CcO est cruciale pour la production d’énergie via la phosphorylation oxydative. Cette enzyme est composée de plus de douze sous-unités protéiques à l’intérieur desquelles agissent divers cofacteurs tels le cuivre, l’hème et le magnésium. Les trois plus grosses sous-unités de CcO sont Cox1, Cox2 et Cox3. La CcO requiert trois ions de cuivre pour être active : deux au centre Cu_A, situé dans la partie de la protéine qui émerge de l’IMS pour Cox2 ; un au centre Cu_B qui se trouve dans l’IM de la mitochondrie pour Cox1 [ 21].

Le système d’approvisionnement en cuivre à la CcO n’est pas encore totalement défini. Le cuivre doit parvenir à la mitochondrie où les protéines Cox1 et Cox2 sont synthétisées. Chez S. cerevisiae, trois protéines contribuent à l’apport en cuivre à la CcO : Cox17, Cox11 et Sco1 [21]. Cox17 est une protéine soluble très conservée à travers les espèces eucaryotes qui vivent en aérobie, incluant l’homme. Cox17 possède la capacité de se lier au cuivre de façon réversible. Chez S. cerevisiae, une souche mutante pour COX17 présente une CcO inactive. Le modèle initial suggérait que Cox17 contribuait à l’apport en cuivre à l’intérieur de la mitochondrie [11] bien que l’absence de Cox17 n’affecte pas le niveau de cuivre contenu dans la mitochondrie [21]. De plus, l’environnement réducteur du cytosol laisserait Cox17 sous sa forme réduite, permettant plus facilement son entrée dans l’IMS via le complexe Tom [21]. Des études récentes suggèrent que la forme active de Cox17 opère dans l’IMS. C’est à cet endroit que la protéine acquerrait le cuivre. Cette étape serait alors suivie de l’apport de l’ion métallique par Cox17 aux protéines Sco1 et Cox11 [ 22].

La protéine Sco1, requise pour l’incorporation du cuivre au site Cu_A de la sous-unité Cox2, est ancrée à l’IM de la mitochondrie via un domaine transmembranaire. Elle interagit directement avec Cox2 [21]. Sco1 et Cox2 partagent une homologie de séquence des motifs (CxxxC) en action dans la coordination du Cu¹⁺. Lorsque le gène SCO1 est inactivé, la sous-unité Cox2 est rapidement dégradée. Il existe une protéine homologue à Sco1, nommée Sco2 [21]. Chez S. cerevisiae, cette protéine n’est pas essentielle à l’apport en cuivre à la CcO. En revanche, lorsqu’elle est surexprimée, Sco2 peut partiellement substituer la fonction de la protéine Sco1 dans l’apport en cuivre à la CcO [21]. Chez l’homme, il a été démontré que Sco1 et Sco2 sont toutes deux requises pour l’incorporation du cuivre au site Cu_A de Cox2 [ 23]. De plus, bien que les deux protéines Sco1 et Sco2 soient exprimées de façon ubiquitaire dans tous les tissus et dans tous les types cellulaires examinés, leurs actions sont indépendantes et non-redondantes [23]. De fait, les mutations affectant le gène SCO1 ne provoquent pas les mêmes symptômes cliniques que ceux causés par des mutations touchant le gène SCO2. Les rôles respectifs à l’échelle moléculaire de Sco1 et Sco2 ne sont toujours pas élucidés.

La protéine Cox11 est une composante ancrée à l’IM via un domaine transmembranaire. Cox11 forme un dimère et lie un ion de Cu¹⁺ par monomère. La protéine Cox11 est impliquée dans l’apport en cuivre au site Cu_B de la sous-unité Cox1. D’ailleurs, Cox11 interagit directement avec cette dernière sous-unité [22].

Chez S. cerevisiae, la chaperonne Atx1 est localisée dans le cytosol. Atx1 contient un motif de liaison au cuivre de type MxCxxC [12]. Cette chaperonne assure l’apport en cuivre à un transporteur intracellulaire situé dans la membrane de l’appareil de Golgi nommé Ccc2 [ 24]. Huit domaines transmembranaires ancrent Ccc2 à la membrane de l’appareil de Golgi. La région cytosolique amino-terminale de Ccc2 présente également deux motifs de liaison au cuivre de type MxCxxC. Des travaux ont démontré qu’Atx1 interagit directement avec la section amino-terminale de Ccc2. Cette interaction est dépendante de la présence de cuivre, prévenant ainsi les interactions improductives entre la forme « apo » de Ccc2 et Atx1 [ 25]. La protéine Atx1 et la région amino-terminale de Ccc2 possèdent des structures tertiaires similaires bien qu’existe une exposition d’AA de charges négatives chez Ccc2 et d’AA de charges positives chez Atx1 à l’interface de leurs zones d’interactions respectives. La mutation de ces AA chez Atx1 abolit l’interaction Atx1/Ccc2. Le transfert du cuivre dans l’appareil de Golgi requiert l’hydrolyse d’ATP par Ccc2. Une fois dans l’appareil de Golgi, le cuivre est incorporé à des protéines destinées à être sécrétées ou acheminées vers différents compartiments cellulaires. Chez S. cerevisiae, l’incorporation du cuivre à la protéine Fet3 a lieu au sein de l’appareil de Golgi. Par la suite, Fet3 est acheminée à la membrane plasmique (Fet3 est l’une des protéines qui composent le système d’acquisition du fer de haute affinité). D’ailleurs, chez des souches mutantes pour les gènes ATX1 et CCC2, le transport de haute-affinité du fer est aboli.

Chez l’homme, il existe un homologue de la chaperonne Atx1 qui se nomme Atox1 [1], ainsi que deux homologues du transporteur Ccc2, soit ATP7A (protéine de Menkes) et ATP7B (protéine de Wilson) [2]. Des travaux ont montré que Atox1 interagit avec les transporteurs ATP7A et ATP7B.

La protéine de Menkes est exprimée dans tous les types cellulaires, sauf dans les hépatocytes. Elle assure l’apport en cuivre à l’appareil de Golgi où certains enzymes acquièrent leur cofacteur : la dopamine β-hydroxylase, la peptidylglycine-mono-oxygénase, la superoxyde dismutase extracellulaire, et la tyrosinase (Tableau I). Dans les fibroblastes et les cellules épithéliales polarisées de l’intestin, la protéine de Menkes se déplace de l’appareil de Golgi vers la membrane plasmique lorsque la concentration en cuivre augmente. Le cuivre est alors expulsé de la cellule et passe dans la circulation sanguine. Si la concentration en cuivre baisse, la protéine de Menkes regagne l’appareil de Golgi. Elle joue donc un rôle très important dans la mobilisation du cuivre chez l’homme. Chez les patients atteints du syndrome de Menkes, les symptômes cliniques observés sont une dégénérescence cérébrale, un développement osseux inadéquat, des anomalies cardio-vasculaires accompagnées de difficultés à maintenir la température corporelle [1]. L’injection intraveineuse de cuivre couplé à l’histidine permet d’atténuer ces symptômes mais n’empêche pas toutefois la dégénérescence des cellules nerveuses [2].

Pour sa part, la protéine de Wilson est exprimée la plupart du temps dans l’appareil de Golgi des hépatocytes où elle permet l’incorporation du cuivre à la céruloplasmine (Tableau I). Lorsque la concentration en cuivre augmente dans la cellule, la protéine de Wilson se dirige vers des compartiments vésiculaires situés en périphérie de la membrane plasmique. Ces compartiments vésiculaires pourraient s’associer au canal biliaire pour excréter le cuivre excédentaire via la bile. La maladie de Wilson est caractérisée par l’accumulation d’une quantité excessive de cuivre dans le foie, la protéine ATP7B mutante ne pouvant évacuer l’excès de cuivre. Il s’ensuit une nécrose du foie qui provoque la libération du cuivre dans le système sanguin ; le cuivre s’accumule alors dans divers organes notamment le cerveau et les reins. Les patients atteints de cette maladie souffrent de cirrhose et de troubles neurologiques et psychiatriques [1].