Recettori di Membrana e Comunicazione Intercellulare

Le cellule animali contengono un elaborato sistema di proteine che le rendono capaci di rispondere ai segnali provenienti da altre cellule, attraverso molecole segnale che possono essere proteine, peptidi o singoli amminoacidi, nucleotidi, steroidi, retinoidi (composti derivati della vitamina A), vitamina D, eicosanoidi e gas disciolti.

La cellula bersaglio risponde per mezzo di specifiche proteine, il legame della molecola segnale a recettori di membrana o recettori intracellulari innesca infatti una cascata di segnalazione, attraverso la quale il segnale viene trasportato (trasdotto) attraverso il citoplasma fino al nucleo, dove causa l’attivazione di specifici geni e quindi la sintesi di specifiche proteine che in ultima analisi sono responsabili dell’effetto biologico della molecola segnale su quella specifica cellula. Questi segnali possono essere di proliferazione, di differenziamento o di apoptosi per la cellula stessa.

Alla trasduzione del segnale dal citoplasma al nucleo prendono parte numerose proteine (tra cui le cinasi (serin-treonin-cinasi e tirosin-cinasi), fosfatasi, proteine leganti il GTP, proteine adattatrici, fattori trascrizionali), alcuni lipidi (tra cui gli inositolo fosfolipidi) e altre molecole chiamate secondi messaggeri (ad esempio Ca2+ o cAMP).

Il signaling tra due cellule può essere paracrino, vengono cioè prodotte delle molecole segnale dalla cellula che agiscono nello spazio adiacente su cellule bersaglio, come fanno ad esempio i fattori di crescita prodotti a livello dei tessuti, ad esempio nel midollo osseo abbiamo le cellule segnalatrici che vanno a regolare la funzione delle cellule staminali emopoietiche. Il signaling sinaptico è quello che avviene tra le cellule nervose mentre il signaling endocrino prevede che la molecola segnalatrice debba agire anche a notevole distanza dal suo luogo d’origine, viaggia infatti attraverso il circolo ematico. Un’altra modalità di signalling è quella autocrina, in cui la stessa cellula bersaglio è anche quella che produce i fattori di crescita per sé stessa. In questo modo crescono le cellule tumorali, sono infatti indipendenti dai fattori di crescita degli altri tessuti e possono proliferare indipendentemente dalle condizioni del soggetto.

 

I recettori

Esistono tre tipi di recettori di membrana per una cellula: esistono recettori legati a canali ionici, in cui l’apertura del canale è legata alla presenza nelle vicinanze di particolari ioni che passano per gradiente da fuori a dentro la cellula, poi esistono recettori legati a proteine G (chiamate così perchè legano il GTP) e recettori legati ad enzimi. Questi enzimi sono di vario tipo, ma per la maggior parte sono cinasi, che una volta attivate vanno a fosforilare numerose possibili proteine cellulari, regolandone l’attività.

 

I recettori legati a proteine G (seven pass transmembrane protein, ha sette domini interni alla membrana plasmatica) sono la più grande famiglia dei recettori di superficie cellulare. Le proteine G possono essere attive o inattive se legate a GTP o GDP. Queste proteine sono per la maggior parte trimeriche, la subunità α nella forma attiva della proteina lega e idrolizza ATP, attivando l’adenilato ciclasi, mentre le altre due subunità legano solamente la struttura proteica alla membrana. Avvenuto il legame tra il recettore e la molecola recettoriale, la proteina G si va a legare al sito venuto disponibile a livello del complesso ligando-recettore, che comporta la sostituzione del GDP in GTP nella proteina G.

La porzione α della proteina viene così attivata, trasferendosi verso l’adenilato ciclasi, un enzima a ridosso della membrana plasmatica che se attivata produce numerose molecole di cAMP a partire da ATP. Una volta dissociata la porzione α dalla zona recettoriale dell’adenilato ciclasi si ritorna alla situazione originale, che è data dall’idrolisi del GTP legato alla porzione α, inoltre il ligando si è dissociato dal recettore di membrana. Le molecole di cAMP a loro volta attivano la PKA, proteina formata da due subunità regolatorie e due sunbunità catalitiche. Il legame con due molecole di cAMP ciascuna dissocia le subunità regolatrici dalle subunità cataliche, attivando di fatto le due PKA, che sono in grado di catalizzare il trasferimento di un fosfato dall’ATP a specifiche serine o treonine di specifiche proteine regolandone l’attività, ad esempio nella glicogenolisi attiva fosforilandola la fosforilasi-cinasi che a sua volta sempre a spese di ATP attiva la glicogeno-fosforilasi che mobilizza dal glicogeno il glucosio-6-fosfato, che sarà poi destinato ai suoi destini metabolici.

Alla famiglia delle proteine G appartengono anche le proteine Gq, le quali hanno sempre una subunità α che lega ATP nella sua forma attiva e può idrolizzarlo, andando ad attivare la fosfolipasi C-β, un enzima che è in grado di scindere un fosfolipide di membrana, il PIP2 (fosfatidilinositolo-4,5-bifosfato) in due prodotti fosfolipidici, l’inositolo trisfosfato (IP3) ed il diacilglicerolo (DAG), che fungono entrambi da secondi messaggeri. Il DAG resta nella membrana plasmatica dove, combinandosi con gli ioni calcio, attiva una cinasi che fosforila una gran quantità di proteine bersaglio. L’IP3 si lega invece ai canali del calcio presenti nel reticolo endoplasmatico, determinando la loro apertura ed il rilascio di ioni calcio nel citosol.

 

L’IP3 è una piccola molecola idrosolubile che lascia la membrana plasmatica e rapidamente diffonde attraverso il citosol, legandosi a specifici canali di rilascio del calcio sulla membrana del reticolo sarcoplasmatico, causando il rilascio di calcio dall’organello quando deve essere inviato un segnale. Il calcio rilasciato si lega agli stessi canali del reticolo promuovendo il rilascio di altro calcio per feed-back positivo. Perchè possa essere un tipo di segnalatore di messaggi lo ione calcio deve però essere mantenuto nella cellula a concentrazioni bassisime, è infatti pompato fuori dalla cellula attraverso pompe ATPasiche e legato nel reticolo da particolari proteine quali possono essere le calmoduline. L’inattivazione dell’IP3 avviene per la sua defosforilazione e per l’attività delle pompe per il calcio che ne diminuiscono la concentrazione citoplasmatica.

 

Il DAG attiva una serina-treonina cinasi (chiamata anche proteina cinasi C) che fosforila specifiche proteine bersaglio, quando invece deve essere rimosso per l’inattivazione del segnale può essere idrolizzato ad acido arachidonico che funge da secondo messaggero o come precursore degli eicosanoidi.

 

I recettori legati ad enzimi sono proteine transmembrana con un dominio intracitoplasmatico catalitico, e si dividono in 5 classi: la prima classe appartiene ai recettori guanilato-ciclasi, la seconda classe ai recettori tirosin-cinasici, la terza classe ai recettori associati a tirosin-cinasi , la quarta classe ai recettori tirosin-fosfatasici e la quinta classe ai recettori serin-treonin-cinasici.

 

La seconda classe di recettori, quella dei tirosin-cinasici, si suddividono in 6 sottofamiglie: PDGF R, MCSF R, Kit (tutti e 3 appartenenti alla prima famiglia), FGF R, HGF R, Insulin R, NGF R e VEGF R. Questi sono i recettori di molti fattori di crescita, che quando vanno a formare il legame con il ligando, subiscono una dimerizzazione e la transfosforilazione dei domini intracitoplasmatici su residui specifici di tirosina. La fosforilazione del recettore permette l’associazione di proteine adattatrici, in particolare le fosfotirosine sul dominio intracitoplasmatico del recettore sono dei siti di legame ad alta affinità per le proteine citoplasmatiche che contengono un dominio SH2, una porzione di una proteina che riconosce e lega una fosfotirosina. Le proteine con il dominio SH2 che si legano alla fosfotirosina del recettore vengono a loro volta fosforilate sulle tirosine, in modo che queste proteine, dette adattatrici, possano avere degli altri domini d’interazione, come i domini SH3, che ne permettono il legame con altre proteine segnale, in particolare un dominio SH3 è in grado di legare un dominio ricco in prolina. Attraverso queste interazioni viene attivata una proteina detta Ras, una proteina G-monomerica che viene attivata tramite il legame con il GTP, che gli viene donato da una GNRP (Guanine Nucleotide Releasing Protein, ad esempio SOS) che gli sostituisce il GDP con GTP.

In questo particolare processo il legame del ligando provoca la fosforilazione del recettore nel suo dominio catalitico, a livello dell’amminoacido tirosina. La tirosina fosforilata a questo livello viene legata da una proteina adattatrice detta Grb2 mediante il suo dominio SH2. A sua volta Grb2, mediante i suoi due domini SH3, interagisce con i domini ricchi in prolina di SOS, una proteina che attiva RAS scambiando con essa GTP. In seguito la proteina RAS attivata causa una cascata di fosforilazioni attivanti a partire dalla MAPKKK fino ad arrivare all’attivazione delle MAPK, che a loro volta andranno ad attivare, fosforilandoli, fattori trascrizionali come “fos” e “jun” che dimerizzano e si legano al DNA regolando la trascrizione dei geni di proliferazione della cellula.

I recettori legati agli enzimi di terza classe sono recettori associati a tirosin-cinasi: essi riguardano recettori di quasi tutti i fattori di crescita emopoietici, ad esempio le citochine (tra cui le interleuchine), mancano però questi enzimi di un dominio catalitico, l’attività tirosin-cinasica viene infatti esercitata da tirosin-cinasi associate al loro domino intracitoplasmatico (ad esempio la JAK). Vediamo come avviene la trasduzione del segnale via Jak/STAT: il legame del ligando provoca la dimerizzazione del recettore e l’attivazione delle due JAK che attivate vanno a fosforilare una tirosina nel dominio intracitoplasmatico del recettore, la tirosina fosforilata a questo livello viene legata da una proteina della famiglia STAT mediante il suo dominio SH2 (la rientranza nell’immagine), lo STAT legato viene fosforilato e dimerizza con un’altra molecola di STAT, formando un fattore trascrizionale attivo, che trasloca nel nucleo e regola la trascrizione dei geni di risposta primaria alle citochine.

 

Per quanto riguarda i recettori intracellulari, essi sono in grado di legare piccole molecole ed idrofobiche, come gli ormoni steroidei, quali molecole come l’estradiolo, il cortisolo, il testosterone, la tiroxina, ma anche ormoni tiroidei, la vitamina D e la vitamina A. Si parla di queste molecole come di ormoni nucleari. I recettori di queste molecole fanno parte di una grande famiglia dove hanno dei tratti in comune, come un domino di legame al DNA (sinonimo del fatto che funzionano da fattori trascrizionali), una regione di lunghezza variabile ed una regione di legame per l’ormone. Abbiamo detto che i recettori nucleari sono fattori trascrizionali che si legano a specifiche sequenze di risposta sul DNA, ma vediamo come avviene tutto ciò: nel citoplasma si forma il complesso ligando-recettore, questo complesso migra poi nel nucleo dove va a legarsi a specifiche sequenze di risposta sul DNA, chiamate RE (Responsive Element), come ad esempio la VDRE, la Vitamin D Response Element.

Il legame del complesso provoca infine l’attivazione della trascrizione di specifici geni. La regolazione trascrizionale da parte di vitamine D receptor avviene in processi molto importanti in quanto la vitamina D ha un importante funzione nell’ossificazione e nei processi di differenziamento emopoietico. Essa deve modificare l’espressione genica nella cellula, ad esempio per far differenziare la cellula in un osteoblasto. Questa vitamina D inizialmente passa dalla membrana plasmatica, si complessa con il recettore citoplasmatico, poi il complesso ormone-recettore migra nel nucleo, in quanto il recettore ha un sito di “binding” per il DNA, interagisce così con un altro recettore nucleare, dimerizza con una molecola particolare di RXR e si va a legare sulle VDRE, sui geni a risposta primaria legati alla presenza della vitamina D, ad esempio sul promotore del gene dell’osteocalcina o dell’osteopontina, provocando la trascrizione e l’espressione di questi geni.