1 Adattamenti cellulari

Adattamenti cellulari

Introduzione

Tutti i nostri tessuti si trovano in uno stato stazionario normale. In altre parole, le cellule e i nostri tessuti soddisfano le richieste fisiologiche mantenendo uno stato di equilibrio detto omeostasi. L'omeostasi o stato stazionario normale è l'equilibrio che si mantiene tutti i giorni all'interno di una variazione fisiologica. Questo equilibrio viene alterato perché continuamente veniamo in contatto con fattori eziologici di vario tipo. Vengono messi in atto degli adattamenti, sia metabolici sia funzionali alle nostre strutture, quindi noi riusciamo a rispondere a stimoli esterni cambiando sia il metabolismo delle cellule, sia le strutture delle nostre cellule.

Cosa sono gli adattamenti?

Sono risposte funzionali e strutturali, reversibili, a stress fisiologici gravi e a determinati stimoli patologici che consentono alle cellule continuare ad espletare le proprie funzioni. La reversibilità delle risposte adattative vale entro dei limiti chiamati punti di irreversibilità; se questi limiti vengono superati, se le cellule vengono esposte ad agenti o stress nocivi, si innesca una serie di eventi definita danno cellulare e, se lo stimolo persiste o se è grave sin dall’inizio, la cellula va incontro a un danno irreversibile.

Quindi l'adattamento della prima parte è molto positivo, ma può sfociare in una patologia vera e propria, come nelle ipertrofie cardiache, dove ci sono grossi problemi dovuti al fatto che il cuore diventa ipertrofico. La risposta adattativa può tradursi in un aumento delle dimensioni della cellula (ipertrofia) e dell'attività funzionale, in un aumento del numero di cellule (iperplasia), in una riduzione della dimensione delle cellule (atrofia) o in un cambiamento del fenotipo cellulare (metaplasia).

Heat shock proteins (HSP)

Nella risposta adattativa vi sono proteine che ci proteggono dal danno chiamate HSP o proteine da stress. La cellula, quando è stimolata, comincia a produrre queste proteine e smette di produrre qualsiasi altra proteina; questa è una risposta che dura poco, massimo un giorno, altrimenti la cellula andrebbe incontro a problemi molto grossi.

Le HSP sono divise in proteine costitutive e indotte dal calore. Queste proteine non sono indotte solo dal calore, ma anche da:

• Fattori ambientali: shock termico, inibitori metabolismo energetico, chemioterapici, infezioni.
• Stati patologici: febbre, infiammazione, ipertrofia, ischemia, lesioni ossidanti, neoplasie.
• Fattori cellulari normali: ciclo divisione cellulare, fattori di crescita, sviluppo e differenziamento.

Quindi, stimolando una cellula, quasi sempre abbiamo una risposta di proteine HSP, che poi sono state chiamate proteine da stress. Questa è una risposta unitaria della cellula sottoposta a stimoli eterogenei. Essenzialmente, queste proteine vengono prodotte quando la cellula ha altre proteine danneggiate. All'interno della cellula non possiamo permettere di avere nessuna proteina alterata, perché le proteine alterate determinano poi la morte cellulare.

Normalmente, la proteina si auto-assembla, avvolgendosi nel modo giusto. Può succedere che qualche volta questo auto-assemblaggio non funzioni, e queste proteine da stress vanno ad aiutare le proteine che si sono mal ripiegate, perché noi non dobbiamo avere proteine ripiegate in modo sbagliato. Perciò sono state chiamate anche chaperon molecolari, perché accompagnano le proteine durante il folding, attuando l'auto-assemblaggio assistito. Una volta che si sono assemblate nella maniera giusta, si staccano dalla proteina.

Le proteine prima di uscire dal REL devono essere controllate, a questo livello c'è un controllo della qualità. Quando c'è uno stress che può essere:

• Ischemia
• Diabete
• Tumori
• Patologie da ROS

succede che queste proteine nel reticolo cambino conformazione e non riescano più a tornare a quella esatta. Sul ridicolo sono espressi i cosiddetti sensori di stress ai quali sono attaccate le GPR78 (sensibili all’ipoglicemia) e quando le proteine cominciano ad assumere una conformazione errata, abbandonano il reticolo e vanno ad attaccarsi alla proteina.

Se non riescono a riportarla alla giusta conformazione, tramite un canale espresso sul reticolo, la proteina viene convogliata e ricondotta nel citosol per essere ubiquitinata e portata al proteasoma. Inoltre, i sensori inviano un messaggio al DNA e inibiscono la sintesi di quelle proteine che risultano alterate. Secondo questi processi, se non si riesce a far funzionare la cellula, questi sensori:

• Fanno arrestare il ciclo cellulare
• Attivano le caspasi
• Mandano le cellule in apoptosi

Abbiamo detto che le proteine da stress possono essere costitutive (80%) oppure indotte (20%). Ma come si fa ad ottenere le proteine indotte? Quando ci sono agenti stressanti nella cellula, avviene una denaturazione delle proteine endocellulari che cambiano pertanto struttura. Alla cellula non va bene questo cambiamento di struttura perché la porterebbe a morte, e allora le proteine da stress costitutive vanno a fissarsi alle proteine denaturate. Quindi la proteina denaturata si attacca alla proteina da stress che è già presente nel citosol, in modo da impedire a questa proteina di aggregarsi e precipitare nella cellula. Naturalmente succede che si abbassa la concentrazione di proteine da stress.

Normalmente, queste HSP sono legate a un fattore di trascrizione HSF-1, che in condizioni normali è legato alle proteine da stress ed è quindi inattivo. Quando le proteine da stress si legano alle proteine denaturate, questo fattore, adesso libero, è in grado di trimerizzare e andare a livello del nucleo: trimerizza e va a fissarsi alle regioni consensus del promotore delle proteine da stress e induce la sintesi della proteina. Andiamo quindi incontro alla produzione delle proteine da stress indotte. Siamo arrivati dalle proteine costitutive alle proteine indotte che sono in grado di far fronte agli agenti stressanti. Naturalmente, questo dipende da quanto dura l'agente stressante. Una volta che la proteina denaturata è tornata funzionante, la concentrazione di HSP si innalza di nuovo nel citosol, in questo modo verrà inibito il fattore HSF-1 che non trimerizza più, in questo modo tutto viene ad essere regolato. Questo è un meccanismo a feedback, molto simile a quello ormonale.

Quanti sono le proteine da stress?

• HSP70/GPR78: Sono implicate nel folding e nella traslocazione delle proteine. Agiscono molto precocemente quando la proteina esce dal ribosoma, la accompagnano nel suo percorso in modo che si assembli nel modo giusto. Hanno una parte ATPasica più 200aa che riconoscono i residui idrofobici delle proteine andando quindi a riconoscere le malformazioni.
• HSP60/GroEL/GroES: Sono come una gabbia, agiscono su proteine che si sono formati male: riconoscono i gruppi idrofobici della proteina, la internalizzano e attraverso un meccanismo ATP dipendente si crea un ambiente idrofilico particolare che costringe questa proteina a riassumere la giusta conformazione. È un meccanismo che determina il recupero della proteina che passa da una forma non corretta a una forma corretta.
• HSP90: Aiuta la maturazione di una selezionata clientela di proteine come fattori di trascrizione, chinasi ecc. Questa proteina da stress è presente in alte concentrazioni nelle cellule neoplastiche dove può quindi dare dei problemi determinando il fenomeno della resistenza alla chemioterapia in quanto quest’ultima altererebbe le proteine delle cellule neoplastiche portandole all’apoptosi se non ci fosse l’HSP90 che interferisce con le P53 (fattore pro-apoptotico) causandone l’eliminazione. In questo caso dobbiamo, anziché attivare, inibire le proteine. L’accumulo di HSP90 si trova nei tumori della mammella, del rene, del polmone, nelle leucemie e negli osteosarcomi. Si utilizza un farmaco, un antibiotico chiamato geldanamicina che ha il compito di sopprimere parzialmente questa proteina, in combinazione ai chemioterapici e a radioterapia. Altro meccanismo utilizzato è quello degli inibitori del proteasoma (bortezomid), che andando ad inibire appunto il proteasoma, determinano l’aggregazione delle proteine e quindi la morte della cellula tumorale. Bloccando il proteasoma arresto il ciclo cellulare e faccio fare apoptosi alle cellule neoplastiche però faccio anche altro ovvero determino l’accumulo di proteine con la conformazione alterata perché il proteasoma non funziona più e quindi le proteine alterate non vi possono entrare. Ciò attiva l’HSF e naturalmente si innalzano le HSP e non è quello che vogliamo perché altrimenti si genera la resistenza. Per risolvere questo inconveniente sono stati creati degli inibitori per i fattori di trascrizioni delle HSP di vari tipi. A questo punto grazie agli inibitori del proteasoma, ai chemioterapici e agli inibitori dei fattori di trascrizione delle HSP la cellula finalmente dovrebbe morire.
• SmallHSP: Stabilizzano proteine denaturate in modo che non si aggreghino. Vengono chiamate anche cristalline perché hanno un dominio di circa 70 – 80 aa e la loro funzione non è tanto di ripiegare le proteine ma è quella di stabilizzarle e impedire che queste proteine si aggreghino in qualche modo.
• HSP100: Sono delle unfoldasi ATP-dipendenti, disaggrega quindi le proteine che si sono messe nella posizione sbagliata (funzione antiaggregante).

Le alterazioni di queste proteine portano quelle che si chiamano chaperonopatie. Per quanto riguarda le patologie determinate da alterazioni delle SmallHSP abbiamo la cataratta che deriva dall’alterazione di un’α cristallina, a quale va a costituire insieme ad altre proteine il cristallino stesso, una soluzione di proteine, l’α cristallina fa da chaperon e fa sì che non si abbiano aggregazioni. Infatti se le proteine si aggregano nel cristallino si ha una visione alterata e quindi cataratta: il cristallino vieni cambiato con un’ altra lente perché la nostra non è più trasparente. Altra patologia è la miopatia desmina dipendente in cui la desmina, che è una proteina che fa parte dei filamenti intermedi del muscolo, non si mette nella posizione corretta e forma aggregati perché l’α cristallina che dovrebbe fare da chaperon alla desmina è carente o mutata.

Cosa succede se il meccanismo dell’accompagnamento e del ripristino della configurazione falliscono?

C’è un altro meccanismo importante che consiste nella segnalazione della proteina che deve sparire dall’ambiente cellulare sia a livello reticolare sia a livello del citosol e questo lo fa con un sistema di un'altra proteina ubiquitaria: l’ubiquitina, la quale va a legarsi alle proteine che sono in qualche modo alterate. Questa ubiquitina fa da segnale, da bandierina, dicendo alla cellula che quella proteina deve essere degradata. Il sistema è molto complesso: ci sono tre enzimi, E1, E2, E3, che attaccano l’ubiquitina alla proteina alterata. E1 è l’enzima attivante che lega l’ubiquitina con un legame tioestere; E1, successivamente passa l’ubiquitina a E2, il quale collegarsi a E3, detto anche ubiquitina ligasi. E3, a sua volta, può riconoscere e legare la proteina alterata e al momento in cui si incontra con il complesso E2-ubiquitina, lega l’ubiquitina stessa alla proteina denaturata. Questo meccanismo si ripete, perché il segnale è formato da una catena di poli-ubiquitina attaccata alla estremità C-terminale della proteina.

Tramite la catena di poli-ubiquitina, la subunità 19S del proteasoma, può riconoscere la proteina da degradare ed apre a questa il passaggio all’interno della subunità 20S, costituita da un cilindro formato da quattro anelli, che rappresenta il tubo digerente del proteasoma; la proteina è degradata in piccoli peptidi che diventeranno poi singoli aminoacidi, grazie ad enzimi citosolici. Molto importante è anche l’enzima che va poi a togliere l’ubiquitina e che consente la sua riutilizzazione.

Ricapitolando, l’ubiquitina induce una modificazione post-trascrizionale sulle proteine errate indirizzandole verso il proteasoma. Avvenuta la proteolisi si apre l’altra subunità 19S sottostante e permette la fuoriuscita di peptidi che potranno ancora essere degradati. Questi peptidi degradati possono essere presentati come antigeni, quindi per il sistema immunitario, per questo si parla di immunoproteasoma.

[Il proteasoma è un complesso proteico efficientissimo in grado di degradare in piccoli peptidi:

• Proteine difettose (neosintetizzate, errori sintesi e ripiegamento, invecchiate)
• Proteine regolatorie (IkB, cicline, chinasi, fosfatasi, proteina E6-P53, P53p)
• Proteine a vita breve (varie proteine di membrana o aggregati proteici)]

Quali sono le funzioni di queste proteine?

Le HSP hanno azione protettiva sulla proteina nascente, riparano eventuali alterazioni della proteina, se la proteina non si ripara la inviano al proteasoma.

• Funzione protettiva: Aiuta la proteina stessa man mano che esce dai ribosomi ad assemblarsi nella conformazione giusta e quindi segue la sintesi della proteina appena esce dal ribosoma facendo sì che questa proteina man mano diventi matura.
• Funzione riparativa: Riescono a riavvolgere la proteina nella giusta conformazione una volta che questa proteina è venuta in contatto con agenti eziologici diversi, la ripiegano, la rimettono nella tasca e la riparano. Questa è una funzione importantissima perché le proteine non si devono aggregare all’interno delle nostre cellule perché l’aggregazione casa la morte cellulare.
• Funzione degradativa: Laddove non si può riparare, si degrada la proteina e i vari aminoacidi si riutilizzano per derivare funzioni cellulari.

Perché una proteina può essere alterata?

Perché abbiamo una mutazione o perché questa proteina non si ripiega in modo normale. In tutti questi casi si aggregherebbe, ovvero quando non funzionano questi meccanismi che abbiamo descritto, si possono avere delle malattie associate a inclusioni proteiche all’interno della nostra cellula.

Meccanismi di danno da proteine con difetti di ripiegamento:

• Deposizione intracellulare di proteine tossiche, corpi di Lewi che si trova nel Parkinson, corpi di Mallory, che sono delle inclusioni presenti nella steatosi da alcolismo (si ha un deassemblaggio del citoscheletro e quindi l’epatocita non è più in grado di mantenere la struttura delle proteine e dà tutti questi corpi), corpi di Huntingtina nella corea di Huntington.
• Ritenzione di proteine secretorie (α-1 antitripsina, è un inibitore delle proteasi, ha la capacità di inibire un gran numero di proteasi. Viene prodotta dal fegato e dalle cellule epiteliali respiratorie e successivamente immessa nel circolo sanguigno.