4. Recettori con attività enzimatica e vie di segnalazione

Recettori ad attività enzimatica

Sono recettori che hanno o uno dei domini con attività enzimatica o sono strettamente collegati a proteine con attività enzimatica. Si distinguono in 5 categorie:

• Recettori con attività tirosin-chinasica intrinseca o associati a tirosin-chinasi citoplasmatiche
• Molecole recettori-like ad attività tirosinfosfatasica
• Recettori con attività serina/treonina kinasica
• Recettori con attività guanilico ciclasi
• Recettori associati ad attività istidina chinasi

Recettori con attività tirosin-kinasica intrinseca

Si tratta di recettori con una singola catena transmembrana (eccetto che per l'insulina), in cui si possono individuare una serie di domini funzionali: il dominio extracellulare (1), che è sempre presente ed è responsabile dell'interazione con il segnale, quindi è variabile, in genere si tratta di piccoli moduli ripetuti in modi diversi nei diversi recettori, vi è poi un dominio transmembrana (2), che ancora il recettore alla membrana appunto, un piccolo dominio sotto la membrana che prende il nome di iuxta-membrana (3), un dominio catalitico (4) simile in tutti i recettori, infine un dominio C-terminale (5). La classificazione si basa sulla diversità del dominio extracellulare, distinguendo così 15 famiglie.

La maggior parte dei segnali appartengono a 3 categorie funzionali: mitogeni, fattori di crescita e di sopravvivenza. Le molecole di adesione sono in grado di trasmettere segnali nella cellula, alterando una certa funzione cellulare. Tra gli ormoni per il controllo del metabolismo c'è l'insulina. Un mitogeno è una molecola che istruisce una cellula a proliferare. In linea di massima l'attività proliferativa è avviata da un segnale esterno, ma capita che una cellula decida autonomamente di iniziare la proliferazione, determinando così lo sviluppo di un tumore, che infatti nei primi stadi è caratterizzato da cellule che acquisiscono autonomamente la capacità proliferativa.

Durante il processo di divisione cellulare sono presenti una serie di momenti specifici in cui intervenendo dall'esterno è possibile bloccare l'errata divisione cellulare; questo interessa per esempio lo stadio di G0, in cui la cellula che è in uno stadio quiescente, riprende a dividersi a seguito dell'arrivo di segnali che prendono il nome di fattori di competenza; vi è poi un controllo che avviene tra la fase G1 e S, in cui la cellula può bloccarsi finché non intervengono fattori di progressione. Non sempre però si può bloccare un meccanismo, perché vi sono anche processi che una volta avviati, vengono portati a termine.

Un'altra funzione cellulare è il differenziamento, in cui le cellule acquisiscono una specializzazione sia a livello funzionale (dotandosi di uno specifico corredo proteico), sia a livello morfologico, permettendo così di costituire un tessuto. Questo processo inizia in una cellula staminale (con elevata capacità proliferativa, priva di una specifica funzione), procede attraverso diversi predecessori (di numero definito, con ancora attività proliferativa, ma che già esprimono un certo corredo proteico) e si completa in una cellula matura e differenziata, non più in grado di dividersi, nemmeno in presenza di mitogeni.

La sopravvivenza è poi un'altra funzione fondamentale per una cellula, che deve essere istruita a sopravvivere, presentando così intrinsecamente dei programmi molecolari (ovvero un set di geni e proteine) che se attivati determinano la degradazione della cellula stessa, affinché non danneggi cellule circostanti; uno dei programmi più famosi è l'apoptosi. Deve sempre esserci un segnale, chiamato fattore di sopravvivenza, che tenga spenti questi programmi. Infine quando la cellula deve proliferare e crescere viene istruita da fattori di crescita.

Siccome le funzioni cellulari sono tra loro interconnesse, spesso i segnali agiscono in modo pleiotropico regolando cioè più di un processo cellulare, indebolendo per esempio un programma cellulare opposto a quello di interesse principale. Nel sistema ematopoietico e in quello immunitario, le molecole che svolgono queste funzioni sono le citochine.

I segnali (mitogeni, fattori di crescita e di sopravvivenza) che agiscono su questi recettori sono:

• EGF (epidermal growth factor) e neureguline: il nome deriva dalla prima scoperta effettuata.
• Vi sono recettori che presentano domini extracellulari simili a quelli delle Ig, che vengono ripetuti più o meno volte a seconda delle famiglie, come nei recettori per PDGF e FGF.
• Simili domini sono anche presenti in segnali che funzionano da fattori trofici, che favoriscono l'accrescimento e il benessere delle cellule differenziate, come nei recettori per i ligandi NGF e i BDNF (molecola secreta nella long terminal potentiation), che sono importanti nel sistema nervoso, e prendono il nome di neurotrofine.
• GNDF: i cui recettori presentano un'omologia con le caderine.

Tra i fattori che regolano l'adesione e la repulsione delle cellule, controllandone quindi la migrazione, vi sono le efrine (Eph), importanti molecole transmembrana che facilitano l'adesione e inducono la cellula in una direzione contraria dove c'è repulsione. I neuroni sono per esempio guidati dalle efrine nel momento in cui devono allungare l'assone. Questi segnali sono bidirezionali in quanto attivano una cascata di trasduzione sia nella cellula bersaglio, sia nella cellula segnalante.

Infine tra i segnali che controllano il metabolismo, sfruttando recettori tirosin-kinasici, c'è l'insulina; il recettore rappresenta una piccola eccezione in quanto è un tetramero, costituito da 4 catene con 2 domini transmembrana, connesse da un legame covalente (è l'unico a non essere a singola catena). Il dominio transmembrana è costituito da 24 aa idrofobici e non svolge esclusivamente un ruolo strutturale; si è infatti osservato che mutazioni a carico di questo dominio determinano un'attività tirosin-kinasica aberrante, in particolare per il recettore ErbB2, che costituisce quindi un target tumorale.

Il dominio iuxta-membrana è conservato in una stessa sottofamiglia di recettori e presenta siti di modulazione del segnale. Il dominio catalitico, o dominio tirosin-kiansico, è frapposto a sequenze regolatorie e ha la capacità di trasferire un gruppo fosfato sulla tirosina a livello della molecola bersaglio in una specifica sequenza consensus. La trasduzione del segnale avviene a seguito di una dimerizzazione dei recettori, permessa proprio dal legame del segnale; per esempio il segnale PDGF è un dimero, che presenta 2 siti di legame per il recettore, i quali quindi devono avvicinarsi per avviare la trasduzione del segnale; similmente avviene per EGF.

Per quanto riguarda il segnale monomerico FGF, questo presenta siti di legame multipli per proteine transmembrana particolari: i proteoglicani (giganti proteine altamente glicosilate); FGF si lega al proteoglicano eparano solfato (il quale presenta una porzione proteica che lo ancora alla membrana) attraverso siti di legame presenti su catene di glicosamminoglicani (GAG), che sporgono nel lato intracellulare. In questo modo il segnale è presentato affiancato ai recettori sulla membrana, che sono quindi vicini. È fondamentale in questo caso per l'attivazione del recettore la presenza di proteine che aiutino il segnale a essere presentato nella maniera corretta.

Anche le efrine devono aggregarsi sulla membrana della cellula segnalante, affinché avvenga la trasduzione del segnale nella cellula bersaglio. Il legame dell'insulina al recettore, essendo già dimerizzato, permette invece l'avvicinamento delle code citoplasmatiche, che attivano il secondo step della catena cellulare, la transautofosforilazione, in modo che i due recettori si fosforilino vicendevolmente a livello delle tirosine; l'attività fosforilasica avviene in due siti e in due momenti distinti, con un significato funzionale differente: a livello del dominio catalitico si ha un potenziamento dell'attività catalitica stessa, mentre su una regione esterna al dominio catalitico si crea un sito di riconoscimento sulla coda terminale per proteine a valle della cascata di trasduzione; in questo caso le proteine bersaglio presentano piccoli domini funzionali distinti in:

• PTB: dominio che lega la fosfotirosina
• SH2: identificato la prima volta su Src2, quindi su altre proteine, presenta 2 tasche: una piccola tasca sempre conservata che riconosce la fosfotirosina (tirosina fosforilata) e una seconda tasca che invece si lega a 2°-3° aa successivo alla fosfotirosina (non conservato, sempre diverso); questo garantisce la diversità dei domini SH2, che riconoscono ovviamente aa diversi.

Le vie attivate dalle proteine bersaglio si distinguono in:

• Fosfolipasi C: ricadono quindi nella via di trasduzione di DAG, IP³ e CaM kinasi.
• RAS, con le MAP kinasi (Mitogens activated proteins)
• Fosfoinositide 3 kinasi
• RhoA

La via delle MAP chinasi è estremamente controllata perché determina l'attivazione della proliferazione cellulare, quindi un segnale errato può causare gravi danni; un elemento centrale di questa via è la G-proteina monomerica RAS che lega il GDP e il GTP (idrolizzandolo) come le eterotrimeriche, ma differisce nel meccanismo di attivazione.

La RAS superfamily di G-proteine monomeriche comprende diverse proteine, tra cui RAS, la più importante, che presenta numerose isoforme coinvolte nell'attività di proliferazione e accrescimento cellulare, le proteine Rho, distinte in Rho, Rac e Cdc42, coinvolte nel cambiamento di forma del citoscheletro, che permette la migrazione cellulare, infine un'altra serie di proteine coinvolte nella migrazione di vescicole. Tutte le proteine RAS necessitano di specifici fattori di scambio del nucleotide guanilico (GEF) per essere attivate, che vengono a loro volta attivati da altri segnali.