5. Recettori intracellulari, giunzioni cellulari, migrazione cellulare, ciclo cellulare, apoptosi e necrosi

Recettori intracellulari

Sono recettori che sfruttano come ligandi gli ormoni secreti nel sangue dal sistema endocrino; gli ormoni sono sostanze idrofobiche, che attraversano in autonomia la membrana cellulare e vengono secreti nel sangue, dove vengono poi trasportati da specifiche proteine carriers. Gli ormoni presentano un'elevata specificità di riconoscimento per il proprio recettore, tanto è vero che raggiungono la cellula bersaglio fortemente diluiti.

Gli effetti causati dagli ormoni sono principalmente la trascrizione genica, la quale prevede due ondate: i primi segnali attivano la trascrizione di geni che producono una primary/early response, ovvero trascrivono per fattori di trascrizione che legandosi poi ai geni producono invece una seconda ondata di proteine, le secondary response, più ritardata. Gli effetti mediati dagli ormoni sono evidenti con un certo ritardo, anche di giorni rispetto a quando l'ormone viene secreto e sono più persistenti; questo è anche in relazione al fatto che gli ormoni hanno un'emivita più lunga, quindi possono rimanere nel sangue per giorni, perdurando la loro azione.

Ligandi dei recettori intracellulari

I ligandi dei recettori intracellulari appartengono a diverse categorie:

• Ormoni steroidei: tra questi i glucocorticoidi (cortisolo) e i mineralcorticoidi (aldosterone) sono importanti ormoni che regolano il metabolismo e lo stato di allerta del nostro organismo; inoltre ci sono tutti gli ormoni sessuali.
• Ormoni tiroidei
• Acido retinoico o vitamina A
• Vitamina D
• Acidi grassi
• Sconosciuti: sono recettori i cui ligandi sono ignoti, si tratta di recettori orfani.

La produzione di ormoni steroidei/tiroidei, che sfruttano poi recettori intracellulari, è permessa da ghiandole che vengono stimolate invece attraverso ormoni peptidici ipofisari, attraverso recettori a G-proteine.

Glucocorticoidi e mineralcorticoidi

I glucocorticoidi sono secreti dalla ghiandola surrenale a seguito dello stimolo dato dall'ormone ipofisario ACTH, il quale a sua volta è regolato dalla secrezione di CRF dall'ipotalamo. I glucocorticoidi svolgono una serie di azioni mirate ad aumentare la disponibilità di molecole energetiche nel sangue e hanno effetti anti-infiammatori, risultando così molto utilizzati. Si occupano per esempio di stimolare la liberazione di amminoacidi da parte dei muscoli, e ottenere energia sia dagli acidi grassi sia dal fegato. Sono caratterizzati da un feedback negativo tale per cui inibiscono la liberazione di neurormoni e ormoni importanti per la loro trascrizione. Si parla di feedback negativo perché spengono il segnale, diminuendo cioè la secrezione di CRF.

I mineralcorticoidi (aldosterone) invece sono importanti per regolare l'equilibrio nel corretto assorbimento di liquidi da parte del corpo; agiscono soprattutto a livello renale, controllando la quantità di liquidi assorbiti e quelli secreti. Inducendo un riassorbimento di sodio, si stimola contemporaneamente anche quello di liquidi, che nel complesso determina un aumento della volemia (influenza la pressione), e influenza l'eccitabilità delle cellule cardiache e muscolari. La secrezione di aldosterone è indotta dallo stress, da una pressione renale, ma anche da una concentrazione di sodio e potassio, che stimola direttamente la corticale del surrene.

Ormoni sessuali

Gli ormoni sessuali, sia maschili sia femminili, regolano lo sviluppo e il funzionamento degli organi sessuali e i tratti secondari. Gli androgeni sono gli ormoni sessuali maschili, secreti da testicoli e corticale del surrene; sono quindi presenti anche a basse concentrazioni nelle donne e a seguito di tumori a livello del surrene si osserva lo sviluppo di tratti secondari maschili, in quanto la secrezione viene alterata ed è eccessiva. Il rilascio viene controllato da GnRH e LH.

Gli estrogeni e progestinici sono invece gli ormoni sessuali delle donne; la loro secrezione è regolata dal rilascio di gonadotropine da parte dell'ipotalamo e dal rilascio di RH e FSH a livello di ipofisi; questi segnali si alternano per stimolare correttamente utero e ovaio.

Ormoni tiroidei

Gli ormoni tiroidei controllano l'attività metabolica delle cellule; i loro effetti sono evidenti in condizioni patologiche di ipertiroidismo (ipersecrezione di questi ormoni) e ipotiroidismo (funzionamento scorretto della tiroide); si tratta di patologie complesse, le cui cause possono essere autoimmuni ma non solo. Una persona ipertiroidea è estremamente magra e nervosa e ha una mente molto attiva, in quanto gli ormoni tiroidei hanno la capacità di attivare il metabolismo energetico. Al contrario una persona ipotiroidea è tendenzialmente grassa, con una mente sonnacchiosa.

TRH e TSH sono gli ormoni che rilasciano tiroxina; il TRH è uno dei primi ormoni la cui concentrazione si altera in presenza di un problema tiroideo, per questo motivo se ne misura la concentrazione negli esami del sangue.

Vitamina D e acido retinoico

La vitamina D aiuta la deposizione di calcio nelle ossa, permettendo a queste di essere robuste; è un importante ormone per le donne, che sono soggette a osteoporosi a seguito della meno pausa. La sua concentrazione deve essere tenuta sotto controllo, anche perché in Lombardia si è poco esposti al sole. La vitamina D viene prodotta a livello della pelle proprio per l'irraggiamento dei raggi solari.

L'acido retinoico o vitamina A è importante nello sviluppo perché controlla il differenziamento cellulare. Nelle donne in gravidanza è sconsigliato l'uso di creme antirughe contenenti acido retinoico, in quanto potrebbe alterare i processi di sviluppo del feto.

Classi e meccanismi dei recettori intracellulari

I recettori intracellulari che sostengono l'attività di questi ormoni appartengono a 3 classi principalmente; nell'uomo si distinguono circa 48 tipologie in base alla sequenza.

• La classe I contiene i recettori TR (per gli ormoni tiroidei), i RAR (retinoic acid receptor), i VDR (per la vitamina D) e i PPAR (per gli acidi grassi); si tratta di recettori molto importanti in alcune cellule perché vanno a potenziare l'attività dei perossisomi.
• La classe II presenta altri recettori per l'acido retinoico, gli RxR, che si associano ai RAR.
• Infine nella classe III sono presenti recettori per gli ormoni steroidei.

Questi recettori possono agire attraverso due possibili meccanismi:

1. Meccanismo di azione per estrogeni: è il più noto; i recettori sono posizionati a livello citoplasmatico, complessati a particolari proteine (HSP), che li mantengono in uno stato inattivo. Gli ormoni, essendo idrofobici, attraversano la membrana e legandosi al recettore formano dimeri. In questo modo attraverso pori specifici e sequenze segnale passano nel nucleo e interagiscono con particolari sequenze di DNA: le HRE (Hormone Responsive Elements). Le HRE sono sequenze palindromiche complementari frapposte a una sequenza variabile, di nucleotidi spaziatori. La particolare struttura è connessa al fatto che il dimero recettoriale che si lega alle sequenze è un omodimero, capace quindi di riconoscere la medesima sequenza.
2. Meccanismo di azione per gli ormoni tiroidei, per la vitamina D e per l'acido retinoico: il meccanismo è differente in quanto sono recettori nucleari, direttamente connessi al DNA. Quando la cellula non è stimolata, il dimero recettoriale si trova sul DNA legato a corepressori, in modo tale che la trascrizione genica sia bloccata; all'arrivo del segnale, l'ormone stesso è in grado di legarsi al sito in cui è presente il corepressore, scalzandolo, permettendo così il legame del coattivatore al recettore, che attiva quindi la trascrizione genica. In questo secondo meccanismo i recettori sono spesso eterodimeri, costituiti solitamente da un RxR associato a un altro recettore. Per questo motivo solitamente le sequenze HRE non sono palindromiche, ma ripetute, con nucleotidi spaziatori interposti. (Talvolta però sono sequenze palindromiche).

I fattori di trascrizione possono modificare lo stato di acetilazione degli istoni legandosi a complessi proteici di coattivatori; in questo modo l'accesso del complesso trascrizionale viene facilitato. In alternativa i fattori di trascrizione legandosi a inibitori favoriscono il meccanismo contrario.

La struttura dei recettori intracellulari presenta spesso dei domini conservati, tali per cui il meccanismo di azione ha molti punti di contatto. Tra i più studiati ci sono i recettori per i glucocorticoidi, che hanno una struttura base adattabile agli altri. Si riconoscono 5 grossi domini funzionali:

• Regione A/B: è la porzione più variabile nelle diverse famiglie di recettori, legata all'estremità N-terminale.
• Regione C: è abbastanza conservata;
• Regione D: è necessaria a livello strutturale perché garantisce il ripiegamento della proteina, fondamentale per il corretto svolgimento delle sue funzioni.
• Regione E: contiene diversi domini funzionali, come LBD dove si lega il ligando, e NLS che rappresenta la sequenza di riconoscimento nucleare, si occupa del trasporto del dimero recettoriale nel nucleo.
• Regione F: posizionata all'estremità C-terminale.

Le regioni AF-1 e AF-2 aiutano il recettore a interagire con i coattivatori/corepressori; la AF-1 (all'estremità N-terminale) è spesso libera di interagire anche in assenza dell'ormone, ha quindi una funzionalità ormone indipendente, mentre la AF-2 (all'estremità C-terminale) viene esposta solo nel momento in cui il recettore interagisce con l'ormone, è quindi ormone dipendente e interagisce con i coattivatori.

Il dominio LBD è fondamentale perché permette l'interazione con il segnale; nel momento in cui il recettore è in uno stato inattivo, questo dominio è complessato con specifiche proteine; si tratta delle HSP (Heat Shock Protein), in particolare la hsp90 per gli ormoni steroidei, mentre con la proteina p59 per gli ormoni tiroidei. Questa stessa sequenza viene sfruttata anche per la dimerizzazione del recettore.

La sequenza NLS, presente sempre a livello della regione E, identifica una localizzazione nucleare del recettore; si tratta di sequenze con amminoacidi carichi positivamente, in modo tale che si leghino al DNA (con carica negativa). Le nucleoporine (pori nucleari) con le loro fibrille riconosciute dai carrier delle proteine nucleari, permettono il passaggio di queste nella cisterna nucleare. Quello che avviene è che la proteina carrier è in grado di riconoscere la sequenza di localizzazione nucleare del recettore dimerizzato, interagisce quindi con le sequenze sulle fibrille e scivola poi nel nucleo, trasportando il recettore. Il meccanismo di trasporto all'interno e all'esterno del nucleo sfrutta l'azione di una small G-protein, la Ran; questa associata al GTP (elevata concentrazione nel nucleo), permette di far fuoriuscire la proteina carrier dal nucleo.

La struttura di riconoscimento sfruttata dai recettori per interagire con il DNA è lo zinc finger (DBD): si tratta di 70 amminoacidi basici con atomi di zinco, coordinati da cisteine. Questa particolare struttura di interazione si configura come un dito, in grado di riconoscere una particolare sequenza di DNA su cui si lega quindi il recettore. La specificità dell'interazione è mediata dal fatto che alcuni amminoacidi legano delle basi sul DNA; per esempio l'arginina con i due H lega correttamente e in modo specifico la Guanina, interagendo meno con le altre basi.

Oltre ai due classici meccanismi di attivazione in cui l'ormone interagisce direttamente con il recettore, in particolari cellule i recettori possono essere attivati con meccanismi non convenzionali, di cross-talk, in cui alcuni recettori a G-proteine associati a proteine kinasi possono attivare i recettori per gli estrogeni.

Ossido di azoto come ligando

Un particolare ligando in grado di attivare i recettori intracellulari è l'ossido di azoto; questo non appartiene alle categorie viste ma svolge un'importante funzione nella vasodilatazione. In passato veniva sfruttato per chi soffriva di angina, con problemi cardiaci, essendo in grado di far recuperare l'affluenza di sangue a chi sta avendo un attacco di cuore. L'ossido di azoto viene liberato dall'arginina per opera dell'enzima monossido di azoto sintasi, di cui esistono sia forme costitutive sia inducibili. Questa molecola viene sfruttata dai neutrofili e dai macrofagi come meccanismo di difesa contro i patogeni; l'enzima è quindi nella forma inducibile, attivata in seguito alla presenza di un'infezione, dovendo distruggere i patogeni che stanno infettando l'organismo. Una volta prodotto l'ossido di azoto, questo diffonde rapidamente anche all'interno delle cellule. A livello endoteliale e muscolare invece è presente la forma costitutiva, che svolge un'azione fisiologa, è cioè in grado di interagire con la guanilato ciclasi, promuovere la sintesi di cGMP che determina un rilassamento delle pareti muscolari, quindi una dilatazione dei vasi. La presenza di fosfodiesterasi determina una competizione tra la formazione di cGMP e GMP lineare.

Le giunzioni cellulari

Le giunzioni cellulari si distinguono in due tipologie:

Adesioni non giunzionali

Sono giunzioni più deboli perché costituite da meno proteine rispetto alle adesioni giunzionali; le cellule aderiscono in maniera dinamica.

Adesioni giunzionali

Permettono a una cellula di legarsi saldamente a un'altra cellula/alla matrice; in base al tipo di cellula si distinguono in:

• Comunicanti: permettono la comunicazione citoplasmatica tra due cellule; in questo modo è garantito il passaggio di molecole tra le due cellule; un esempio sono le giunzioni GAP tra due cellule.
• Occludenti: svolgono un ruolo strutturale perché permettono una salda adesione tra le membrane di due cellule adiacenti. In questo caso non c'è una comunicazione citosolica. Un esempio sono le giunzioni strette (tra due cellule), presenti nei vertebrati.
• Di ancoraggio: oltre alle strutture di membrana, queste giunzioni coinvolgono anche il citoscheletro. Un esempio sono le giunzioni mediate da caderine (tra due cellule), distinte in giunzioni aderenti (se coinvolgono i filamenti di actina) e desmosomi (se coinvolgono i filamenti intermedi).

Le giunzioni GAP

Si tratta di giunzioni che mettono in comunicazione il citosol di due cellule; attraverso le connessine (proteine transmembrana) si ha la formazione di pori su entrambe le membrane cellulari, che sovrapponendosi formano appunto un canale di comunicazione diretta, il quale permette il passaggio di molecole di piccole dimensioni (minore di 5 kDa, come ioni, vitamine, zuccheri, amminoacidi...); alcune di queste molecole sono dei classici messaggeri, come lo ione calcio.

Le giunzioni GAP possono mettere in comunicazione gruppi di cellule, formando quindi sincizi funzionali, attraverso la formazione di connessioni, ottenuti dall'unione di più connessine. Fattori come il pH o elevate concentrazioni di calcio possono andare a modulare il funzionamento di queste giunzioni, non solo per quanto riguarda meccanismi funzionali, ma anche per meccanismi di difesa; un'elevata concentrazione di calcio può infatti indurre fenomeni degenerativi, che devono essere confinati nelle sole cellule danneggiate.

Le giunzioni strette

Queste giunzioni, caratterizzate dalla claudina come molecola transmembranale di connessione, hanno un ruolo strutturale; spesso infatti mantengono separati due fluidi quando sono presenti negli epiteli di rivestimento, come avviene nell'epitelio intestinale dove il contenuto del lume intestinale è separato dal liquido extracellulare della mucosa. È anche possibile diminuire leggermente la loro impermeabilità, permettendo così il passaggio di altre sostanze; inoltre consentono la regionalizzazione di proteine di membrana, in modo che le proteine apicali non possano migrare nel lato basale della cellula.

Le giunzioni di ancoraggio: giunzioni aderenti e desmosomi

In queste giunzioni è sempre possibile individuare 3 elementi fondamentali:

• CAM: è la molecola centrale di adesione, appartenente alla grande famiglia di molecole che mediano l'adesione; in questo caso è la caderina. Esistono diverse caderine, distinte in base al dominio intracellulare in:
• Caderine classiche: con una struttura abbastanza simile, sono le prime a essere state identificate e svolgono tutte un ruolo abbastanza simile. Sono tessuto specifiche in modo che per ogni tessuto esista un set di caderine specifico (E-caderine sull'epitelio, P-caderine sull'endotelio e N-caderine nel tessuto nervoso).
• Caderine non classiche: presentano diverse strutture, come la desmogleina e la desmocollina, presenti nei desmosomi, e caderine con funzioni non adesive.

Il dominio esterno, identico in tutte le caderine, è caratterizzato da domini più o meno ripetuti coinvolti nella formazione del legame tra le due cellule. Ogni dominio ha la medesima morfologia e presenta regioni intercalate in cui si legano gli ioni calcio. In assenza dello ione calcio la caderina assume una conformazione ripiegata, morbida; mentre con l'arrivo dello ione, questo si lega nella regione specifica in modo che la caderina risulti rigida e lineare e possa prendere contatto con altre caderine della seconda cellula. Questa è la conformazione finale in cui la caderina media e forma la giunzione cellulare.

• Proteine ponte tra CAM e il citoscheletro.
• Elementi del citoscheletro

Il legame principalmente è omofilico, l'attività dipende dallo ione calcio e l'intensità dell'adesione è determinata dal numero di caderine coinvolte. Le giunzioni aderenti e i desmosomi differiscono oltre che per l'elemento citoscheletro con cui prendono contatto, anche per le strutture interne; nelle giunzioni aderenti le catenine sono le proteine ponte; si trovano in particolare le α-catenine, le β-catenine, le γ-catenine e la p120. Nei desmosomi invece le caderine presenti sono la desmog.