VIA IP3-DAG DEL RECETTORE TIROSIN-CHINASI NELLA SEGNALAZIONE CELLULARE

4.3. JAK-STAT Pathway

La segnalazione JAK-STAT media il trasferimento del messaggio o del segnale dall’esterno della cellula al nucleo attraverso un gran numero di citochine, ormoni e fattori di crescita che causano l’alterazione della trascrizione di geni specifici. Il percorso consiste in recettori delle citochine, un sottotipo di recettori legati a un enzima che dipende da chinasi citoplasmatiche per trasferire segnali nella cellula. L’attivazione intracellulare e la multimerizzazione dei recettori avviene quando ligandi come l’interferone e le interleuchine si legano al recettore. Di conseguenza, Jaks (una tirosin-chinasi citoplasmatica) associata al recettore viene attivata.

Nei mammiferi, sono noti quattro tipi di Jaks – Jak1, Jak2, Jak3 e Tyk – e ognuno è associato a specifici recettori di citochine che costituiscono due o più catene polipeptidiche. La dimerizzazione (in alcuni casi la multimerizzazione) porta la Jak (Janus kinase) associata a due unità recettoriali in stretta vicinanza assistendo entrambi a fosforilarsi a vicenda, aumentando così l’attività dei loro domini tirosin-chinasici. La tirosina fosforilata agisce come sito di aggancio per gli STAT e altre vie di segnalazione. Gli STAT (Signal Transducer and Activator of Transcription) sono fattori di trascrizione latenti che sono confinati nel citoplasma quando sono inattivi. Ci sono molti tipi di STAT, ognuno con un dominio SH2 che gioca un ruolo cruciale nella trasduzione del segnale. Il dominio SH2 degli STAT si lega con il residuo di fosfotirosina del recettore della citochina attivato. Inoltre, il Jak fosforila lo STAT sul residuo di tirosina al C-terminale, portando al suo rilascio dal recettore. Il dominio SH2 della STAT dissociata facilita il suo legame con un residuo di fosfotirosina della seconda proteina STAT con conseguente formazione di un omodimero o di un eterodimero. Il dimero STAT trasloca nel nucleo, dove si lega alle specifiche sequenze di regolazione e stimola la loro trascrizione per la sopravvivenza, la proliferazione e la differenziazione delle cellule.

Oltre agli effettori positivi, ci sono diversi regolatori negativi che spesso spengono la risposta. Alcuni di essi sono i seguenti:

• Suppressori della segnalazione delle citochine (SOCs): gli STAT attivati iniziano la trascrizione dei SOCs e alla fine la proteina SOCs si associa ai Jaks fosforilati e con questo processo termina il percorso.
• Inibitori proteici di STAT attivati (PIAS) : La proteina PIAS si lega con i dimeri di STAT e inibisce l’interazione di STAT con l’elemento di risposta del DNA, inibendo così la trascrizione delle proteine bersaglio.
• PTPs (Protein Tyrosine Phosphatases): PTPs defosforila la molecola effettrice, rendendola inattiva, regolando così negativamente la segnalazione.

4.4. TGF-β Pathway

Il fattore di crescita trasformante β è un enzima multifunzionale che può agire come ormone, molecola effettrice o mediatore locale per regolare molte risposte cellulari. Il ligando per la segnalazione può essere il TGFβ stesso, le proteine morfogenetiche ossee (BMP), l’ormone anti-mülleriano (AMH), l’attivina e la proteina nodale. Queste proteine procedono con l’assistenza di recettori legati all’enzima che contengono un dominio serina/treonina chinasi sul lato citoplasmatico della membrana. Questi recettori comprendono principalmente due classi – tipo I e tipo II che si associano in un modo specifico, necessario per la segnalazione. SARA (l’ancora SMAD per l’attivazione del recettore) e HGS (Hepatocyte Growth factor-regulated tyrosine kinase Substrate) sono le proteine che mediano ulteriormente la via del TGF β. La via di segnalazione procede come segue:

1. Il ligando TGF- β si lega all’omodimero di tipo II causando la fosforilazione e l’attivazione del recettore di tipo I. Così, formando un complesso tetramerico.
2. All’attivazione, il complesso del recettore si lega e fosforila le proteine regolatrici, Smad 1, Smad 2, Smad 3. La Smad fosforilata si dissocia dal recettore e si combina con la Smad 4.
3. Il complesso Smad si dissocia ed entra nel nucleo e si lega al sito specifico nel DNA e regola l’espressione dei geni bersaglio.

La segnalazione TGF β è coinvolta in vari processi cellulari tra cui la crescita cellulare, la differenziazione cellulare, la proliferazione e l’apoptosi. Il meccanismo è regolato dall’inibizione di feedback attraverso diverse vie come l’endocitosi mediata dalla clatrina, bloccando così la formazione del complesso Smad e spegnendo la via del TGF- β.

4.5. Recettori ormonali intracellulari

La famiglia di recettori degli ormoni steroidei e tiroidei funziona come fattore di trascrizione, in quanto dopo il legame degli ormoni attiva l’espressione genica. La superfamiglia di recettori degli ormoni steroidei e tiroidei si trova nel citoplasma e lega i loro ligandi ormonali lipofili in questo compartimento, poiché questi ormoni sono in grado di penetrare liberamente la membrana plasmatica idrofoba. Dopo aver legato il ligando, il complesso ormone-recettore si trasferisce nel nucleo e si lega a specifiche sequenze di DNA chiamate elementi di risposta ormonale (HRE). Il legame del complesso a un HRE provoca un’alterazione dei tassi di trascrizione del gene associato. L’analisi del genoma umano ha rivelato 48 geni di recettori nucleari.

Molti di questi geni sono capaci di produrre più di una isoforma di recettore. I recettori nucleari contengono tutti un dominio di legame al ligando (LBD) e un dominio di legame al DNA (DBD). I recettori steroidei III si legano al DNA come omodimeri: recettore degli estrogeni (ER), recettore dei mineralocorticoidi (MR), recettore del progesterone (PR), recettore degli androgeni (AR) e recettore dei glucocorticoidi (GR). Il recettore I degli steroidi si lega al DNA come eterodimero. I recettori X dei retinoidi (RXRs), i recettori X del fegato (LXRs), i recettori X dei farnesoidi (FXRs) e i recettori attivati dai proliferatori del perossisoma (PPARs) sono l’esempio dei recettori che si legano con ligandi lipofili proprio come i recettori degli ormoni steroidei e gli ormoni tiroidei.

Gli ormoni steroidei sono tutti derivati dal colesterolo. Inoltre, ad eccezione della vitamina D, contengono tutti lo stesso anello ciclopentanofenantrene e lo stesso sistema di numerazione atomica del colesterolo. Gli steroidi con 21 atomi di carbonio sono conosciuti come pregnani, mentre quelli che contengono 19 e 18 atomi di carbonio sono conosciuti rispettivamente come androstani ed estrani. L’acido retinoico e la vitamina D non derivano dal pregnenolone, ma rispettivamente dalla vitamina A e dal colesterolo, mentre tutti gli ormoni steroidei derivano dal pregneolone.

Tutti gli ormoni steroidei esercitano la loro azione passando attraverso la membrana plasmatica e legandosi ai recettori intracellulari. Il complesso ormone – recettore funziona come fattore di trascrizione. Il complesso si muove verso il nucleo e si lega alle sue sequenze di DNA conosciute come elementi di risposta ormonale e attiva i geni.

4.6. Sistema a due componenti :

Nei batteri e nelle piante, la trasduzione del segnale è mediata dal sistema a due componenti (TCS), coinvolto nella comunicazione cellula-cellula e per rispondere al segnale extracellulare. Nei batteri i sistemi a due componenti sono onnipresenti. Il TCS non è presente nell’uomo e in altri mammiferi, quindi diventa un bersaglio per la droga.

Il sistema a due componenti contiene un sensore, che è una proteina transmembrana omodimerica chiamata istidina chinasi posta, che ha attività autofosforilante con un residuo di istidina conservato e un regolatore di risposta situato dopo l’istidina chinasi, che contiene un residuo di aspartato conservato. L’istidina chinasi (HK) ha due domini, un dominio di trasferimento dell’istidina fosforilata, che possiede un’istidina specifica e un secondo dominio di legame ATP. Regolatore di risposta (RR) aveva anche due domini, un dominio conservato ricevitore, che comprende conservato aspartato e secondo dominio effettore.

Quando un ligando viene e si lega al terminale N di istidina chinasi, a sua volta provoca l’attivazione di istidina chinasi attività autofosforilante. Di conseguenza, provoca il trasferimento di un residuo di fosfato dall’ATP all’istidina conservata presente nel dominio della chinasi presente al terminale C. Questo porta al trasferimento di questo fosfato dall’istidina all’aspartato conservato presente nel dominio ricevitore conservato del regolatore di risposta. Fosforilazione di risultato aspartato in cambiamento conformazionale in RR, a sua volta provoca l’attivazione del dominio effettore di RR, come un segnale risultato ottenere generato per mediare risposta cellulare specificamente off o su espressione genica.

Histidina chinasi presente anche in forma ibrida chiamato ibrido istidina chinasi, che istidina chinasi contengono anche un dominio ricevitore interno, come ligando si legano alla istidina chinasi ibrida, si autofosforila di istidina con lo stesso meccanismo. Poi trasferisce questo fosfato al residuo di aspartato del dominio ricevitore interno, dopo di che questo fosfato si trasferisce alla proteina di fosfotrasferimento dell’istidina o all’istidina fosfotransferasi, che trasferisce questo fosfato al regolatore di risposta terminale contenente un residuo conservato di aspartato. Questo sistema è chiamato sistema phosphorelay.

4.7. Quorum sensing

Quorum sensing definisce come un meccanismo attraverso il quale la regolazione del processo fisiologico (motilità, competenza, coniugazione, simbiosi, virulenza, sporulazione e produzione di antibiotici) e l’attività cooperativa avviene nei batteri perché controlla l’espressione genica. Attraverso questo meccanismo, la comunicazione tra le cellule batteriche avviene tramite il rilevamento e la risposta di una piccola molecola di segnale a basso peso molecolare secreta, che è diffusibile in natura e nota come autoinduttore, la cui concentrazione definisce la densità delle cellule batteriche, perché entrambe hanno una correlazione direttamente proporzionale. Questo meccanismo aiuta i batteri a svolgere varie funzioni, come consentire alle cellule batteriche di identificare la loro densità di popolazione, nella formazione di biofilm, nella colonizzazione dei batteri, durante la protezione contro i concorrenti e fornire la capacità di adattarsi all’ambiente che cambia. Vibrio fischeri, un bioluminescente marino, è il primo in cui il quorum sensing viene descritto.

Quorum sensing responsabile dell’avvio dell’attività coordinata che governa l’espressione dei geni, che avviene quando l’espressione di quei geni che governano l’attivatore trascrizionale o il sensore interagiscono con il rispettivo autoinduttore, a causa di questo autoinduttore di segnalazione induce anche l’espressione del proprio gene. Quorum sensing effettuato in risposta alla densità della popolazione batterica e il cambiamento secondo la fluttuazione avviene nella popolazione batterica, a sua volta cambiare l’attività coordinata che governa l’espressione del gene avviene anche perché in questa situazione l’interazione di espressione genica che governa attivatore trascrizionale o sensore con il suo autoinduttore anche cambiare rispetto alla situazione. L’alterazione dell’espressione genica avviene quando la concentrazione dell’autoinduttore viene rilevata come livello di concentrazione minima di soglia stimolante. Il meccanismo di quorum sensing è usato sia dai batteri gram negativi che gram positivi.

Nei batteri sono presenti tre classi di quorum sensing che sono menzionate di seguito:

La prima classe è governata dal sistema LuxI/LuxR che possiede il lattone acil-omoserina (AHL) come loro molecola segnale e questo tipo di quorum sensing presente nei batteri Gram negativi. LuxI come la proteina chiamata ALH sintasi responsabile della sintesi del lattone acil-omoserina (AHL), AHL è formato dall’accoppiamento della frazione omocisteina della S-adenosilmetionina (SAM) a una specifica proteina trasportatrice acilica (acil-ACP), in questo accoppiamento la frazione omocisteina si unisce alla catena laterale acilica dell’acil-ACP e la lattonizzazione di questo risultato intermedio nella formazione di acil-HSL insieme al rilascio di metiltioadenosina. L’AHL unico è prodotto da ogni specie batterica come risultato di una particolare specie batterica membro risponde e riconosce una specifica molecola di segnale. Dopo la sintesi si diffonde e viene riconosciuto e legato da una proteina LuxR cognata, a sua volta si verifica l’attivazione di LuxR poi il complesso AHL-LuxR si lega al promotore del gene bersaglio e la trascrizione di quel gene inizia.

Questo è il diagramma del quorum sensing nei batteri Gram-negativi, definire l’attivazione trascrizionale richiede una particolare concentrazione di soglia per attivare la trascrizione del gene, sotto quella concentrazione non avviene alcun tipo di trascrizione.

Seconda classe governa oligopeptide mediato sistema a due componenti che possiede piccolo peptide come loro molecola di segnale e questo tipo di quorum sensing presente in batteri Gram-positivi. Nei batteri Gram-positivi l’autoinduttore non è in grado di attraversare la membrana plasmatica e il sensore o recettore di questo induttore chiamato peptide autoinducente (AIP- da 5 a 25 aminoacidi) è una proteina transmembrana, qui è presente un sistema di trasduzione del segnale a due componenti che contiene il recettore dell’AIP chiamato proteina istidina chinasi insieme a un regolatore di risposta citoplasmatico che procede alla trasduzione del segnale mediando la regolazione dell’espressione genica tramite segnalazione del peptide. AIP viene secreto nell’ambiente esterno dall’interno della cellula dal trasportatore ABC.

La terza classe è governata dall’autoinduttore 2 codificato da luxS e questo tipo di quorum sensing è presente nei batteri Gram-negativi e Gram-positivi.

Ora parliamo dell’esempio di Vibrio fischeri, un bioluminescente marino. Vibrio fischeri risiede in relazione simbiotica con un certo numero di ospiti animali marini. Vibrio fischeri produce luce attraverso la produzione dell’enzima luciferasi. Così chiamato bioluminescente e i batteri producono luminescenza che è luce blu-verde, quando i batteri sono presenti in grande concentrazione in risposta al quorum sensing AHLs. La produzione di luce avviene in un organo specializzato presente nell’organismo marino chiamato organo luminoso quando i batteri vengono colonizzati in alta concentrazione in questo organo luminoso, ma Vibrio fischeri non produce luminescenza quando è presente in stato libero e questa luminescenza appare al buio.

La chemiotassi nei batteri

La chemiotassi è un fenomeno che spiega il movimento dei batteri in risposta a stimoli chimici, in una direzione specifica. La chemiotassi gioca un ruolo importante nel movimento dei flagelli dei batteri, nella ricerca di cibo e in caso di protezione come la sensazione di veleni. Se il movimento avviene verso l’alta concentrazione del prodotto chimico, chiamato come chemiotassi positiva, come l’inverso, se il movimento avviene in direzione opposta dalla più alta concentrazione del prodotto chimico, chiamato come chemiotassi negativa. L’induttore della chemiotassi nelle cellule mobili è chiamato chemioattrattore (chemochine e peptidi formili) e chemorepellente (aminoacido, sali inorganici e alcune chemochine), se il chemioattrattore è presente la cellula si muove in direzione avanti e se chemorepellente presente allora la cellula si muove in direzione opposta o lontano dalla sostanza chimica. Entrambe le sostanze chimiche effettuano la loro segnalazione interagendo con il loro recettore, che è una proteina transmembrana. La chemiotassi viene eseguita da un sistema a due componenti, che contiene la proteina istidina chinasi come recettore transmembrana insieme a un regolatore di risposta citoplasmatico che procede alla trasduzione del segnale mediando la regolazione dell’espressione genica in risposta a una particolare sostanza chimica.

La rotazione flagellare in E.coli governata dalla chemiotassi e il movimento delle flagelle è correlato al comportamento di nuoto dei batteri, durante la rotazione flagellare in senso antiorario, i batteri si muovono in direzione avanti che è anche chiamato correre insieme a questo batteri nuotare in linea retta, questo tipo di movimento si ottiene perché la rotazione in senso antiorario provoca l’allineamento delle flagelle in un unico fascio di rotazione. Durante la rotazione in senso orario dei flagelli, il movimento dei batteri in direzione di marcia viene interrotto insieme a questo batterio che rotola sul posto. Questo tipo di movimento avviene perché la rotazione in senso orario rompe il fascio di flagelli separatamente, qui ogni flagello punta in direzione separata. Se il gradiente chimico non è presente, il movimento dei batteri è casuale, in questo caso i batteri si muovono in avanti. Così nuota e dopo un po’ di tempo si ferma, quindi si agita. Se il gradiente chimico è presente, in caso di presenza di chemoattrattore, la caduta è meno frequente e si verifica una corsa più lunga o in caso di presenza di chemorepellente, si verifica una corsa più lunga in direzione opposta con meno caduta.

Il movimento flagellare avviene tramite un sistema a due componenti come menzionato sopra, qui il recettore è noto come proteina metil-accettante chemiotassi (MCP) e la metilazione del recettore fatta da una metiltrasferasi chiamata CheR, CheW una proteina adattatrice si lega al recettore da un lato e si lega a CheA dall’altro lato, collegando così il CheA con una proteina sensore. CheA un sensore istidina chinasi possiede un residuo di istidina conservato. Quando un chemorepellente arriva e si lega al MCP a sua volta attiva il MCP, che attiva il CheW e che attiva il CheA in modo a cascata, CheA attivato causa l’autofosforilazione del proprio residuo di istidina conservata e dopo che CheA trasferisce il fosfato a CheY, che è un regolatore di risposta e possiede un residuo conservato di aspartato, di conseguenza la diffusione di ChsY avviene e interagisce con la proteina interruttore flagellare FliM o proteina motore flagellare, questo porta al cambiamento della rotazione del flagello da antiorario a orario.

CheY è responsabile del controllo del motore del flagello. Quando si verifica il cambiamento di rotazione del singolo flagello, questo provoca la rottura dell’intero fascio di flagelli, che si traduce in un capitombolo. Lo stato di fosforilazione di CheY persiste per pochi secondi, e CheY viene defosforilato da CheZ, che è responsabile della terminazione del segnale e conosciuto come fosfatazione specifica di Asp. Inattivazione di CheY fatta da CheZ. Il legame dell’attrattore esercita un effetto opposto, causa l’inattivazione del recettore, a sua volta la fosforilazione di CheA e CheY diminuisce, di conseguenza la rotazione in senso antiorario della flagella si verifica così i batteri corrono e nuotano in direzione di marcia. I batteri vengono desensibilizzati se è presente una maggiore concentrazione di ligando e che è più della solita concentrazione più alta.

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