Recettori nucleari e vitamina D: biosignalazione e interferenti endocrini

BIOSEGNALAZIONE

RECETTORI E PROTEINE IMPLICATE NELLA BIOSEGNALAZIONE NELLA TRASDUZIONE DEL SEGNALE

La comunicazione tramite messaggeri chimici si realizza quando viene rilasciata una MOLECOLA SEGNALE, che lega in maniera specifica RECETTORI in una cellula bersaglio e produce una RISPOSTA attraverso una serie di meccanismi noti come TRASDUZIONE DEL SEGNALE. L'intensità della risposta nella cellula bersaglio dipende dalla concentrazione della molecola segnale e dal numero di recettori sulle cellule bersaglio. Le cellule degli organismi unicellulari adattano il loro metabolismo, la direzione di movimento e la morfologia alla variazione delle condizioni ambientali (ad esempio, presenza/assenza di nutrienti).

Un esempio tipico di sistema di segnalazione batterico è dato dalla sintesi di proteine implicate nel metabolismo del lattosio in risposta alla presenza dello zucchero nell'ambiente.

Regulatory gene Promoter Operator DNA lacl lacZ DNA A lac lacZ lacY lack RNA polymerase 3 mRNA mRNA 5' 5 1 B-Galactosidase Permease Transacetylase Allolactose (inducer) Inactive repressor (b) Lactose present, repressor inactive, operon on Protein Active repressor (a) Lactose absent, repressor active, operon off lac operon No RNA made 3 mRNA RNA polymerase 5 Protein Lezione 14: Recettori nucleari e vitamina D parte 1

1MOVIMENTO INNESCO DI UN POTENZIALE ALTERAZIONE DEL METABOLISMO CRESCITA SECREZIONE SOPRAVVIVENZA PROLIFERAZIONE APOPTOSI DIFFERENZIAMENTO

Negli organismi pluricellulari le cellule debbono rispondere non solo alla presenza di sostanze provenienti dall'esterno, ma soprattutto a molecole liberate da altre cellule. Questo consente all'organismo e ai tessuti di "coordinare" il metabolismo, lo sviluppo e il differenziamento.

trigger for signal formation signalling cell signal formation PRIMO MESSAGGERO signal: chemical messenger transport of signal receptor signal detection target cell signal transmission intracellular signaling chain SECONDO MESSAGGERO biochemical response B

I primi messaggeri

Iniziamo dall'informazione: Abbiamo dei messaggeri chimici che possiamo dividere in:

1. Piccole molecole Polari (non in grado di attraversare la membrana cellulare per diffusione passiva) - idrofiliche quindi si muovono con facilità in acqua ma limitate in quanto attraversamento della membrana cellulare. Polarità impedisce passaggio attraverso membrane.

Lezione 14: Recettori nucleari e vitamina D parte 1 2O Apolari (in grado di attraversare la membrana cellulare) - viaggiano con difficoltà nel mezzo acquoso. Gas (NO, CO, O2

1. Peptidi e proteine - ritroviamo ormoni peptidici quali insulina e glucanone e anche molti altri fattori di crescita.

AUTOCRINE SIGNALING Extracellular signal T Receptor Target sites on same cell PARACRINE SIGNALING Secretory cell Adjacent target cell ENDOCRINE SIGNALING Blood vessel Hormone secretion into blood by endocrine gland Distant target cells

Modalità di segnalazione

La modalità di segnalazione in cui viene inviata alle cellule bersaglio quindi ai tessuto circostanti. Segnali:

• autocrini - il segnale agisce sulla stessa cellula che l'ha rilasciato. Es. cellule cancerose.
• paracrini - segnale nelle immediate adiacenze
• endocrini - il segnale si trova a livello del torrente circolatorio e raggiungon cellule bersaglio spesso distanti.

I recettori

- portare informazioni dentro la cellula, risposta intracellulare che permette di attivare eventi che permette alla cellula di adattarsi a queste informazioni. Nonostante l'elevato numero, la varietà di funzione e le differenze chimico-fisica, le molecole segnale esercitano il loro effetto sulle cellule bersaglio mediante un numero relativamente ristretto di sistemi di trasduzione. Le molecole segnale esplicano la propria azione legandosi a PROTEINE delle cellule bersaglio che prendono il nome di RECETTORI. I recettori sono quindi delle proteiene. I recettori appartengono a un numero limitato di superfamiglie proteiche, con meccanismi di trasduzione del segnale altamente conservati. Variazioni relativamente limitate della loro sequenza proteica sono responsabili della grande varietà di molecole-segnale cui sono responsivi e dei diversi effetti che inducono a livello cellulare. La presenza dei recettori determinano la RESPONSIVITÀ di una cellula alla specifica molecola-segnale. I recettori per una data molecola-segnale non sono espressi in tutti i tessuti

Lezione 14: Recettori nucleari e vitamina D parte 1 3o possono esserlo solo per un tempo limitato della fase di sviluppo e differenziamento.

Hormone Endocrine cell Cell without receptor Cell with receptor -Target cell No response Response

In assenza del recettore quella info non viene percepita dalla cellula e quindi non si ha risposta cellulare. Vediamo ora come fa il legame di riconoscimento di una informazione ad innescare una risposta a livello cellulare:

I sistemi di trasduzione

I recettori "comunicano" il legame con la molecola-segnale attraverso l'interazione con altre proteine. Le proteine che sono responsabili della risposta cellulare costituiscono il sistema di trasduzione del segnale (EFFETTORI). La fase di trasduzione può coinvolgere, oltre ad altre proteine, anche piccole molecole solubili, dette secondi messaggeri.

EXTRACELLULAR FLUID CYTOPLASM 1 Reception 2 Transduction 3 Response Receptor - Activation of cellular responses Signal-transduction pathway Signal molecule Plasma membrane - sequenza di proteine, enzimi o altre molecole idrosolubili che fanno si che il loro reclutamento con le loro attività facciano avvenire all'interno della cellula la risposta che serve ad innescare processi relativamente all'informazione arrivata.

Lezione 14: Recettori nucleari e vitamina D parte 1 4Extracellular fluid Receptor-signal ligand complex activates an amplifier enzyme. L Cell membrane R Intracellular fluid One ligand is amplified into many intracellular molecules. Ciascun organismo può quindi rispondere in maniera adeguata tutta una serie di stimolazioni che variano nel tempo e nello spazio. Durante la trasduzione, vi possono essere una o più fasi di amplificazione, che consentono una risposta cellulare anche all'attivazione di un numero limitato di recettori. La risposta di una cellula ad una molecola segnale dipende dalle proteine che contiene (recettori e proteine implicate nella trasduzione del segnale). I recettori possono cambiare a seconda della necessità di risposta della cellula, se il recettore quindi è diverso si ha uno schema di effettori differente.

Signal molecule Receptor Relay molecules Activation or inhibition Response 1 Response 2 Response 3 Response 4 Response 5 Cell A. Pathway leads to a single response Cell B. Pathway branches, leading to two responses Cell C. Cross-talk occurs between two pathways Cell D. Receptor is different from the ones in cells A-C

Generalmente una cellula è in grado di rispondere, attraverso i recettori, a più molecole- segnale, le cui vie di trasduzione possono interferire. La risposta cellulare sarà l'effetto complessivo delle varie vie di trasduzione. Due segnali che agiscono su recettori differenti possono creare risposte differenti, che possono essere opposti.

CLASSI RECETTORIALI

Lezione 14: Recettori nucleari e vitamina D parte 1 5Cell surface receptor Peptide or amine hormone binds to receptor on the outside of the cell; acts through receptor without entering the cell. Nuclear receptor Steroid or thyroid hormone enters the cell; hormone-receptor complex acts in the nucleus. - Hormone - Hormone Plasma membrane Cytosol Nucleus Second messenger (e.g., cAMP) Altered transcription + of specific genes Altered activity of preexisting enzyme Altered amount of newly synthesized proteins

Si distinguono due tipi di sistemi di trasduzione, molto diversi tra loro:

• mediati da recettori intracellulari (citosolici e nucleari)
• mediati da recettori di membrana.

RECETTORI DI MEMBRANA

• più superfamiglie
• meccanismi d'azione diversi V modificano la funzionalità del pool di proteine già presenti nella cellula V modificano i livelli di espressione genica.
• molecole segnale di natura idrofila (piccole molecole, peptidi o proteine).

- i recettori intervengono modulando la funzionalità di proteine ed enzimi che sono già a livello della cellula bersaglio. Vi è anche un'azione di modulazione dei livelli di espressione genica attraverso la modulazione di proteine già presenti a livello della cellula. Controparte:

RECETTORI NUCLEARI

• unica superfamiglia
• interazione con sequenze specifiche del DNA
• modulazione dell'espressione di geni.
• molecole segnale lipofile (molte a nucleo steroideo)

Extracellular Fluid Intracellular Receptors Hormone Plasma Membrane Receptor Receptor Receptor DNA New Protein mRNA Cytoplasm Nucleus - attività mediata da loro interazione con sequenze specifiche a livello del DNA: azione di riconoscimento innesca una modulazione sull'espressione dei geni. Effetto: ottenere la sintesi di proteine ed enzimi che non sono presenti in quel momento e che vengono sintetizzati. Via di trasduzione di segnale che appare più semplice.

Lezione 14: Recettori nucleari e vitamina D parte 1 6I recettori nucleari I recettori nucleari sono proteine globulari solubili a localizzazione intracellulare (citosolica o nucleare) che legano molecole- segnale lipofile. I recettori per gli ormoni steroidei si trovano principalmente nel citoplasma e in alcuni casi nel nucleo. Si indicano come recettori nucleari perché debbono comunque entrarvi per poter interagire con il DNA. I recettori per gli altri ormoni lipofili si trovano solamente nel nucleo. Le molecole-segnale LIPOFILE sono gli steroidi, i retinoidi, gli ormoni tiroidei e la vitamina D. Gli steroidi e la vitamina D3 derivano dal colesterolo. La natura lipofila è indispensabile affinché queste molecole possano attraversare la membrana cellulare e interagire direttamente con recettori a localizzazione intracellulare.

Ormone steroideo legato a una TAPPA 1 Cellula bersaglio Nucleo proteina plasmatica Proteine heat shock TAPPA 2 TAPPA 3 Recettore citoplasmatico non legante il DNA TAPPA 3 TAPPA 4 Attivazione "attivato" TAPPA 4 Attivazione DNA TAPPA 5 HRE Trascrizione mRNA TAPPA 8 "attivato" Traslocazione del complesso recettoriale citoplasmatico MRNA Risposta biologica Traduzione Nuova proteina mRNA TAPPA 7 Sintesi proteica H3 C CH CH, CH, CH2 HO T.Ra NR1A1 Thyroid hormones T.RB NR1A2 RARE NR1B1 RARB NR1B2 All-trans-retinoic acid DAX1 NROB1 SHP NROB2 NR2C1 Classic .- TR4 NRZCZ TLX NR2E1 GR NR3C1 PNR NR2E3 MR NR3CZ Aldosterone NR2F1 . Orphan PR NR3C3 Progesterone AR NR3C4 Androgens ERRO NR3B1 ERRB NR3B2 ERR NR3B3 Foster homes ------- LXRB NR1H2 metabolites NURR FXRO NR 1H4 Bile acids NOR1 NR4A3 GCNF NR6A1 RXRB 9-cis-retinoic acid RXRy *Cholesterol RORB NR1FZ PPAR8 NR1C2 metabolites ROR NR1F3 PPARY NR1C3 *Fatty acids HNF4cx NRZA1 CAR NR113 Xenobiotics HNF4B NR2A2 PXR NR112 SF1 NR5A1 Phospholipids LRH1 NR5AZ Il genoma umano codifica per circa 50 proteine che appartengono alla superfamiglia di recettori nucleari. Sono stati individuati recettori di cui non è noto il ligando fisiologico e che prendono il nome di "recettori orfani". Sono stati adottato quando si è capito quali fossero i legandi indogeni a cui rispondevano. RORa NR1F1 PPARa NR1C1 NR1D1 REV-ERBO REV-ERBB NR1D2 -Haem LXRO NR1H3 -Cholesterol NUR77 NR4A1 NR4A2 RXRc NR2B1 NR2B2 NR2B3 Vitamin D, TR2 ERa NR3A1 Oestrogens ERB NR3A2 Cortisol COUP-TFI COUP-TFII COUP-TFIII NR2F2 Adopted NR2F6 RARY NR1B3 VDR NR111 Fatty acids

Lezione 14: Recettori nucleari e vitamina D parte 1 7

Ormone steroideo libero Recettore nucleare TAPPA 6