04B - LA SENSIBILIZZAZIONE - LE CITOCHINE - GENERALITA'


LE CITOCHINE IN GENERALE  

di Vasco Bordignon

Per lungo tempo la nomenclatura delle citochine si riferiva al tipo di cellule che le produceva e quindi se prodotte da fagociti mononucleati venivano chiamate monochine, se prodotte da linfociti linfochine.  Ma poi gli studi hanno dimostrato che una stessa citochina poteva essere prodotta sia da monociti che da linfociti e anche da altri tipi cellulari  e pertanto si decise di utilizzare il termine generico di citochine per riferirsi a questa classe di mediatori.

Le Citochine sono delle glicoproteine di basso peso molecolare (da 8 a 70 kD) prodotte da numerosi tipi cellulari in risposta a microorganismi o ad altri antigeni. Esse consentono alle cellule di dialogare tra loro, regolandone alcune funzioni biologiche molto varie quali la proliferazione, differenziazione, l’attivazione, la sopravvivenza o la morte cellulare.

Sono implicate nella infiammazione, nelle risposta immunitaria innata e adattativa e nella ematopoiesi.


Rappresentano un insieme eterogeneo di molecole:

Interleuchine: IL-1, …. IL-35

Interferoni : IFN-α, IFN-β, IFN-γ, …

Tumor Necrosis Factor : TNF-α, TNF-β

Fattori di crescita, di trasformazione: TGF-α, TGF-β

Fattori di crescita ematopoietica: CSF

Chemochine : CCL, CxCL, o …


PROPRIETA’ GENERALI DELLE CITOCHINE


La secrezione delle citochine è un evento che dura poco ed è autolimitato.

Le citochine agiscono legandosi a specifici recettori espressi sulla superficie della cellula bersaglio, recettori che hanno una affinità molto elevata consentendo a dosi anche molto basse di citochina di legarsi al proprio recettore inducendo così il corrispondente effetto biologico.

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Le citochine vengono sintetizzate da una cellula attivata (resa tale da una stimolazione) che poi si legano a dei recettori di membrana specifici della cellula bersaglio.

La stimolazione citochinica molto frequentemente porta alla attivazione della trascrizione di geni fino ad allora rimasti silenti, che a loro volta portano alla proliferazione della cellula bersaglio.  Tale attivazione trascrizionale è transitoria e  la maggior parte degli RNA messaggeri codificanti per le citochine sono instabili sicché la loro sintesi si realizza per breve periodo.

In altre situazioni  l’attivazione porta allo scambio di classe degli anticorpi come nei linfociti B; o alla specializzazione di linfociti TH in linfociti TH1 o TH2 ….

La risposta cellulare ottenuta a sua volta è controllata da meccanismi a feed-back negativo  come fosfatasi, molecole bloccanti le chinasi, inibizione dell’interazione dei fattori di trascrizione e attivazione di recettori inattivi che competono con i recettori. 

           Le azioni delle citochine possono manifestarsi a breve distanza o a grande distanza e quindi possono essere locali o sistemiche.

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Possono avere una azione autocrina (la cellula bersaglio di una data citochina è rappresentata dalla stessa cellula che la produce), paracrina (quando la cellula bersaglio è in prossimità è vicina alla cellula responsabile della produzione) ed  endocrina (quando la cellula bersaglio è situata a distanza rispetto alla cellula responsabile della secrezione e viene raggiunta dalla citochina attraverso il torrente ematico).

Pleiotropismo

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La stessa citochina può agire su cellule molto diverse tra loro ma anche che può svolgere azioni diverse sullo stesso stipite cellulare.

Ridondanza

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La ridondanza è un’altra caratteristica delle citochine significando che lo stesso effetto può essere indotto da diverse citochine.

Antagonismo

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Si realizza quando una citochina è capace di inibire un effetto biologico di un’altra : es. l’IFN-γ inibisce la produzione di IgE indotta dalla IL-4.

Attività  a cascata

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La maggior parte delle citochine provocano delle reazioni a cascata inducendo la produzione di un’altra citochina da parte delle cellule bersaglio.


CLASSIFICAZIONE STRUTTURALE DELLE CITOCHINE


Viene rappresentata da 4 gruppi o da 4 superfamiglie. La accenniamo solamente in quanto le citochine di fatto vengono studiate tenendo presente i recettori ai quali si legano.

Comunque una citochina può appartenere ad uno dei seguenti gruppi o superfamiglie

- Struttura a 4 α-eliche distinte in due sottogruppi (immagini sottostanti)

-SC-4α (4 α-eliche Short Chain) – IL-2, IL-3, IL-4, IL-5, IL-7, IL-9, IL-13, IL-15, GM-CSF, ..

-LC-4α (4 α-eliche Long Chain) – IL-6, IL-10, IL-11, G-CSF , ...

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- Struttura a foglietti β  a catena lunga diviso in tre sottogruppi (immagini sottostanti)

-cystine knot (“nodo di cistina”) – es. TGF-β

-β-jellyroll (letteralmente “anello gelatinoso”) – es. TNF

-β-trefoil (“trifoglio β” per l’aggregazione trimerica) – es. IL-1β 

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- Struttura a catena corta α/β, diviso in tre sottogruppi (immagini sottostanti)

-chemochine, dove vi è coesistenza di struttura-β ed una α-elica (al C terminale) – es- IL-8

-meandro β, es. TGF-α

-tipo insulina : es. IGF-1, citochina con struttura simile alla insulina 

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citoch_-_3_-_insulin_-  Struttura a Mosaico in riferimento al fatto che citochine appartenenti a questa famiglia risultano dalla riunione di più moduli, es. HGF (Hepatocyte Grow Factor). Viene suddivisa anch’essa in sottogruppi.

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CLASSIFICAZIONE FUNZIONALE DELLE CITOCHINE


LA FAMIGLIA DELL’INTERLEUCHINA 1 , i cui membri principali sono IL-1α, IL-1β, IL-1Ra. IL-18, IL-33. L’IL-1 è stata la prima citochina diversa dall’interferone ad essere identificata. I rappresentanti di questa famiglia comprendono importanti mediatori della infiammazione.


LA FAMIGLIA DELL’EMATOPOIETINA o CLASSE I DELLE CITOCHINE: comprende numerose citochine: Il-2, IL-3, IL-4, IL-5, IL-6, IL-7, IL-12, IL-13, IL-15, IL-21, IL-23, GM-CSF, G-CSF, Growth hormone, Prolattina, Eritropoietina/Ematopoietina.  Questa numerosa famiglia di piccole molecole evidenzia una struttura similare ed una diversità funzionale.


LA FAMIGLIA DELL’INTERFERONE o CLASSE II DELLE CITOCHINE: comprende IFN-α. IFN-β, IFN-γ, IL-10, IL-19, IL-20, IL-22, IL-24.  Gli interferoni hanno compiti importanti nella risposte anti-virali,  tutti sono importanti modulatori della risposta immune.


LA FAMIGLIA DEL FATTORE DI NECROSI TUMORALE (TUMOR NECROSIS FACTOR): comprende TNF-α, TNF-β, CD40L, Fas (CD95), BAFF, APRIL, LTβ. I membri di questa famiglia possono trovarsi sia solubili sia legati alla membrana cellulare; sono implicati nello sviluppo del sistema immune, nelle funzioni effettrici e nella omeostasi.


LA FAMIGLIA DELLA INTERLEUCHINA 17 (IL-17): comprende IL-17 ((IL-17A), IL-17B, C, D ed F. Questa famiglia è stata individuata recentemente. I suoi componenti funzionano nel promuovere l’accumulo e l’attivazione dei neutrofili, e sono pro-infiammatori.


LA FAMIGLIA DELLE CHEMOCHINE: comprende una famiglia di proteine a basso peso molecolare con prevalente funzione chemiotattica verso varie popolazioni cellulari a vario tipo coinvolte nelle risposte immuni.



RECETTORI DELLE CITOCHINE


TUTTI i recettori per le citochine sono composti da una o più proteine trans-membrana  con una porzione o dominio extracellulare per il legame con la citochina ed un dominio citoplasmatico responsabile della attivazione dei segnali intracellulari.

La classificazione di questi recettori maggiormente utilizzata è quella che si basa sulla omologia strutturale della loro porzione extracellulare o dominio extracellulare che è il sito di fissazione del ligando.

Recettori di tipo I

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Vengono detti anche recettori dell’emopoietina. Sono costituiti da una o più coppie di un dominio composto da due coppie di residui di cisteina, e in posizione più prossimale, più vicina alla membrana plasmatica, da una sequenza di triptofano-serina-X-triptofano-serina (WSXWS) dove X rappresenta un qualsiasi aminoacido.

A causa di queste caratteristiche questi recettori legano preferenzialmente molecole che si ripiegano in quattro catene ad α-elica e la specificità per le diverse citochine viene fornita da residui aminoacidici diversi da un recettore all’altro.

Questi recettori in genere presentano una struttura multimerica nella quale una catena peptidica si lega alla citochina (in genere la catena α) e le altre (associate in modo covalente) trasducono il segnale. Queste ultime possono essere condivise da recettori per citochine diverse.
La via di segnalazione intracelulare avviene attraverso le proteine JAK e STAT (vedi oltre) 

Recettori di tipo II

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Condividono con i recettori di tipo I la presenza dei residui di cisteina conservati, ma non la sequenza WSXWS. Anch’essi sono composti da una catena peptidica che lega la citochina e da una catena che trasduce il segnale. Rappresentano i recettori degli Interferoni.

La via di segnalazione avviene atraverso le proteine JAK e STAT (vedi oltre)

Recettori della superfamiglia delle Immunoglobuline

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Alcuni recettori per le citochine contengono domini extracellulari di tipo immunoglobulinico.

Caratteristico il dominio citoplasmatico TIR (Toll/IL-1 Receptor) e l'associazione con le chinasi della famiglia IRAK (IL-1 Receptor Associated Kinase)

Questi recettori possono legare diverse citochine e trasducono il segnale attraverso vari meccanismi, ad es. i recettori della famiglia dell’IL-1.

Recettori di tipo III

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Sono caratterizzati da domini extracellulari ricchi di cisteina, e possono riconoscere ligandi anche diversi dalle citochine. Una volta legati al proprio ligando, essi attivano proteine intracellulari in grado di modificare l’espressione genica e/o indurre l’apoptosi.

Rappresentano i recettori dei TNF

Recettori a sette domini α-elica trans-membrana

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Vengono chiamati anche recettori a serpentina, e sono utilizzati dalle chemochine.

 

LA  TRASDUZIONE DEL SEGNALE

 

Il legame della citochina al recettore attiva varie vie di segnalazione che avranno maggior spazio di esposizione nei file dei singoli gruppi di citochine.

- la via MAPK

la via NF-kB

- la via JAK-STAT

A seconda della citochina,  una sola (molto più raro due) di queste tre vie sarà attivata: pertanto esse possono attivare parecchie vie nel medesimo tempo.

Ciascuna di queste vie darà origine all’attivazione di un fattore di trascrizione che darà luogo lui stesso a delle funzioni naturali o ad aumentare le vie della infiammazione.

Tutti questi recettori sono diversi gli uni dagli altri, in particolare a livello del dominio extracellulare che è il sito di fissazione del ligando. Il dominio extracellulare rappresenta così la specificità del recettore, condividendo la caratteristica di essere trans-membrana.

L’attivazione dei recettori avviene normalmente attraverso due fasi:

1.il legame del ligando al recettore

2.la dimerizzazione  di 2 o 3 catene dei recettori (catene distinte chiamate α, β, γ)

- la catena α si lega al ligando 

- la catena β o γ è nella incapacità di riconoscere il ligando, ma sarà capace di associarsi alla catena α per trasmettere il segnale intra-cellulare.

Per es. la famiglia dei recettori dell’interleuchina 6 (IL-6) possiede 2 sub-unità e un co-recettore (gp130). E’ la sub-unità β che trasmetterà il segnale a seguito dell’attivazione della sub-unità α e del co-recettore.

La maggior parte di questi recettori non possiedono alcuna attività chinasica intrinseca (es. domini di tirosin-chinasi) capace di collegarsi direttamente nelle vie di trasmissione del segnalazione, e necessitano quindi di una proteina supplementare per attivare le altre proteine del segnale.  Questo avverrà attraverso una fosforilazione che permetterà l’attivazione di una chinasi posizionata a valle della catena.

 

 

REGOLAZIONE EXTRA- E INTRACELLULARE DELL’AZIONE DELLE CITOCHINE

 

L’azione delle citochine viene modulata, con vari mezzi, 

- dai recettori di membrana 

- dai recettori solubili 

- dalle proteine che modulano il segnale

-Mettendo a riposo il sistema di attivazione del recettore.

Ciò viene attuato o con la internalizzazione del recettore (creando una piccola invaginazione nella membrana per ridurre l’accesso del substrato) o con la esternalizzazione  (per ritrovare una conformazione normale) mediante fosforilazione/defosforilazione.

-Per la presenza di recettori solubili.

Essi possono legarsi specificamente al ligando nell’ambiente extra-cellulare diminuendo quindi il legame ligando-recettore (sono degli inibitori competitivi). Possono derivare da rotture proteolitiche del dominio extracellulare del recettore “normale” oppure da una unione diversa formando un recettore senza dominio trans-membrana. Vedremo questa azione antagonista limitante l’azione delle citochine  nel caso di IL-1,IL-4, ecc.  Ne deriva una mancata trasduzione del segnale.

I recettori solubili possiedono anche una funzione di protezione o di stoccaggio delle citochine, aumentando così  la loro emivita. Ciò permette un rilascio in caso di urgente bisogno dell’organismo.

Inoltre possono avere un’azione agonista amplificando la risposta presentando essi stessi il segnale al recettore di membrana (es. legame tra IL-6 e gp130 o gp190).

-Mettendo a riposo l’attivazione della via di trasduzione

Si attua con la inattivazione/defosforilazione dei JAK

-Mediante inibizione della via di segnalazione intracellulare.

Le SOCS ( Suppressor Of Cytokine Signaling) sono state identificate essere proteine in grado di regolare negativamente la segnalazione recettoriale delle ctochine attraverso l’inibizione del pathway JAK-STAT. Anche le proteine PIAS (Protein Inhibitor of Activated STAT)  hanno evidenziato la capacità di interagire con le STAT inibendo la loro attività. Pure le MAPK- fosfatasi hanno una azione inibitoria sulle MAPK. 


Principali Fonti Documentali : fare riferimento al file "La sensibilizzazione.  I segnali cellulari: Recettore e Ligando".