04E - LA SENSIBILIZZAZIONE - LE CITOCHINE - LA FAMIGLIA DELL'EMATOPOIETINA O DI CLASSE I


Citochine della Famiglia

dell’Ematopoietina o di Classe I


Comprende un gruppo numeroso di citochine: IL-2, IL-3, IL-4, IL-5, IL-6, IL-7, IL-12, IL-15. IL-16, IL-21, IL-23, GM-CSF (granulocyte-macrophage colony-stimulating factor), G-CSF (granulocyte-colony stimulating factor), ormone dell’accrescimento, prolattina, eritropoietina/ematopoietina, LIF (leukemia inhibitor factor), OSM (oncostatin M), CNTF (ciliary neurotrophic factgor), IL-27.

I membri di questa famiglia sono citochine piccole, solubili che comunicano all’interno del sistema immunitario.

Questo nome può essere ingannevole perché  non tutti i membri di questa famiglia sono implicati nella ematopoiesi. Tuttavia le prime citochine ad essere caratterizzate avevano delle funzioni ematopoietiche  e la famiglia citochinica è stata determinata sulla base della similitudine strutturale  tra tutti i componenti.

Poiché la famiglia della ematopoietina comprende alcune delle citochine che per prime sono state caratterizzate nella loro struttura viene talvolta riferita come la famiglia di classe I di citochine.

A mano a mano che i componenti di questa famiglia venivano definiti,  diventava chiaro che la loro origine cellulare e le loro cellule bersaglio erano diverse come diverse le loro funzioni, con uno spettro che comprendeva  il segnale per l’inizio della proliferazione dei B e T linfociti (ad es. IL-2), il segnale per l’inizio della differenziazione dei B-linfociti in plasmacellule e nella produzione di anticorpi (es. IL-6), il segnale per la differenziazione dei linfociti T helper lungo una particolare via di differenziazione rispetto  ad un’altra (es. IL-4 vs IL-12) e da ultimo per dare inizio alla differenziazione di particolari linee leucocitarie (es. GM.-CSF, G-CSF).

Una significativa omologia nella struttura tridimensionale delle citochine di questa famiglia li definisce come membri di una singola famiglia proteica malgrado una relativamente alta percentuale  di diversità della sequenza aminoacidica.

La caratteristica struttura che definisce  questa classe di citochine è  il motivo raggruppato in  4 eliche, in 4 eliche antiparallele.

CITOCH_-_IL-2_IMAGO_OK

CITOCH_-_G.CSF_-IMAGO_-OK

CITOCH_-_OSM_-_IMAGO_-_OK_

Membri di questa famiglia possono essere ulteriormente sotto-classificati sulla base della lunghezza dell’elica.  Citochine quali IL-2, IL-4 e IL-3 tipicamente hanno corte eliche di 8-10 residui. Al contrario le cosiddette citochine a lunga catena, che comprendono IL-6 e IL-12, hanno caratteristicamente lunghe eliche di 10-20 residui.


La famiglia dei recettori della famiglia dell’ematopoietina o della Classe I


La maggior parte dei recettori includono due tipi di domini proteici: un dominio simil-immunoglobulinico, costituito da β foglietti, e domini che evidenziano omologia strutturale con il dominio FNIII della fibronectina proteina della matrice extracellulare.

I siti di legame per la maggior parte delle citochine si trovano ad essere legati in una struttura costituita da due dominii FNIII, l’uno accanto all’altro, chiamati  Cytochine-binding Homology Regions (CHRs). Il motivo CHR è comune a recettori citochinici di varie famiglie.

Una caratteristica comune per la maggior parte dei recettori della famiglia dell’ematopoietina e degli interferoni è la presenza di multiple sub-unità. 

Abbiamo tre sotto-famiglie di recettori dell’ematopoietina e ciascuna sotto-famiglia viene definita da una sub-unità del recettore in comune (che può essere  α o β o gp130, come elencato sotto) tra tutti i membri di quella famiglia: 

γ : IL-2, IL-4, IL-7, IL-9, IL-15, IL-12

β : IL-3, IL-5, GM-CSF

gp130 : IL-6, IL-11, LIF, OSM, CNTF, IL-27


Sotto-famiglia dei recettori dell’ematopoietina  con catena γ  in comune : IL-2, IL-4, IL-7, IL-9, IL-15, IL-12.  Si fa principalmente riferimento al recettore dell’IL-2.

CITOCH_sartor_-_sottofamiglia_catena_gamma


I recettori per IL-2 e per  IL-15 sono etero-dimeri, rappresentati da una catena α specifica della citochina e due catene,  β e γ, responsabili per la trasduzione del segnale e la ricognizione citochinica.

La catena γ del recettore dell’IL-2 funziona anche come sub-unità del segnale di trasduzione per altri recettori di questa sotto-famiglia, che sono tutti dimeri.

La malattia congenita  “X-linked severe combined immunodeficiency (XSCID)” deriva da un deficit nel gene della catena γ, che mappa per il cromosoma X. L’immunodeficienza osservata in questo disordine, che include deficit dei T linfociti e dell’ attività dei linfociti N-K, risulta dalla perdita di  tutte le funzioni citochiniche mediate dai recettori della sottofamiglia IL-2.


Il recettore per IL-2 si trova sotto tre forme. Ciascuna di queste esibisce una differente affinità per IL-2 (immagine sottostante):

-il recettore monomerico a bassa affinità IL-2Rα (CD25) (che può unirsi all’IL-2 , ma non riesce a trasdurne il segnale);

-il recettore dimerico ad intermedia affinità IL-2Rβγ (capace di trasdurre il segnale),

-il recettore trimerico ad alta affinità  IL-2Rαβγ (responsabile delle maggiori e fisiologiche  vie di segnalazione dell’ IL-2 )

CITOCH__kuby_fig_4.8_-_pagg_117

Una recente struttura alla cristallografia a raggi X di questa forma trimerica ad alta affinità del recettore per l’IL-2 assieme ad una molecola di IL-2 nel suo sito di legame rivela che IL-2 si lega in una tasca formata dalle catene β e γ .   Quando è presente la catena α, si realizzano ulteriori importanti  contatti con il ligando IL-2, registrando la più alta affinità di legame da parte del trimero.

L’espressione delle tre catene del recettore dell’IL-2 varia all’interno dei tipi cellulari e di differenti stati di attivazione.

I recettori dell’IL-2 ad affinità intermedia (βγ) sono espressi su Linfociti T e linfociti NK a riposo, mentre linfociti T e B attivati esprimono sia forme di recettore a bassa affinità (α) sia forme ad alta affinità (immagine sovrastante).

Poiché ci sono differenze di circa 10 volte tra i recettori a bassa affinità e quelli ad alta affinità sui linfociti attivati (50.000 vs 5000) , ci si deve domandare quale possa essere la funzione dei recettori a bassa affinità, e sono state avanzate due ipotesi. (ideas).

Potrebbe servire a concentrare IL-2 sulla superficie della cellula ricevente per passare al recettore ad alta affinità.

Al contrario esso può ridurre la concentrazione locale di IL-2 disponibile, assicurando che solo le cellule che manifestano i recettori ad alta affinità siano in grado di essere attivati.

Qualunque possa essere la risposta a questa domanda, la restrizione dell’espressione del recettore ad alta affinità per IL-2  per i linfociti T attivati assicurerebbe che soltanto i linfociti T CD4+ e CD8+ antigene-attivati  possano proliferare in risposta a livelli  fisiologici di IL-2.


La sotto-famiglia dei recettori dell’ematopoietina con catena  β  in comune : IL-3, IL-5, GM-CSF . Si fa principalmente riferimento al recettore della GM-CSF.

CITOCH_-_sartor_sottofamiglia_con__catena_beta_

Ciascuna di queste citochine si lega con relativamente bassa affinità ad un’unica proteina recettoriale citochino-specifica, la sub-unità α di un recettore dimerico.

Tutte e tre le sub-unità a bassa affinità si associano  non covalentemente  alla comune sub-unità β trasduttrice del segnale.

Il recettore dimerico αβ, che ne risulta, ha una maggiore affinità per la citochina rispetto alla catena α specifica da sola, ed è pure capace di trasdurre un segnale attraverso la membrana al momento del legame citochinico).

citoch_-_kuby_fig_4.9_-_pagg_119

IL-3, IL-5 e GM-CSF esibiscono attività ridondanti.

Entrambe le IL-3 e GM-CSF agiscono sulle cellule staminali emopoietiche e sulle cellule progenitrici, attivano i monociti, ed inducono la differenziazione megacariocitica, e tutte e tre inducono proliferazione eosinofila e degranulazione dei basofili con rilascio di istamina.

Siccome i recettori per IL-3, IL-5 e GM-CSF condividono una comune sub-unità β che trasduce il segnale, ci si aspetterebbe che ognuna di queste citochine trasduca un uguale segnale di attivazione, in accordo con la ridondanza vista tra i loro effetti biologici, e quindi, che tutte e tre queste citochine inducano gli stessi modelli di fosforilazione proteica al momento della attivazione cellulare.  Quando però sono introdotte simultaneamente in un coltura cellulare, IL-3 e GM-CSF appaiono essere antagoniste l’una all’altra; il legame dell’IL-3 viene inibito dalla GM-CSF e il legame della GM-CSF viene inibito dall’IL-3. Questo antagonismo è determinato dalla competizione per un limitato numero di β sub-unità disponibili ad associarsi alla sub-unità α dei recettore dimerici, sub-unità specifica delle citochine.


La sotto-famiglia dei recettori dell’ematopoietina con catena gp130 in comune:   IL-6, IL-11, LIF, OSM, CNTF, IL-27

CITOCH_-_sartor_sotofamiglia_gp_130_

L’importanza della famiglia del recettore delle citochine gp130 sullo sviluppo e sulla salute degli individui è stata sottolineata da studi di delezione mediante i quali è stato dimostrato che una rottura mirata di gp130 nei topi durante lo sviluppo embrionale era letale.

I recettori di questa famiglia includono quelli per IL-6, importante nella iniziazione delle risposte immuni, e per IL-12 , cruciale nel dare il segnale  per la differenziazione dei linfociti T helper lungo il percorso dei TH1.

Particolari frammentazioni di singoli recettori citochinici, come pure delle stesse citochine, hanno fornito molte informazioni funzionali sui segnali dei membri di questa famiglia di citochine.

La specificità citochinica della famiglia dei recettori gp130 è determinata da una ordinata  espressione della catene ligando-specifiche in dimeri o in trimeri con il componente gp130.

La famiglia dei recettori citochinici  della sub-unità gp130 viene ulteriormente divisa in recettori specifici per citochine monomeriche, come l’IL-6, e quelli che si legano a citochine dimeriche, come IL-12.


NB. la via di segnalazione JAK/STAT sarà trattata a parte in quanto utilizzata sia da questa famiglia come la successiva quella della Famiglia dell'Interferone o di classe II