APRI - VULNOLOGIA
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APRI - VULNOLOGIA
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FERRARA C.A.R.I.D (CENTRO DI ATENEO PER LA RICERCA, L’INNOVAZIONE DIDATTICA E L’ISTRUZIONE A DISTANZA) e FACOLTÀ DI MEDICINA E CHIRURGIA DIPARTIMENTO DI SCIENZE CHIRURGICHE, ANESTESIOLOGICHE E RADIOLOGICHE Master Universitario in Terapia compressiva e metodiche di riparazione tissutale Unità didattica IL FATTORE XIII E LE ALTRE TRANSGLUTAMINASI di Donato Gemmati Ricercatore - Università degli Studi di Ferrara Direzione del Master Paolo Frignani Coordinamento scientifico Paolo Zamboni Coordinamento didattico Mariasilvia Accardo, Francesca Pancaldi 1 Direzione del corso: Paolo Frignani Autore: Donato Gemmati, Docente del Master, Università degli Studi di Ferrara L’edizione del presente volume costituisce parte integrante del Master in “Terapia compressiva e metodiche di riparazione tissutale”. Non è pertanto destinata a circolazione commerciale. Gennaio 2004 - C.A.R.I.D.© Via Savonarola, 27 - 44100 Ferrara Tel.: +39 0532 293439 - Fax: +39 0532 293412 E-mail: [email protected] http://carid.unife.it 2 Obiettivi QUESTA UNITÀ DIDATTICA AFFRONTERÀ: • • le capacità riparative delle transglutaminasi; il ruolo del fattore XIII nelle riparazioni tissutali. 3 IL FATTORE XIII E LE ALTRE TRANSGLUTAMINASI Le transglutaminasi (TGs) esistono in un’ampia varietà di organismi, dai batteri all’uomo (1). Sono una famiglia di enzimi coinvolti in reazioni biologiche fondamentali e probabilmente apparse precocemente nella storia dell’evoluzione. Sono conosciute almeno 8 differenti tipi di TGs: una TG plasmatica, (fattore XIII della coagulazione, FXIII), una TG tessutale (fegato, eritrociti o endotelio), le TGs cheratinocitica, epidermica, prostatica, la TG X, ed altre. Esse catalizzano la formazione di legami covalenti ε-(γ-glutamil)lisina tra proteine attraverso reazioni di cross-linking, le quali non solo potenziano le funzioni originali dei substrati proteici che subiscono tale processamento, ma aggiungono nuove proprietà ai substrati stessi. Queste reazioni vengono coinvolte in molti processi fisiologici e patologici, come l’emostasi, la guarigione delle ferite, la crescita tumorale, la formazione della cute, l’apoptosi, ed altri ancora. Di conseguenza, le reazioni di cross-linking sono tra le più importanti reazioni di modificazione post-trasduzionale conosciute, come lo sono la proteolisi, la fosforilazione, e la glicosilazione. Sebbene le TGs tessutali esistono nella maggior parte dei tessuti ed organi, la subunità A del FXIII della coagulazione (FXIIIA) è sostanzialmente limitata al plasma ed alle piastrine, la TG cheratinocitica ai cheratinociti della cute, la TG epidermica alla cute e alle cellule follicolari dei capelli, e quella prostatica alla prostata. I loro substrati variano enormemente, ma spesso coincidono tra differenti TGs. Visto che ogni TG è espressa in modo specifico nei tessuti, la loro funzione differisce ampiamente. Ad esempio, mentre il FXIII gioca un ruolo importante nell’emostasi, nella guarigione delle ferite, nel mantenimento della gravidanza, la TG cheratinocitica è essenziale per la cheratinizzazione della cute dove le reazioni di cross-linking coinvolgono proteine precursori che portano alla formazione di un involucro cellulare insolubile (2). Sebbene le funzioni in vivo della TG tessutale non sono completamente conosciute, è generalmente accettato che essa sia strettamente coinvolta nei processi di apoptosi di molti tipi cellulari (3). ♦ Struttura del FXIII e di altre transglutaminasi Il FXIII della coagulazione (fattore stabilizzante la fibrina) è una TG plasmatica che circola nel sangue sotto forma tetramerica costituita da due subunità catalitiche A e da due subunità non catalitiche B (A2B2) (4) (Fig. 1). Il FXIIIA consiste di 731 residui aminoacidici (5), mentre il FXIIIB è composto di 641 residui aminoacidici (6). Il FXIII è un proenzima e viene attivato ad opera della trombina mediante un taglio proteolitico tra Arg37-Gly38 con rilascio di un peptide di attivazione durante le fasi finali della cascata coagulativa. Il FXIIIA promuove la stabilità del coagulo attraverso la formazione di legami covalenti tra le molecole di fibrina e attraverso il cross-linking della fibrina con altre proteine compresa la fibronectina, l’α2-antiplasmina ed il collagene. Queste reazioni portano ad una aumentata forza meccanica, elasticità e resistenza alla degradazione da parte della plasmina del coagulo di fibrina, ed alla promozione della guarigione della ferita. Le TGs condividono non solo un meccanismo di reazione di base ma anche una struttura proteica comune (1). La struttura primaria delle TGs fu inizialmente stabilita nel 1986 dalla combinazione di analisi di sequenziamento degli aminoacidi e di clonaggio del cDNA del FXIII (5). Nel 1988 fu determinata la sequenza della TG tessutale del guinea-pig e l’omologia tra FXIIIA e TG tessutale fu riconosciuta per la prima volta (7). Da allora è stata determinata la sequenza aminoacidica di molte TGs, e sono state stabilite la loro omologia e le loro relazioni evoluzionali (8) (Fig. 2). B 4 HS FIIa, Ca++ HS Fibrina, Fibrinogeno + AP FATTORE FXIIIa + CARRIER FATTORE FXIII Figura 1. La trombina (FIIa) catalizza l’attivazione del FXIII. Il fattore XIII allo stato di zimogeno è un tetramero (A2B2 ) composto da due identiche subunità A e due identiche subunità B. La trombina taglia un peptide di attivazione (AP) dall’estremità NH2 terminale della catena leggera, esponendo il sito sulfidrilico attivo (HS). La completa espressione dell’attività è data dalla successiva dissociazione calcio-dipendente delle subunità B dimeriche. B HFXIII YGQCW 731aa HFbTG YGQCW 813aa HKTG YGQCW 815aa HETG Hband4.2 YGQCW YGQAW 686aa 720aa Figura 2: Omologia tra FXIIIA e le altre transglutaminasi. La struttura primaria del FXIIIA umano (hFXIII) è confrontata con altre transglutaminasi. Sono indicate la regione amino-terminale ■, la regione centrale □ e la regione carbossilica ■ di ogni molecola. Il peptide di attivazione ■ di 37 residui aa è attaccato all’estremità N-terminale del FXIIIA. YGCCW è un domonio conservato tra le transglutaminsi. La regione centrale contiene la triade catalitica (Cys, His, Asp). H: umano, Fb: fibroblasti, KTG: cheratinociti, ETG: endotelio, band4.2: banda 4.2 eritrocitica. 5 La struttura tridimensionale del FXIII è stata dimostrata da studi di microscopia elettronica, FXIIIA e FXIIIB sono rispettivamente una particella globulare e un’elica filamentosa (9). La cristallografia a raggi X dimostrò che il FXIIIA è composto da 5 distinti domini: un peptide di attivazione, un βsandwich, un core centrale e due regioni a cilindro dette barrel 1 e barrel 2 (Fig. 3) (10, 11). La porzione carbossi-terminale del FXIIIA, corrispondente ai due β-barrels, forma i domini termostabili, mentre i tre domini termolabili sono formati dal β-sandwich amino-terminale e dai domini centrali (Fig. 4) (12). È interessante sottolineare che il peptide di attivazione, dopo il taglio da parte della trombina, mantiene la stessa conformazione ed occupa la stessa posizione rispetto al resto della molecola come nella struttura dello zimogeno (11). In più il peptide di attivazione blocca l’entrata alla cavità catalitica nel dominio centrale (10, 13). Membri della famiglia delle TGs condividono anche un’organizzazione genica comune. Con qualche eccezione questi geni sono costituiti da 15 esoni interrotti da 14 introni, e le giunzioni esone/introne sono negli stessi siti nella struttura primaria. La maggiore differenza tra questi geni è nella loro rispettiva dimensione. Il gene per il FXIIIA si estende per più di 200 kb, mentre la TG cheratinocitica si estende solo per 15 kb. Le differenti dimensioni degli introni in ogni TG sono responsabili di questa differenza attribuendo quindi ad ogni TG una parte codificante più o meno simile. Il gene per il FXIIIA mappa sul cromosoma 6 in posizione p2425 (16). Il gene codificante per la TG epidermica mappa sul cromosoma 14 in posizione q11.2-13 (14, 15), mentre la TG tessutale è localizzata sul cromosoma 20 in posizione q12 (17). Infine, il gene codificante per la TG prostatica (tipo IV, TGM4) mappa sul cromosoma 3 in posizione p21.33p22 (18). Così, i loci genici per le TGs non costituiscono un cluster, ma piuttosto sono dispersi su differenti cromosomi. Figura 3. Struttura tridimensionale del FXIIIA (dimero A2). Il FXIIIA è composto di 5 domini distinti: un peptide di attivazione, un β-sandwich, un core centrale, barrel 1 e 2. 6 FXIII-A SUBUNIT POLYPEPTIDE Thrombin Activation (Arg37-Gly38) Val34Leu (G-to-T) NH2 AP Cys-His-Asp catalytic triad Cys314 His373 Asp396 ↓ ↓ ↓ Arg37 βSandwich Central domain Barrel 1 & 2 COOH Gly38 Figura 4. Taglio proteolitico del peptide di attivazione (AP) del FXIIIA da parte della trombina in posizione Arg 37Gly38. ♦ Funzioni del FXIIIA Il coinvolgimento del FXIII nella guarigione delle ferite e nella riparazione tessutale fu segnalato per la prima volta nel 1960 in un report di un paziente che presentava una anomala guarigione di ferite chirurgiche (19). In successivi reports clinici fu segnalato che circa il 15% dei pazienti con deficienza di FXIII mostravano una simile clinica (20, 21). Tuttavia, il resto dei pazienti non soffriva di scarsa guarigione delle ferite. Ci sono pochi studi sull’effetto di bassi livelli di FXIII e guarigione delle ferite, ma nel complesso essi suggeriscono da una parte che bassi livelli di FXIII nel plasma possono essere la causa di scarsa guarigione delle ferite della cute e dall’altra sottolineano l’effetto benefico del FXIII utilizzato come trattamento farmacologico topico sulla guarigione di ferite (2224). Inoltre, in alcuni casi la terapia sostitutiva correggeva una scarsa guarigione delle ferite in pazienti con carenza di FXIII (25). Altri lavori testarono l’effetto del FXIII sulla proliferazione dei fibroblasti, sulla formazione di collagene ed attacco delle cellule ai loro substrati (26, 27). Beck e colleghi (28) e Ueyama e colleghi (29) dimostrarono che nel plasma di pazienti deficienti di FXIII, la crescita dei fibroblasti embrionali era meno intensa che nel plasma di soggetti con normali livelli di FXIII. In assenza di FXIII le cellule perdevano il contatto reciproco e con la matrice, le cellule originariamente di forma allungata diventavano irregolari, e non si riscontrava produzione di fibre di collagene. L’aggiunta di plasma normale o FXIII parzialmente purificato correggeva tali difetti qualitativi e quantitativi. Fu suggerito che l’azione osservata del FXIII poteva essere attribuita al crosslinking della matrice fibrinica piuttosto che al diretto effetto della molecola sulle cellule. Fu descritto inoltre un effetto inducente la proliferazione dei fibroblasti da parte del FXIII (30), tuttavia un report con risultati contradditori fu pubblicato successivamente (31). Il FXIII si lega alla superficie del recettore putativo dei fibroblasti e successivamente la proteina viene internalizzata e degradata (32). Un altro esempio terapeutico del FXIII a scopi non emostatici è stato ben dimostrato nella formazione di tessuto proliferativo in differenti tipi di vitreoretinopatie (33, 34). Inoltre, in un modello di aneurisma cerebrale di ratto, la sommini-strazione di FXIII esogeno indusse la proliferazione di tessuto principalmente composto da cellule muscolari lisce e collagene nel punto di sviluppo di aneurisma (35). Uno dei più importanti eventi nel processo di guarigione delle ferite è l’attacco delle cellule ai loro substrati. Kasai e colleghi hanno dimostrato che l’attacco dei fibroblasti risultava più rapido ed efficiente sulla fibrina stabilizzata da parte del FXIII che sulla fibrina monomerica, e ciò promuoveva l’invasione e la proliferazione di queste cellule (36). Gli effetti sulla proliferazione dei fibroblasti, 7 tuttavia, non sono stati confermati in altri studi (31) a dimostrazione del dibattuto e non ancora chiaro ruolo che il FXIII svolge nella proliferazione e rimodellamento tessutale. Altri studi in vitro dimostrarono che il FXIII reprimeva e non stimolava la sintesi di collagene da parte dei fibroblasti. Tuttavia, i fibroblasti presenti nel gel di fibrina non stabilizzata producevano meno collagene di quelli presenti nella matrice di fibrina stabilizzata dal FXIII (31). Inoltre, l’aderenza dei fibroblasti e la migrazione delle cellule nel gel di fibrina era potenziata quando la fibronectina era incorporata alla fibrina (37, 38). In un altro studio si registrò un effetto opposto del cross-linking indotto dal FXIIIa sulla migrazione dei macrofagi in gels composti da fibronectina e fibrina (39). L’aggiunta di FXIII e fibronectina ha corretto la mancanza di attaccamento delle cellule epiteliali polmonari trasformate a monomeri di collagene di tipo I e promosso la loro adesione ai polimeri di collagene di tipo I (40). Il massimo effetto si ottenne quando FXIII, fibronectina, cellule, matrice di collagene erano presenti simultaneamente, suggerendo che il FXIII può agire sia sulla matrice che sulle cellule. Si concluse che le cellule epiteliali possono necessitare di FXIII per attaccarsi al tessuto connettivo appena formato prima della ricostruzione della membrana basale durante la riformazione dell’epitelio. Infine, un recente lavoro su colture di fibroblasti in cui la matrice cellulare veniva sperimentalmente degradata da concentrazioni crescenti di metalloproteasi ottenute da Clostridium Hystoliticum, ha dimostrato come l’effetto complessivo degradante il tessuto poteva essere rallentato e fermato utilizzando concentrazioni crescenti di FXIII-concentrato, ottenendo una rigenerazione del tessuto danneggiato (41). Il cross-linking di altre proteine adesive, substrati del FXIIIa (Tab. 1), quali vitronectina, osteopontina, trombospondina, e fattore di von Willebrand, alla fibrina e ad altri componenti della matrice del tessuto connettivo, può avere un impatto sull’attaccamento delle cellule alla matrice e sulla guarigione del tessuto danneggiato. Tabella 1 Substrati su cui il FXIIIa esercita crosslinking FIBRINA-FIBRINA FIBRINA-FIBRINOGENO FIBRINA-α2ANTIPLASMINA FIBRINA-FIBRONECTINA FIBRONECTINA-COLLAGENE FIBRINA-FATTORE di von WILLEBRAND TROMBOSPONDINA-TROMBOSPONDINA FATTORE V-ACTINA FIBRINA-ACTINA FATTORE di vonWILLEBRAND-COLLAGENE FIBRONECTINA-MIOSINA ACTINA-MIOSINA VINCULINA-FIBRINA VITRONECTINA 8 ♦ Varianti geniche (polimorfismi) del FXIIIA e loro effetti Esiste un ampio range nei livelli di FXIIIA nei soggetti normali, che non si riesce a spiegare con le normali fluttuazioni di sintesi fisiologiche. Un polimorfismo nel gene del FXIIIA (FXIII Val34Leu), strettamente associato al sito di attivazione per la trombina, indica che la presenza di una Leucina in posizione 34 al posto di una Valina ne aumenta significativamente l’attività transglutaminasica e ne altera le sue capacità di cross-linking sulla fibrina. A causa delle alterazioni che il polimorfismo trasmette alla molecola FXIII, la variante genica è risultata in numerosi studi casocontrollo un fattore di rischio per patologie emorragiche quali l’emorragia cerebrale e subcongiuntivale, ed un fattore di protezione per la malattia cardiovascolare (42-46). Inoltre, studi sulla progressione della patologia delle ulcere venose croniche hanno riconosciuto a tale variante un ruolo protettivo contro la progressione dell’ulcera stessa (47). Altri studi di biologia molecolare sulla associazione tra livelli di FXIIIA e gene, hanno rivelato che anche la variante Leu564 è associata ad aumento di attività transglutaminasica mentre la variante Phe204 è associata a più bassa attività e ad aborti ricorrenti (48, 49). Alcuni particolari genotipi associati al FXIII possono quindi riflettere attività più o meno efficienti e determinare quindi differenti situazioni predisponenti o meno verso specifiche malattie. Nell’ambito quindi di patologie multifattoriali e multigeniche come la malattia cardiovascolare o di disordini legati a complessi processi quali quello della riparazione tessutale, dove l’interazione gene-ambiente svolge un ruolo di primaria importanza, lo studio della biologia molecolare dei principali fattori coinvolti non può essere trascurato. 9 BIBLIOGRAFIA 1. Ichinose A., Bottenus R.E., Davie E.W., Structure of transglutaminases. J Biol Chem 1990; 265: 13411-4. Thromb Haemost 2001; 86: 57–65 2. Muszbek L., Yee V.C., Hevessy Z., Blood coagulation factor XIII: structure and function. Thromb Res. 1999 Jun 1; 94 (5): 271-305. 3. Candi E., Melino G., Mei G., Tarcsa E., Chung S.I., Marekov L.N., Steinert P.M., Biochemical, structural, and transglutaminase substrate properties of human loricrin, the major epidermal cornified cell envelope protein. J Biol Chem 1995; 270: 26382-90. 4. 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