Apoptosi e eccesso di rodopsina nel reticolo endoplasmatico

Figura 11. Struttura dei principali sensori dello stress nel reticolo endoplasmatico: IRE1, ATF6, PERK. Le barre arancioni rappresentano regioni sufficienti alla trasduzione del segnale di oligomerizzazione. Le barre blu rappresentano regioni di legame a BiP. Un box nero rappresenta il peptide segnale, mentre il box con strisce diagonali rappresenta le regioni di omologia tra IRE1 e PERK. Abbreviazioni: bZIP – leucine zipper, CX3C – dominio CX3CX3CX3C (pfam 02363), GLS 1 e 2 – Sequenze di localizzazione Golgi, TAD – Dominio di attivazione trascrizionale, TM – Dominio transmembrana. Le dimensioni non sono in scala. (Schröder et Kaufman, 2005)

La vita di una cellula, nel nostro caso di un fotorecettore, è regolata da equilibri molto ben definiti tra segnali di sopravvivenza e segnali di morte. Le variazioni di questo equilibrio possono rivelarsi decisive per il suo destino. Un errore nella sequenza aminoacidica di una proteina come la rodopsina, prodotta in elevatissima quantità nei fotorecettori, può diventare il punto di partenza di una serie di pathway apopotici. Le proteine appena sintetizzate risiedono nel Reticolo Endoplasmatico da cui poi vengono smistate verso le loro destinazioni cellulari, dopo il controllo del folding. Una proteina malfunzionante rimane sequestrata nel reticolo endoplasmatico, quindi un eccesso di proteine mal strutturate attiva la risposta da proteine con folding scorretto (Unfolded Protein Response). Questo tipo di risposta inizia con il riconoscimento del segnale di stress da parte di un recettore nel reticolo endoplasmatico, e prosegue con il blocco della sintesi proteica per permettere al proteasoma di eliminare l’eccesso di proteine, mentre viene stimolata la produzione di fattori di trascrizione. Essi prima permettono la sintesi di chaperones, poi preparano una eventuale risposta apoptotica. Se il proteasoma non dovesse riuscire a smaltire la proteina in eccesso, il risultato sarebbe infatti quello della morte cellulare programmata (Orrenius et al., 2003). Nel caso di un fotorecettore, la rodopsina è una proteina sintetizzata ad alto livello nei bastoncelli. Se la proteina non può assumere la sua forma corretta a causa di una mutazione, rimarrà sequestrata nel reticolo endoplasmatico, causando stress cellulare (Schröder e Kaufman, 2005).

Il segnale dello stress è di natura molecolare: un chaperone, GRP78 (glucose regulated protein), anche detto BiP (Binding Immunoglobulin Protein), presente nel reticolo endoplasmatico durante la sintesi delle proteine come visibile nella Figura 12, lega la parte luminale dei recettori per lo stress. L’affinità del legame con i recettori è comunque bassa. GRP78 è in grado di legarsi alle proteine nascenti, favorendone il folding e se è legato a un recettore ne impedisce l’attivazione: ciò significa che in caso di aumento di concentrazione delle proteine con folding scorretto nel reticolo endoplasmatico di un fotorecettore, i chaperones tenderanno a legarsi con maggiore frequenza alle proteine appena sintetizzate, e molto meno ai recettori. Come si vede nella Figura 12, la presenza di tante proteine non foldate correttamente può causare il rilascio dei GRP78: i recettori per lo stress saranno quindi liberi di attivarsi (Benjamin, 2006).

Le proteine designate per il riconoscimento dei segnali di stress provenienti dal reticolo endoplasmatico sono quelle segnalate nella Figura 11: IRE1α (Inositol Requiring Kinase 1), ATF6 (Activation of Transcription Factor 6) e PERK (PKR-like Endoplasmic Reticulum Kinase). IRE1α è una proteina transmembrana, presente nell’uomo in due isoforme, α e β: la forma α è quella generalmente presente in tutti i tessuti. L’attivazione di IRE1α avviene quando le proteine ancora in fase di folding sono presenti in numero tanto alto da impedire il legame di BiP al suo dominio luminale. L’attivazione avviene con un cambiamento conformazionale e l’oligomerizzazione. L’accoppiamento dei recettori permette una reazione di transautofosforilazione ad opera dei domini chinasici e la successiva attivazione del dominio endonucleasico, in grado di tagliare un mRNA codificante per un fattore di trascrizione. Tale fattore è chiamato XBP1 (X-box protein 1) e dal suo mRNA IRE1α excide un tratto di 26 basi: dopo la sintesi della proteina, XBP1 è in grado di entrare nel nucleo e attivare la trascrizione di geni selezionati. In Drosophila l’attivazione di XBP1 protegge i fotorecettori dallo stress da eccesso di rodopsina, (Ryoo et al., 2007).

Figura 12. La figura descrive la risposta da stress nel reticolo endoplasmatico. Il taglio proteolitico di ATF6 in risposta allo stress nel reticolo endoplasmatico conduce alla regolazione positiva della sintesi di chaperones come GRP78 (già presente nel reticolo endoplasmico) e GRP94 e del mRNA XBP1. La priorità data ai segnali dipendenti dalla proteina ATF6 precede l’intervento di XBP1 e indica un certo controllo su come i segnali di stress vengono gestiti nel reticolo endoplasmico. La figura descrive inoltre gli effetti dello stress di tipo ischemico, caratteristica peculiare alle cellule nervose, che a sua volta porta allo stress nel reticolo endoplasmatico. (Benjamin, 2006)

ATF6 è presente esclusivamente nei mammiferi ed è una proteina transmembrana. Dopo la manifestazione dello stress nel ER le proteasi S1P e S2P tagliano ATF6 liberando un fattore di trascrizione da 50 kDa che entra nel nucleo stimolando la sintesi di chaperones, che hanno il compito di ritardare il più possibile il ricorso alla fase di apoptosi. Come si vede nella Figura 12, l’azione di ATF6 tagliato produce un effetto diretto sul reticolo endoplasmatico, aumentando la sintesi anche del chaperone GRP78 (Schröder e Kaufman, 2005).

Anche il recettore PERK ha un dominio luminale omologo a quello di IRE1, come evidenziato dalle strisce oblique nella struttura di Figura 11, ma il suo dominio citosolico ha funzione differente: esso è infatti specifico per il fattore eIF2α, coinvolto nella costruzione della subunità ribosomica 80S, indispensabile per le operazioni di traduzione da mRNA a proteine. La fosforilazione di eIF2α (sul residuo Ser51) impedisce la prosecuzione normale delle operazioni di traduzione. La Figura 12 dimostra come d’altro canto eIF2α fosforilato attivi la traduzione di fattori di trascrizione come ATF4 che promuovono la sintesi di proteine che limitano lo stress ambientale, ed al tempo stesso in un meccanismo a feedback impediscono il protrarsi nel tempo dell’attenuazione della traduzione, intervenendo su eIF2α (Schröder e Kaufman, 2005).

Il risultato netto della risposta primaria di IRE1α, ATF6 e PERK è la sintesi di chaperones, e lo stallo in fase G1 delle cellule: questo avviene per permettere il refolding delle proteine in eccesso o l’eliminazione delle stesse ad opera del proteasoma. Se però per qualsiasi motivo il refolding non può avvenire o il proteasoma non è in grado di degradare tutte le proteine malfunzionanti, l’unica strada possibile per la cellula rimane quella della morte programmata (Schröder e Kaufman, 2005). In un fotorecettore la cui rodopsina è mutata succede proprio questo: la rodopsina è una proteina sintetizzata a livelli così alti che il proteasoma non riesce a degradarne una quantità adatta a fare diminuire lo stress cellulare, portando così all’apoptosi.