Molecole solubili dell’immunità innata: dal sistema del complemento alle defensine

Nel sangue e nei fluidi extracellulari sono disperse molecole in grado di riconoscere microbi e promuovere la risposta innata. Queste molecole assicurano una difesa precoce contro i patogeni principalmente in due modi: legandosi ai microbi funzionano come opsonine, cioè favoriscono la fagocitosi da parte dei macrofagi, neutrofili e cellule dendritiche; dopo aver legato i microbi promuovono risposte infiammatorie che richiamano ulteriori fagociti nel tessuto infettato, infine possono provocare direttamente la morte del patogeno. Tra queste molecole troviamo il sistema del complemento, le pentrassine, le collectine, le ficoline e le defensine.

Sistema del complemento

Il sistema del complemento comprende numerose proteine plasmatiche prodotte dal fegato, che collaborano fra loro con il triplice scopo di opsonizzare i microbi, promuovere il reclutamento dei fagociti e, in alcuni casi, uccidere direttamente il microbo. L’attivazione del complemento consiste in una cascata proteolitica nella quale un precursore enzimatico inattivo, detto zimogeno, viene modificato per diventare una proteasi attiva che taglia la proteina successiva della cascata inducendone l’attività proteolitica. Il sistema del complemento può agire in tre vie: la via alternativa, la via classica e la via lectinica. Queste vie differiscono soltanto per le modalità attraverso cui vengono avviate.

  • La via alternativa

La via alternativa di attivazione del complemento porta alla proteolisi della frazione C3 e alla conseguente formazione del frammento C3b ce si lega covalentemente alla superficie microbica. La C3 contiene un gruppo tioesterico estremamente reattivo, ma circondato da un più largo dominio (definito dominio tioesterico) e quindi reso inaccessibile. Quando viene tagliato si formano due frammenti, il frammento C3b che espone il suo gruppo tioesterico reattivo ed il frammento C3a, più piccolo, che rientra in circolo.

Il gruppo tioesterico del frammento C3b ha la capacità di legarsi covalentemente sulla superficie dei microrganismi grazie alla presenza di gruppi aminici idrossilici presenti nelle proteine o nei polisaccaridi di superficie cellulare. Il legame del frammento C3b sulla superficie microbica induce l’esposizione di un ulteriore sito di legame per un’altra proteina plasmatica denominata fattore B. Il fattore B si lega al frammento C3b e viene clivato a opera di una serina proteasi plasmatica chiamata fattore D. Il clivaggio genera un piccolo frammento denominato Ba ed un frammento più grande chiamato Bb che rimane legato al frammento C3b.

Il complesso C3bBb rappresenta la C3 convertasi della via alternativa e la sua funzione è clivare massicciamente la frazione C3 presente nel plasma, innescando così un circuito di amplificazione che genera quantità sempre maggiori di C3b. I frammenti C3b generati dalla C3 convertasi possono legarsi alla superficie del microbo oppure legarsi alla C3 convertasi stessa portando alla formazione di un complesso contenente un frammento Bb e due frammenti C3b. Questo complesso viene definito C5 convertasi che agisce clivando la frazione C5 ed innescando le fasi terminali dell’attivazione del complemento.

  • La via classica

La via classica è avviata dal legame della frazione C1 ai domini costanti delle immunoglobuline IgG e IgM complessate all’antigene. La frazione C1 è un è un complesso proteico multimerico di grandi dimensioni composto dalle subunità C1qC1r C1s. La subunità C1q è deputata al legame con l’anticorpo mentre la C1r e C1s sono dotate di attività proteasica. La C1q è composta da 6 catene disposte radialmente, ognuna con una testa globulare e tutte connesse da uno stelo centrale. La C1q deve legare specificatamente la regione Fc dell’anticorpo ed inoltre, per innescare il processo, è necessario che il legame avvenga solo con anticorpi legati all’antigene e non circolanti.

Poiché abbia inizio l’attivazione della via classica del complemento è necessario che due o più porzioni Fc siano accessibili alla frazione C1. Le subunità C1r e C1s sono serine proteasi che nel complesso proteico C1 sono organizzate a formare un tetramero contenete due molecole di ciascuna subunità. Il legame della subunità C1q alle regione Fc delle IgG o delle IgM porta all’attivazione della subunità C1r, che cliva la subunità C1s attivandola. A sua volta, la C1s attivata va ad agire sulla componente successiva della cascata del complemento, la frazione C4, generando un frammento più piccolo C4a rilasciato nella fase fluida ed un frammento grande C4b che si legherà sulla superficie microbica.

Un’altra componente importante è la frazione C2, che si lega al frammento C4b e, a questo punto, viene clivato da C1s generando un frammento C2b solubile ed il frammento C2a che rimane fisicamente associato al frammento C4b legato sulla superficie microbica. Il complesso C4b2a rappresenta la C3 convertasi della via classica, dotata della capacità di legare e clivare la frazione C3. Nello specifico il frammento C4b lega la frazione C3 ed il frammento C2a, che ha azione proteolitica, lo cliva nelle due porzioni C3b e C3a. Da C3b la catena di reazioni e tagli sono gli stessi della via alternativa.

  • La via lectinica

La via lectinica di attivazione del complemento si innesca in modo anticorpo-indipendente a partire dall’interazione dei polisaccaridi microbici con le lectine circolanti come la lectina legante il mannosio (Mannose/mannan-Binding Lectin, MBL). Le lectine solubili fanno parte della famiglia delle collectine e da un punto di vista strutturale sono molto simili alla subunità C1q della frazione C1. La MBL si lega ai residui di mannosio dei polisaccaridi grazie a domini specifici presenti sull’estremità C-terminale che ha la capacità di riconoscere molecole di natura saccaridica.
Struttura delle proteine MBL

La MBL interagisce con le serine proteasi associate alla MBL (Mannan-Binding Lectin-Associated Serine Protease, MASP) i cui membri sono: MASP-1MASP-2 MASP-3. Le proteine MASP hanno una struttura omologa a quella delle proteasi C1r e C1s della frazione C1 e svolgono funzioni molto simili. Gli oligomeri formati da un elevato numero di MBL si associano tipicamente in MASP-1 e MASP-2. La proteina MASP-1 può formare un complesso tetramerico con MASP-2 simile a quello formato dalle subunità C1r e C1s.

Nello specifico MASP-2 rappresenta la proteasi che va a clivare le frazioni C4 C2. Gli eventi conseguenti a questa reazione sono gli identici a quelli che avvengono nella via classica.

Struttura delle proteine MBL
Figura 1: Struttura delle proteine MBL
  • Fasi terminali dell’attivazione del complemento

Le C5 convertasi generate attraverso le 3 vie, descritte in precedenza, innescano l’attivazione delle componenti terminali del sistema del complemento che portano alla formazione del Membrane Attack Complex (MAC), dotato di attività citolitica. Le C5 convertasi tagliano la frazione C5 generando il frammento C5a solubile ed il frammento C5b, che si associa invece alle altre proteine del complemento già legate alla superficie antigenica.

Le restanti componenti della cascata del complemento (C6C7C8 C9) sono strutturalmente correlate tra loro e prive di attività enzimatica. Il frammento C5b mantiene transitoriamente una conformazione strutturale capace di legare le frazioni C6C7 per formare il complesso C5b,6,7. In questa nuova configurazione, la frazione C7 (che è idrofobica) si inserisce all’interno della membrana cellulare ed agisce da recettore per la frazione C8.

La frazione C8 possiede domini in grado di legare il complesso C5b,6,7 e di inserirsi in membrana cellulare, in questo modo si formerà il complesso C5b,6,7,8 (più brevemente C5b-8) altamente stabile ma con limitata capacità citolitica. La formazione del MAC richiede un’ulteriore componente del sistema del complemento che è la frazione C9. Quest’ultima tende a polimerizzare in il complesso C5b-8 per formare pori nella membrana plasmatica.

Questi pori permettono alle molecole di acqua e agli ioni di penetrare liberamente nella cellula e causare uno shock osmotico che porterà alla lisi del microbo.

Formazione del Membrane Attack Complex (MAC) sulla superficie del microbo.
Figura 3: Formazione del Membrane Attack Complex (MAC) sulla superficie del microbo.
  • I frammenti C3a, C4a e C5a

frammenti C3a, C4a e C5a inducono un’infiammazione acuta agendo su mastociti, neutrofili e cellule endoteliali. Questi frammenti vengono anche definiti anafilotossine. Questi tre frammenti si legano ai mastociti mediante recettori specifici, presenti sulla membrana di quest’ultimi, ed inducono la degranulazione con conseguente rilascio di mediatori vasoattivi come l’istamina. I frammenti C3a e C5a agiscono come agenti chemotattici per i neutrofili ed, inoltre, C5a agisce sulle cellule endoteliali aumentando la permeabilità vascolare.

Le pentrassine

Molte proteine plasmatiche che riconoscono strutture microbiche e partecipano all’immunità innata appartengono alla famiglia delle pentrassine, un gruppo di proteine pentameriche. Membri importanti di questa famiglia sono le pentrassine corte, quali la proteina C reattiva (PCR) e la sieroamiloide P (SAP), e la pentrassina lunga PTX3.

Sia PCR che SAP si legano a molecole di superficie di funghi e batteri. Queste proteine riconoscono come ligandi rispettivamente la fosforilcolina e la fosfatidiletanolamina. PCR, SAP e PTX3 attivano tutte il sistema del complemento legandosi alla frazione C1q ed avviando la via classica.

La produzione di PCR e SAP è indotta dalle citochine pro-infiammatorie IL-6 ed IL-1 prodotte dai fagociti durante l’infiammazione che, una volta giunte nel fegato, vengono recepite dagli epatociti che produrranno queste due pentrassine corte ed altre proteine. Questi prodotti derivanti dagli epatociti prendono il nome di proteine di fase acuta.

PTX3 è invece prodotta da molti tipi cellulari, incluse le cellule dendritiche, le cellule endoteliali ed i macrofagi. Non è una proteina di fase acuta ma riconosce diverse molecole espresse da funghibatteri Gram-positivi e Gram-negativi, virus e cellule apoptotiche.

Le collectine

Le collectine sono una famiglia di proteine trimeriche o esameriche. Ciascuna subunità contiene un dominio simile al collageno collegato tramite una regione colletto a un dominio lectinico che lega i carboidrati in modo calcio-dipendente. Tra i membri di questa famiglia troviamo la MBL e le proteine surfattanti polmonari SP-A SP-D.

  • La lectina legante il mannosio (MBL)

La lectina legante il mannosio (Mannose Binding Lectin, MBL) lega carboidrati che presentano mannosi e fucosi terminali. Essa può funzionare anche da opsonina legandosi ai microbi e facilitandone la fagocitosi. Inoltre, come già visto in precedenza, la MBL è in grado di attivare il sistema del complemento tramite la via classica.

  • Le proteine surfattanti polmonari

SP-A (Surfactant Proteina A) e SP-D (Surfactant Protein D) sono collectine con proprietà lipofiliche comuni ad altri surfattanti e si trovano negli alveoli polmonari. Le loro funzioni principali sono il mantenimento della capacità di espansione polmonare e le risposte immunitarie locali. Queste si legano a vari microrganismi e fungono da opsonine, facilitando l’ingestione da parte dei macrofagi alveolari.

 Struttura e funzione delle collectine.
Figura 4: Struttura e funzione delle collectine.

Le ficoline

Le ficoline sono proteine plasmatiche strutturalmente simili alle collectine, con un dominio collageno simile, ma al posto del dominio lectinico hanno un dominio di riconoscimento dei carboidrati fibrinogeno-simile. Queste proteine legano ed opsonizzano tipi batterici diversi e attivano il complemento in modo simile alle MBL. I legami molecolari delle ficoline sono la N-acetilglucosammina l’acido lipoteicoico, componenti della parete dei batteri Gram-positivi.

Le defensine

Le defensine sono piccoli peptidi lunghi 29-34 aminoacidi. Questi peptidi contengono regioni cationiche idrofobiche e 3 legami disolfurici intracatena. Le due famiglie di defensine umane, chiamate α e β, si distinguono per la posizione dei tre legami disolfurici.

Struttura e funzione delle defensine.
Figura 5: Struttura e funzione delle defensine.

Le defensine sono prodotte dalle cellule epiteliali mucosali, dai leucociti polimorfonucleati, dalle cellule NK, e dai linfociti T citotossici. Alcune defensine vengono espresse costitutivamente mentre altre vengono prodotte solo sotto stimoli infiammatori. Le azioni protettive delle defensine includono la tossicità diretta verso i microbi, questo avviene grazie alla capacità di questi piccoli peptidi di inserirsi nelle membrane cellulari microbiche, formando dei pori che inducono una perdita della permeabilità cellulare con conseguente shock osmotico.

Figura 6: Abul K. Abbas, ottava edizione, Immunologia cellulare e molecolare, pagina 59. Riadattata.

 

Fonte: Abul K. Abbas, ottava edizione, Immunologia cellulare e molecolare, edra

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