FC Strumenti ed Evidenze - n°1 Marzo 2011

TRIMESTRALE SCIENTIFICO

Anno V - n. 1, Marzo 2011

Guest EditorLuigi MaiuriUniversità degli Studi di FoggiaIstituto Europeo per la Ricerca in Fibrosi Cistica (IERFC), c/o Istituto Scientifico San Raffaele, Milano

con la collaborazione di: BM Assael, Verona

La risposta infiammatoria nella fibrosi cistica

IL PROBLEMAUno degli aspetti più riconosciuti nella fibrosi cistica è una tendenza costitutiva verso uno stato “proin-

fiammatorio” che conduce a un’abnorme risposta infiammatoria agli stimoli infettivi. Per quanto

riguarda la patogenesi del danno bronchiale, all’infiammazione viene attribuito un ruolo cruciale,

tanto che il suo trattamento farmacologico rappresenta un cardine della terapia di mantenimento.

Esistono prove dell’utilità di terapie antinfiammatorie. Gli steroidi si sono dimostrati clinicamente utili,

anche se il loro uso è limitato dagli eventi avversi, l’ibuprofene è da molti sostenuto come terapia di

base cronica, infine, il meccanismo protettivo dell’azitromicina trova probabilmente motivo anche nel

controllo di alcune risposte infiammatorie della cellula epiteliale bronchiale (Dinwiddie R, 2005).

Capire a fondo il meccanismo della risposta infiammatoria nella fibrosi cistica è una sfida sia per com-

prendere la biologia cellulare della malattia, sia per approntare nuove strategie terapeutiche.

In questo numero discuteremo dati recenti che confermano il ruolo dell’infiammazione, aprono nuove

prospettive per capirne il nesso col difetto genetico stesso e, forse, la strada a nuove terapie. Parlere-

mo di meccanismi che riguardano aspetti fondamentali di biologia cellulare la cui comprensione ha

portato a più di un premio Nobel per la chimica o la medicina con prospettive di impiego per malattie

come il morbo di Alzheimer, il cancro, l’Huntington, ma, ora, anche per la fibrosi cistica.

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Le prove e i meccanismi dell’aumentata risposta infiammatorianella fibrosi cistica

Nuovi meccanismi legati all’infiammazione e il loro ruolo nella fibrosi cistica

Infiammazione e transglutaminasi tissutale nella fibrosi cistica

Autofagia e infiammazione nella fibrosi cistica

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Anno V, N. 1 - Marzo 2011

Periodico trimestrale a carattere scientificoRegistrazione Tribunale di Milano n. 341 del 28/05/2007

EditoreSINERGIE Edizioni Scientifiche S.r.l.Via la Spezia, 1 - 20143 MilanoTel./Fax 02 58118054E-mail: [email protected]

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Direttore responsabileMauro Rissa

RedazioneSinergie Edizioni Scientifiche S.r.l.

Guest EditorLuigi MaiuriUniversità degli Studi di FoggiaIstituto Europeo per la Ricerca in Fibrosi Cistica (IERFC), c/o Istituto Scientifico San Raffaele, Milano

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StampaGalli Thierry Stampa S.r.l.Via Caviglia, 3 - 20139 Milano

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FC Strumenti ed evidenze è una rivista monografica, trimestrale, dedicata al mondo della fibrosi cistica.Essa si prefigge di trattare argomenti solitamente “meno battuti” dal mondo medico e di offrire, quindi,un contributo originale a chi si occupa della cura dei pazienti o dell’organizzazione dell’assistenza.

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La rivista contiene articoli elaborati internamente dalla redazione con il contributo di esperti del settore, alivello nazionale ed internazionale.

Ogni numero viene curato da un Guest editor che ne garantisce la validità scientifica e la completezza.

L’editore sarà lieto di accogliere proposte ed eventuali contributi per la redazione di numeri monograficiche verranno valutati dalla redazione.

Sono anche accettati contributi di esperti che vogliano proporsi come Guest editor di una monografia.

Le proposte possono essere inviate a [email protected]

Pubblicazione con l’egida della

Finito di stampare nel mese di Febbraio 2011


Anno V - n. 1, 2011

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si proteica) permette di mantenere le proteine in stati

funzionali o di dirigere verso la distruzione le protei-

ne che i sistemi di controllo riconoscono come altera-

te. Le proteine sono sottoposte a diversi controlli. Un

sistema di degradazione delle proteine alterate è

situato a livello del reticolo endoplasmico (ERAD =

Endoplasmic reticulum Associated Degradation) e,

quando ne riconosca una non conforme, la sottopone

a “ubiquitinazione” e la trasloca nel citoplasma per-

ché sia distrutta dal sistema ubiquitina-proteasoma

(UPS). Alcune proteine riescono tuttavia a superare

l’ostacolo e, pur alterate, arrivare alla membrana cel-

lulare. Qui è attivo un secondo sistema che le condu-

ce verso una degradazione lisosomiale (Okiyoneda T

et al., 2010).

Numerosi sono gli studi in vitro, ex vivo e in vivo che

hanno correlato il deficit funzionale di CFTR alla disre-

golazione della risposta infiammatoria, anche se nella

maggior parte dei casi essi riguardano in maniera

specifica la mutazione F508del.

Questa mutazione provoca un difettoso processamento

della proteina nel reticolo endoplasmico da cui essa non

riesce ad uscire per raggiungere la membrana plasmati-

ca provocando un ingolfamento del reticolo stesso. Non

superando i controlli di qualità previsti dai meccanismi

cellulari, CFTR F508del viene dirottata verso la degrada-

zione attraverso il sistema ubiquitin-proteasoma.

La mutazione F508del provoca una instabilità della

proteina CFTR che ne altera la struttura terziaria

(misfolding). Il sistema di proteostasi (o dell’omeosta-

Le prove e i meccanismi dell’aumentata risposta infiammatoria nella fibrosi cistica

Il recettore Peroxisome proliferator-activated receptor gamma (o PPARγ), anche conosciuto come il recettore

del glitazone o NR1C3, è un recettore nucleare di secondo tipo che, nella specie umana, è codificato dal gene

PPARγ. Esso regola il deposito degli acidi grassi e il metabolismo del glucosio. Molti farmaci usati nel trattamen-

to del diabete agiscono su PPARγ per ridurre la glicemia senza aumentare la secrezione di insulina. I geni attiva-

ti da PPARγ stimolano la lipogenesi nel tessuto adiposo. Topi knock-out per PPARγ non riescono a generare tes-

suto adiposo nonostante diete ad alto regime lipidico. Fra le sue numerose funzioni PPARγ entra anche nel con-

trollo della risposta infiammatoria in vari tipi di cellule. Per esempio, è dimostrato che livelli bassi di PPARγ pro-

vocano l'aumento di rilascio di citochine infiammatorie nell'epitelio respiratorio. Il trattamento con i ligandi di

PPARγ inibisce la produzione di molecole pro-infiammatorie quali TNF-α, IL-1β e IL-6 attraverso l'interazione con

fattori trascrizionali come NF-kB, AP-1 e STAT-1. Queste proprietà antinfiammatorie possono essere clinicamente

rilevanti, come suggerito dalla efficacia terapeutica di farmaci che agiscono su PPARγ in malattie infiammatorie

croniche intestinali, artrite reumatoide e psoriasi.


Anno V - n. 1, 2011

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Perez A, Issler AC, Cotton CU, Kelley TJ, Verkman AS, and Davis PB. CFTR inhibition mimics the cystic fibro-

sis inflammatory profile. Am. J. Physiol. 2007; 292: L383-L395.

dopo la stimolazione con Pseudomonas, diminuisce di

quattro volte l’espressione di Smad3, eleva l’espressione

di RhoA e induce la traslocazione di NFkB dopo stimo-

lazione con TNFα/IL-1β. Il modello è interessante per-

ché selettivo. Infatti, CFTRinh-172 non ha effetto sull’at-

tività del canale epiteliale del sodio (ENaC) al quale

viene attribuito un ruolo nella patogenesi del danno

respiratorio. Pertanto, nonostante non sia da escludere

che CFTRinh-172 possa impattare su altre funzioni cel-

lulari, la inibizione del canale del cloro induce un feno-

Il lavoro di Perez et al. è solo uno dei più recenti che

confermano, a livello sperimentale, il ruolo di CFTR

nella genesi di un processo infiammatorio. Il modello

sperimentale adottato permette di esplorare diretta-

mente il ruolo di CFTR. Cellule epiteliali respiratorie

ottenute da persone sane vengono fatte crescere in

vitro e sottoposte, per 3-5 giorni, all’azione di un agen-

te farmacologico che inibisce la funzione di canale di

CFTR (CFTRinh-172). Ciò provoca un aumento della

secrezione di interleuchina 8 sia in condizioni basali che

(Tirouvanziam R et al., 2000). Queste prove riguar-

dano la cellula CF in condizioni di base, cioè non

esposta a stimuli infiammatori.

Vi sono poi numerose prove che mutazioni di CFTR

modifichino il signalling di mediatori antiinfiammato-

ri in risposta a stimoli batterici o infiammatori (Kelley

TJ et al., 2001), e provochino una esagerata risposta a

stimoli ipertonici (Karp CL et al., 2004). Da tempo si sa

che l’inoculazione intratracheale di Pseudomonas

aeruginosa in topi CFTR-/- induce una aumentata

risposta infiammatoria (Heeckeren A et al., 1997)

Inoltre topi omozigoti per la DF508 presentano un

fenotipo infiammatorio polmonare in assenza di sti-

molazione batterica.

L’ingolfamento all’interno del sistema reticolo

endoplasmico è considerato uno dei fattori scate-

nanti di stress del reticolo endoplasmico (detto ER

stress) che contribuisce all'infiammazione provo-

cando un’aumentata traslocazione del fattore tra-

scrizionale NFkB che viene “liberato” dalla sua sede

citoplasmatica e trasloca nel nucleo dove induce la

sintesi di interleuchina 8 (DiMango E etal., 1998). La

traslocazione di NFkB avviene dopo separazione dal

fattore inibente IkB (Venkatakrishnan A et al.,

2000). Graft tracheali ottenuti da feti umani affetti

da fibrosi cistica e abortiti sviluppano spontanea-

mente infiammazione in assenza di infezione e

rispondono in maniera eccessiva a stimoli batterici

L’Ubiquitina è una piccola proteina regolatoria presente in quasi tutti i tessuti (per questo ubiquitaria) degli orga-

nismi eucarioti. Fra le sue funzioni vi è quella di dirigere le proteine verso il processo di riciclaggio. L’ubiquitina

si lega alle proteine segnalandole per essere distrutte. L’ubiquitina dirige le proteine al proteasoma che degrada

e ricicla le proteine inutili o non conformi al controllo di qualità messo in atto dalla cellula. Questa scoperta ha

meritato il premio Nobel nel 2004.


Anno V - n. 1, 2011

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Perez A, van Heeckeren AM, Nichols D, Gupta S, Eastman JF, Davis PB. Peroxisome proliferator-activa-

ted receptor gamma in cystic fibrosis lung epithelium. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 2008; 295:

L303-L313.

stato condotto in linee cellulari CF esposte a

Pseudomonas aeruginosa e in animali sottoposti a

trattamenti con farmaci che aumentano le quantità di

PPARγ. In vitro, gli agonisti di PPARγ si dimostrano in

grado di ridurre la produzione di IL8 e di metallopro-

teinasi-9 in risposta a stimoli infiammatori. Risultati

simili sono ottenuti nel modello in vivo.

Le cellule respiratorie CF rispondono a uno stimolo

infiammatorio con un aumento di attivazione del fat-

tore trascrizionale NFkB. PPARγ in condizioni normali

inibisce l’attività di NFkB, ma nella fibrosi cistica si

dimostra che i suoi livelli sono bassi. Ligandi di PPARγ

in grado di potenziarne l’attività potrebbero rivelarsi

farmacologicamente interessanti. Questo studio è

Harmon GS, Dumlao DS, Ng DT, Barrett KE,

Dennis EA, Dong H, Glass CK. Pharmacological

correction of a defect in PPAR-gamma signa-

ling ameliorates disease severity in Cftr-defi-

cient mice. Nat Med. 2010;16:313-8.

Questo lavoro individua il ruolo di PPARγ a livello inte-

stinale nell’animale CFTR-/-. Il trattamento con il rosi-

glitazone, ligante di PPARγ, non dotato di attività sul

canale del cloro a livello del colon, riduce lo stato

infiammatorio, previene l’occlusione intestinale che

caratteristicamente insorge poco dopo la nascita in

questi animali (equivalente di ileo da meconio) e

aumenta la sopravvivenza dei topi CFTR-/- natural-

mente gravati da elevata mortalità nei primi giorni di

vita per ostruzione intestinale (Figura 1).

Figura 1. Curve di sopravvivenza di topi CFTR-/- trattati con rosiglitazone (Ro) o con la dieta GoLYTELY necessaria per evitare l’occlusione intestinale nel topo CF o con sola acqua. (da Harmon et al 2010). Il lavoro dimostra che l’effetto del farmaco si esplica attraverso l’attivazione di PPARγ.

1.00

0.75

0.50

0.25

0

Surv

ival

Time (d)2 201816141210864

GoLYTELYH20 + RoH20

*

NS

di superficie abnorme, alla viscosità delle secrezioni o

al ruolo di altri canali o all’infezione. Inoltre, l’inibizio-

ne di CFTR mediante CFTRinh-172 interferisce su altri

parametri correlati alla risposta infiammatoria quali i

livelli di Transglutaminasi 2 (TG2) (Luiciani A et al.,

2009; Luciani et al., 2010), come riportato in seguito.

tipo “CF” in quanto a risposta infiammatoria. La rimo-

zione dell’inibitore ripristina le condizioni normali.

Questa è la dimostrazione più diretta che abbiamo

oggi per sostenere un legame diretto fra canale del

cloro CFTR e infiammazione per sostenere che l’infiam-

mazione non è secondaria alla formazione di un liquido


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Nuovi meccanismi legati all’infiammazione e il lororuolo nella fibrosi cistica

Vandivier RW, Richens TR, Horstmann SA, deCathelineau AM, Ghosh M, Reynolds SD, Xiao YQ, Riches

DW, Plumb J, Vachon E, Downey GP, Henson PM. Dysfunctional cystic fibrosis transmembrane conduc-

tance regulator inhibits phagocytosis of apoptotic cells with proinflammatory consequences. Am J

Physiol Lung Cell Mol Physiol. 2009; 297: L677-86.

rimosse prima di andare incontro a necrosi postapop-

totica e perché il riconoscimento della fosfatidilserina

induce il rilascio di mediatori antinfiammatori come il

TGF-1. Questi segnali sopprimono la sintesi di IL8 e di

altri mediatori dell’infiammazione che hanno un ruolo

cruciale nella patogenesi del danno nella fibrosi cisti-

ca. Inoltre, l’efferocitosi provoca il rilascio di fattori di

crescita e di antiproteasi che hanno un ruolo nella

riparazione del tessuto e contrastano lo sbilanciamen-

to proteasi-antiproteasi (Vandivier RW et al., 2006;

Henson PM et al., 2001) Uno dei principali risultati di

questo lavoro è di avere accertato che la disfunzione

di CFTR aumenta la concentrazione della proteina

RhoA, proteina che inibisce il meccanismo dell’effero-

citosi.

L’efferocitosi è il processo attraverso cui le cellule

apoptotiche sono fagocitate. Si tratta di una

macropinocitosi intrinsecamente connessa alla

regolazione della risposta infiammatoria (Henson

PM et al., 2001). Nel fenomeno dell’efferocitosi

sono coinvolte varie molecole alcune, come la

fosfatidil-serina, compaiono sulla cellula in apop-

tosi e la rendono riconoscibile, altre sono presenti

sulle cellule effettrici e permettono loro di ricono-

scere una cellula in apoptosi.

Già nel 2002, Vandivier et al (Vandivier RW et al.,

2002) avevano dimostrato che la clearance delle cel-

lule apoptotiche era sregolato nella fibrosi cistica.

L’efferocitosi deve essere considerato un fenomeno

antinfiammatorio, perché le cellule che muoiono sono

Andersson C, Zaman Munir M, Jones AB, Freedman SD. Alterations in immune response and PPAR/LXR

regulation in cystic fibrosis macrophages. J Cyst Fibros. 2007;7:68-78.

to con DHA, infatti, eleva i livelli di PPARγ per un mecca-

nismo non ancora chiarito e riduce la risposta infiamma-

toria dei macrofagi “CF” esposti a lipopolisaccaride.

Questo lavoro è importante perché stabilisce un punto di

contatto fra il metabolismo degli acidi grassi e l’infiam-

mazione PPARγ mediata nella fibrosi cistica. Il trattamen-


Anno V - n. 1, 2011

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via RhoA/Rho chinasi potrebbero portare a un con-

trollo di questo processo a livello polmonare. Le sta-

tine possiedono questi effetti e migliorano l’efferoci-

tosi, sopprimendo l’infiammazione. Inoltre gli agoni-

sti di PPARγ, i macrolidi e i glucocorticoidi sono anche

in grado di stimolare l’efferocitosi, sopprimono l’in-

fiammazione e hanno un ruolo chiaro nel trattamen-

to della fibrosi cistica.

Le vie che regolano apoptosi e efferocitosi sono

complesse, molte certamente non ancora chiarite.

Resta interessante la costatazione di una efferocito-

si non adeguata e di un accumulo di cellule apopo-

totiche nella fibrosi cistica, il che potrebbe prelude-

re a nuove terapie specie se si dimostrasse che l’ef-

ferocitosi non fosse solo ridotta anche nelle cellule

epiteliali respiratorie. Farmaci in grado di bloccare la

Infiammazione e transglutaminasitissutale nella fibrosi cistica

pioni di tessuti di pazienti con fibrosi cistica è notevol-

mente ridotta. Inoltre, PPARγ è prevalentemente loca-

lizzato in zone perinucleari di cellule CF il che è indica-

tivo della sua presenza in “aggresomi”, formazioni

derivanti dall’accumulo di proteine ubiquitinate o con-

seguenti a una ridotta funzione del proteasoma

(Kopito RR, 2000) e ciò comporta un sequestro della

proteina con riduzione della sua forma solubile. La for-

mazione di aggresomi è comune a varie patologie

Uno degli obiettivi di questa ricerca era di capire i mec-

canismi attraverso cui PPARγ svolge un ruolo antin-

fiammatorio. Questa molecola, come abbiamo già

visto, svolge un ruolo cruciale come regolatore della

risposta infiammatoria in varie condizioni patologiche

ed è in grado di inibire in maniera specifica la sintesi

di proteine proinfiammatorie come TNF-α, IL-6, IL-1β,

la via NF-kB e di modulare lo stress (Bailey ST et al.,

2005). Come già noto, l’espressione di PPARγ in cam-

Maiuri L, Luciani A, Giardino I, Raia V, Villella VR, D’Apolito M, Pettoello-Mantovani M, Guido S, Ciacci

C, Cimmino M, Cexus ON, Londei M, Quaratino S. Tissue transglutaminase activation modulates

inflammation in cystic fibrosis via PPARgamma down-regulation. J Immunol. 2008; 180: 7697-705.

I proteasomi sono complessi composti da proteasi la cui funzione è di degradare, attraverso un processo di pro-

teolisi, proteine non più utili o danneggiate. Per esempio proteine misfolded, come la F508del, non superando il

processo di controllo di qualità, vengono ubiquitinate e degradate nel proteasoma (Sistema ubiquitin-proteaso-

ma). In alcuni casi, il proteasoma libera proteine biologicamente attive. Ciò avviene, per esempio, per il comples-

so NF-kB, presente in forma di complesso inattivo assieme al fattore IKB, la cui ubiquitinazione e degradazione

libera NF-kB che migra nel nucleo in forma attiva attivando geni della risposta infiammatoria.


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La controprova sperimentale è stata ottenuta in cellu-

le non CF in cui l’inibizione della proteina CFTR con

CFTR inh172 è in grado di riprodurre sia l'aumento di

ROS che l'aumento di TG2 e di ridurre i livelli di PPARγ.

Esiste, quindi, una continuità fra il lavoro di Perez et al.,

più sopra citato, e questo lavoro di Maiuri e coll. Nel

modello di Maiuri e coll la proteina TG2 svolge un ruolo

cruciale, aprendo la possibilità che manovre terapeuti-

che volte a limitarne l’aumento abbiano un ruolo nel

controllo dei meccanismi infiammatori nella fibrosi

cistica, come peraltro dimostrato in altre malattie dove

sono in gioco gli stessi meccanismi.

come la malattia di Huntington e il Parkinson. Proprio

in queste malattie l’aggregazione delle molecole pato-

logiche conseguenti al difetto genetico (nel Parkinson

la α-synucleina) è stata messa in rapporto all’aumen-

to della proteina TG2 (transglutaminasi tissutale) pro-

teina pleiotropica trovata aumentata in molti tessuti in

condizioni infiammatorie. La TG2 svolge differenti fun-

zioni biologiche a seconda dell’ambiente in cui opera

e della sua localizzazione intracellulare e in presenza

di elevati livelli di Calcio intracellulari induce cross-lin-

king di proteine substrato.

Era quindi lecito chiedersi se TG2 avesse un ruolo

anche nella fibrosi cistica, cosa che viene confermata

mostrandone l’aumento sia in termini di quantità di

proteina che di attività enzimatica (Figura 2). Gli auto-

ri hanno poi dimostrato che esiste un rapporto diretto

fra aumento di TG2 e formazione di aggregati di PPARγ

con sequestro nell’aggresoma. Infine, hanno potuto

dimostrare che l’inibizione specifica di TG2 nelle cellu-

le CF induce la traslocazione nucleare di PPARγ e ridu-

ce la risposta infiammatoria delle cellule.

Restava da spiegare il meccanismo dell’aumentata

attività di TG2. Gli esperimenti condotti dimostrano che

ciò dipende sia da un’aumentata concentrazione di

calcio intracellulare (evento peraltro già descritto nella

fibrosi cistica) che dalla presenza di ossigeno reattivo

(ROS=reactive oxygen species), altra caratteristica pre-

cipua della biologia cellulare della fibrosi cistica.

Figura 2. La figura mostra la diversa intensità di colorazione per la TG2 in tessuto proveniente da paziente con fibrosi cistica e in tessuto da paziente di controllo. (da Maiuri et al., J Immunol 2008)

CFCo

ntro

l

TG2 protein TG2 activity Merge

Nasal polyp mucosa

Le Small Ubiquitin-like Modifier o SUMO proteins sono una famiglia di piccole proteine che si attaccano in modo

covalente ad altre proteine per modificarne la funzione. Per SUMOylation si intende una modificazione di pro-

teine a livello post-traslazionale presente in diversi processi cellulari come il trasporto nucleo-citosolico, l’apopto-

si, la stabilità proteica e la progressione del ciclo cellulare. Le SUMO proteins sono simili all’ubiquitina e la

SUMOylation viene diretta da una cascata enzimatica analoga a quella dell’ubiquitinazione. Contrariamente

all’ubiquitina, le SUMO non segnalano le proteine per la degradazione.


Anno V - n. 1, 2011

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Luciani A, Villella VR, Vasaturo A, Giardino I, Raia V, Pettoello-Mantovani M, D’Apolito M, Guido S,

Leal T, Quaratino S, Maiuri L. SUMOylation of tissue transglutaminase as link between oxidative stress

and inflammation. J Immunol. 2009; 183: 2775-84.

strano ulteriormente che l’aumento di TG2 è diretta-

mente responsabile della riduzione dei livelli di PPARγ.

I meccanismi chiariti da una complessa serie di esperi-

menti sono riassunti nella Figura 3.

L’aumento di livelli intracellulari di ROS è responsabile

della SUMOilazione di TG2, inibendone la ubiquitinazio-

ne e la degradazione nel proteasoma. TG2 induce cross-

Questo secondo lavoro dello stesso gruppo prosegue

nella stessa linea e si propone di individuare i mecca-

nismi che portano a un aumentato livello di TG2.

L’ipotesi di partenza è che l’aumentata attività di TG2

dipenda da una SUMOilazione della molecola che ne

impedisce l’ubiquitinazione. Questa ipotesi viene con-

fermata attraverso una serie di esperimenti che dimo-

Figura 3. Rappresentazione schematica dei meccanismi che conducono ad elevati livelli di TG2 e sequestro di PPARγ nella Fibrosi Cistica.La presenza di elevate concentrazioni di specie di ossigeno reattivo favorisce la SUMOilazione della transglutaminasi tissutale (TG2) attraverso un processo che coinvolge PIASy. Viene quindi inibita l’ubiquitinazione di TG2 e la sua degradazione nel proteasoma.Quindi aumentano le concentrazioni di TG2 che favorisce l’ubiquitinazione e degradazione di PPARγ. La ridotta concentrazione di PPARγ ne riduce l’effetto antinfiammatorio. (da Luciani et al, J Immunol 2009)

PIASy

SUMO

TG2

TG2 SUMO-TG2

Ub-TG2

Ub

Proteasomedegradation

PPARγ

PPARγ

degradation

cross-linking

High TG2levels

ROS

CFTR

TG2

TG2

In biologia cellulare l’autofagia è un processo che comporta la degradazione di componenti della cellula stessa

attraverso i lisosomi. Si tratta di un processo strettamente regolato che ha un ruolo importante nella crescita cel-

lulare, nello sviluppo e nell’omeostasi permettendo di mantenere un equilibrio fra sintesi, degradazione e rici-

claggio di prodotti cellulari.


Anno V - n. 1, 2011

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Beclin-1 è una proteina codificata dal gene BECN1 un gene relato all’autofagia (Atg6). Beclin-1 interagisce con la

sua partner phosphoinositide 3-kinase (PI3K), Vps34, e con altre molecole del complesso PI3K III per iniziare la

formazione dell’autofagosoma nel processo di autofagia.

Luciani A, Villella VR, Esposito S, Brunetti-Pierri N, Medina D, Settembre C, Gavina M, Pulze L,

Giardino I, Pettoello-Mantovani M, D’Apolito M, Guido S, Masliah E, Spencer B, Quaratino S, Raia V,

Ballabio A, Maiuri L. Defective CFTR induces aggresome formation and lung inflammation in cystic

fibrosis through ROS-mediated autophagy inhibition. Nat Cell Biol. 2010; 12: 863-75.

mente nocivi. Fra le varie forme di autofagia, la macro-

autofagia è quella di maggiore rilievo durante la quale si

formano vescicole a doppia membrana, dette autofago-

somi, che sequestrano organelli, proteine o frazioni cito-

plasmatiche e, attraverso un meccanismo complesso

regolato da oltre 30 geni, trasportano questo materiale

ai lisosomi per la degradazione. Pertanto l’autofagia

integra i processi degradativi del proteasoma che non

può degradare molecole aggregate, organelli o frazioni

citoplasmatiche. Il bilanciamento di questi processi

garantisce l’equilibrio cellulare.

Una alterazione del processo di autofagia è riscontra-

Questo studio descrive un meccanismo del tutto nuovo

nel complesso quadro di disregolazione della fisiologia

della cellula epiteliale CF e dell'impatto sui meccanismi

di regolazione dell’infiammazione. Il lavoro affronta il

problema della difettosa autofagia nelle cellule CF.

L’autofagia è uno dei meccanismi citoprotettivi che le

cellule adottano per la degradazione di proteine e di

organelli intracellulari per garantire l’omeostasi cellulare.

L’autofagia può essere stimolata da molteplici forme di

stress, quali ad esempio lo stress ossidativo, l’ipossia, o

carenza di nutrienti per consentire alla cellula di adatta-

re il suo metabolismo e proteggersi da fattori potenzial-

Maiuri, attribuisce molta importanza al particolare

ambiente ossidativo della cellula FC. Da una parte, esso

sembra direttamente dipendere dalla ridotta funzione

del canale del cloro, dall’altra esso induce un aumento

posttrascrizionale di TG2 che, a sua volta, riduce la pre-

senza del recettore PPAΡγ, e di conseguenza le sue fun-

zioni antinfiammatorie, aumenta l'ubiquitinazione di

IkBα e libera NFkB.

linking di PPARγ e ne favorisce la ubiquitinazione e

degradazione. Infine, TG2 induce la degradazione pro-

teasomica di IkBα fattore di cui abbiamo già descritto

la funzione di modulazione di NFkB. Ne consegue la

traslocazione di NFkB nel nucleo con aumento della

attivià infiammatoria per attivazione dei geni che NFkB

controlla.

In definitiva, l’asse dell’ipotesi formulata dal gruppo di

Autofagia e infiammazione nella fibrosi cistica


Anno V - n. 1, 2011

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mento dei ROS e della TG2, induce sequestro in aggre-

somi della proteina beclin 1, cruciale per la formazio-

ne degli autofagosomi. Ciò induce un spiazzamento di

tutto il complesso PI3K III, il cosidetto “interattoma” di

beclin 1, fuori dal Reticolo Endoplasmico in cui la sua

attività è richiesta per l’inizio del processo di autofa-

gia. L’inibizione dell’autofagia, a sua volta, innesca un

circolo vizioso che aumenta ulteriormente i livelli di

ROS, verosimilmente per la permanenza nella cellula

to in diverse malattie umane, quali alcune malattie

neurodegenerative, malattie infiammatorie croniche

o cancro. Questo studio offre la prima evidenza che la

Fibrosi Cistica è una patologia correlata ad autofagia

in quanto una inibizione del processo autofagico è

presente nelle cellule epiteliali respiratorie umane e

nei modelli murini omozigoti per la mutazione

F508del-CFTR. Questo processo è direttamente legato

al difetto di funzione della CFTR che attraverso l’incre-

Vps15

Vps34

Figura 4. Rappresentazione schematica dei meccanismi patogenetici dell'infiammazione respiratoria nella fibrosi cistica secondo le ipotesi elaborare dal gruppo di Maiuri.a) La presenza di elevate concentrazioni di specie di ossigeno reattivo favorisce la SUMOilazione e la persistenza di elevati livelli della transglutaminasi tissutale (TG2). Questo induce cross-linking di beclin 1 e sequestro funzionale del complesso PI3K III in aggresomi. Ne consegue il blocco dell'autofagia che non riesce ad eliminare gli aggresomi (che non possono essere eliminati attraverso il proteasoma) e i mitocondri dannegiati con conseguente ulteriore incremento dei ROS e della TG2. L'aumento di p62, una proteina eliminata per via autofagica, sovraccarica ulteriormente il proteasoma. Questo circolo vizioso induce infiammazione. Inoltre, la stessa proteina DF508 CFTR accumula in aggresomi e non puo' raggiungere l'apparato di Golgi per essere glicosilata. b) Bloccando questo circolo vizioso e ripristinando i livelli e la funzione di beclin 1 si ripristina l'autofagia, si controlla l'infiammazione e si favorisce il trafficking di CFTR verso la membrana cellulare. (tratto da: Luciani et al, Nature Cell Biol 2010; 12:863-75; Luciani et al, Autophagy 2001; 1:104-106)

Proteasomeoverload

p62

p62

aggresomes

HDAC6

F508delCFTR

Vps34Atg14

Ambra1autophagy

TG2

ROS

inflammation

DefectiveCFTR

Vps15

TG2

p62

autophagy

ROSROS

scavengers

cystamine

PM surface

aggresomes

Beclin 1

Atg14

Beclin 1

F508del CFTR

F508delCFTR

F508delCFTRGolgi

Ambra1

ER

A B


Anno V - n. 1, 2011

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Bibliografia

peutici per il controllo della infiammazione: a) la tera-

pia genica con beclin 1; b) inibitori della TG2, quali la

cistamina; c) gli antiossidanti, quali la cistamina stessa,

dotata anche di proprietà anti-ossidanti, o la N-acetil-

cisteina (NAC), fornendo inoltre un razionale del tutto

nuovo per l’uso degli antiossidanti in Fibrosi Cistica.

È inoltre di notevole interesse che questi trattamenti

sono in grado di migliorare il trafficking della proteina

CFTR e la sua collocazione in membrana (Figura 4).

di mitocondri danneggiati, aumenta i livelli di TG2 e

favorisce l’infiammazione (Figura 4).

Lo studio offre notevoli implicazioni terapeutiche in

quanto dimostra che il recupero dei livelli e della fun-

zione di beclin 1 è in grado non solo di ripristinare l’au-

tofagia, ma anche di controllare lo stress ossidativo e

l’infiammazione, sia in vitro, che in modelli ex vivo di

polipo nasale FC, sia in vivo nei topi omozigoti per la

F508delCFTR. Lo studio offre 3 potenziali approcci tera-


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