Dopo l’attivazione, le cellule immunitarie si impegnano nel rimodellamento metabolico per supportare le richieste energetiche e biosintetiche per la proliferazione e le funzioni effettrici. In particolare, l’aumento dell’assorbimento del glucosio e del flusso attraverso la glicolisi sono caratteristiche metaboliche comuni di diverse cellule immunitarie. In particolare, è stato dimostrato che la glicolisi mirata influenza profondamente le risposte immunitarie, comprese infezioni, infiammazioni e malattie autoimmuni. Tuttavia, i meccanismi alla base del metabolismo e della regolazione immunitaria rimangono poco chiari. Studi precedenti hanno illustrato gli effetti immunoregolatori dei metaboliti endogeni generati dalla glicolisi, dal ciclo dell’acido tricarbossilico (TCA) e dal metabolismo degli aminoacidi, che includono lattato, itaconato e succinato. Questi metaboliti incidono profondamente sulle reazioni immunitarie legandosi a recettori ad alta affinità, modifiche post-traduzionali delle proteine bersaglio o meccanismi inspiegabili.
Ad esempio, il succinato, prodotto dai macrofagi dopo l’attivazione con l’endotossina, stabilizza il fattore di trascrizione fattore-1α inducibile dall’ipossia (HIF-1α) e successivamente migliora la produzione di IL-1β. D’altra parte, il lattato, generato attraverso la glicolisi aerobica nei tumori, polarizza i macrofagi in un fenotipo antinfiammatorio che esprime geni che codificano per prodotti critici per la crescita del tumore. Il metilgliossale (MEG) è una specie carbonilica (cheto-aldeide) altamente reattiva generata principalmente dagli intermedi glicolitici, gliceraldeide 3-fosfato e diidrossiacetone fosfato, in modo non enzimatico. È stato stimato che lo 0,1–0,4% del flusso glicolitico determina la produzione di MEG. Pertanto, è facile capire che le cellule immunitarie con un tasso di glicolisi più elevato produrranno quantità maggiori di MEG. In effetti, questo metabolita è sovraregolato nei macrofagi attivati da LPS, che hanno un alto tasso di glicolisi.
Inoltre, un eccessivo accumulo di MEG è stato segnalato in varie condizioni, tra cui diabete, cancro, malattie neurodegenerative e infiammatorie come la SM e l’artrite reumatoide (RA). È stato proposto che il MEG sia un metabolita relativamente poco abbondante con una concentrazione plasmatica di circa 50-300 nM e una concentrazione intracellulare di circa 1-2 μM in individui sani. Sebbene il MEG endogeno sia sovraregolato anche nelle cellule microgliali stimolate da LPS, resta da determinare se il MEG endogeno eserciti effetti antinfiammatori simili. Una preoccupazione è che la concentrazione di MEG endogeno potrebbe essere molto inferiore a quella di MEG esogeno utilizzato negli esperimenti. A causa della sua natura elettrofila altamente reattiva, circa il 99% del MEG cellulare è legato in modo reversibile ai biopolimeri (principalmente proteine) e ai tioli costituiti da piccoli metaboliti, mentre solo l’1% rimane non legato.
A causa della sua natura elettrofila altamente reattiva, il MEG può formare spontaneamente legami covalenti con varie biomolecole, come acidi nucleici e proteine, e influenzare diversi processi fisiologici e patologici. Mentre il MEG può essere prodotto come sottoprodotto sia del metabolismo degli aminoacidi che degli acidi grassi, la via glicolitica rappresenta la più importante fonte endogena di MEG. Pertanto, è facile interpretare che le cellule immunitarie con un tasso di glicolisi più elevato produrranno una maggiore quantità di MEG. Infatti, l’accumulo di MEG potrebbe essere una caratteristica comune delle cellule immunitarie attivate con glicolisi potenziata, come la microglia attivata da LPS, i macrofagi e i linfociti CD4+ e CD8+ attivati. Inoltre, nel siero di pazienti affetti da artrite reumatoide sono stati osservati livelli aumentati di MEG, anch’essi correlati positivamente con l’attività della malattia.
Studi approfonditi hanno rivelato la regolazione immunitaria dei metaboliti generati dalla via della glicolisi, dal ciclo dei TCA e dal metabolismo degli aminoacidi. L’itaconato è uno dei migliori esempi di riprogrammazione metabolica che collega il metabolismo cellulare, le risposte allo stress ossidativo ed elettrofilo e le risposte immunitarie. Dopo l’attivazione infiammatoria dei macrofagi, l’itaconato viene sintetizzato deviando l’aconitato lontano dal ciclo del TCA, che a sua volta modula il metabolismo dei macrofagi e limita la risposta infiammatoria dei macrofagi. I meccanismi scoperti dell’azione dell’itaconato includono la regolazione trascrizionale del fattore di trascrizione ATF3 e la modificazione proteica di KEAP1, dell’inflammasoma, della proteina chinasi JAK1 e del regolatore della cromatina TET2. È interessante notare che, come sottoprodotto della via glicolitica, il MEG condivide diverse somiglianze con l’itaconato.
Innanzitutto, entrambi vengono generati durante l’attivazione del macrofago stimolato da LPS. In secondo luogo, entrambi possono attivare la via NRF2 e sovraregolare le proteine antiossidanti. Insieme all’itaconato, le modifiche post-traduzionali delle proteine da parte del MEG possono essere il meccanismo principale attraverso il quale regola diversi processi cellulari e biologici. Le indagini condotte da Gilligan et al., ad esempio, hanno dimostrato che le modifiche dell’arginina derivate dal MEG sono abbondanti negli istoni e i loro livelli sono paragonabili a quelli di altre modifiche canoniche della lisina o dell’arginina. Inoltre, sono state identificate 28 modifiche istoniche sito-specifiche. Pertanto, queste modifiche sono state proposte per interrompere le modifiche istoniche canoniche basali mediante acetilazione, fosforilazione e ubiquitilazione. Questi fenomeni hanno implicazioni sulla cancerogenesi e sull’invecchiamento.
Infatti, l’acetilazione degli istoni è un meccanismo continuo che la cellula utilizza per regolare l’espressione genica. Tanto che gli inibitori dell’istone deacetilasi (HDAC) vengono utilizzati nello studio della biologia della cromatina così come i farmaci antitumorali. La fosforilazione degli istoni è un fenomeno molto più specifico, poiché di solito si verifica quando c’è una risposta alle lesioni della cromatina. Ma poiché queste portano inevitabilmente all’invecchiamento cellulare (nella migliore delle ipotesi) o alla trasformazione maligna (nella peggiore), la “gliossilazione” degli istoni può anche essere una modificazione che la MEG adotta per esercitare i suoi effetti mutageni indiretti. La gliossilazione può essere un meccanismo mediante il quale il MEG provoca l’invecchiamento e il deterioramento delle riserve di cellule staminali attraverso l’influenza della metilazione dell’istone.
Mentre la metilazione del DNA ha effetti diretti sul mantenimento dello stato differenziato cellulare, la metilazione dell’istone è un processo importante per un fenomeno analogo ma correlato ad un altro livello: il mantenimento dell’eterocromatina. Gli istoni della cromatina terminale, che non verranno mai riaperti durante la vita cellulare, hanno istoni la cui lisina in alcuni punti è modificata con tre gruppi metilici (trimetilazione). Questi residui verranno legati ad alcune proteine chiamate “lettori”, che funzionano come tappi permanenti che favoriscono la condensazione della cromatina in uno stato praticamente inaccessibile. Questo meccanismo garantirà sia la stabilità genomica che, soprattutto, quella telomerica in modo da influenzare positivamente il processo di invecchiamento. Infatti, alcune proteine eterocromatina-dipendenti (ad esempio HP-1) si possono trovare anche a livello dei telomeri.
È curioso che un vecchio farmaco antitumorale chiamato MGBG (metilgliossal-bis-guanil-idrazone), funzioni come un antagonista delle poliammine e un inibitore dell’enzima SAM decarbossilasi. Questo enzima limitante la velocità utilizza il cofattore SAM, che è principalmente un donatore di gruppi metilici che influenza diverse vie metaboliche. Le poliammine sono collegate anche alla proliferazione o differenziazione cellulare; il loro catabolismo erede, tuttavia, produce aldeidi o amminoaldeidi. Questi possono influenzare gli enzimi tiolo-dipendenti e i principali antiossidanti liberi intracellulari come il glutatione (GSH). Il MEG è anche uno dei metaboliti carbonilati prodotti dal metabolismo aberrante del glucosio nel diabete. Attraverso la sua coniugazione con le proteine può dare origine alla formazione di composti AGE, che contribuiscono alla comparsa di complicanze di questa condizione.
Paradossalmente, è stato recentemente segnalato che il MEG inattiva l’inflammasoma NLRP3 mediante modificazione covalente diretta. Insieme alla sua capacità di disattivare un altro fattore di trascrizione infiammatorio come NF-kB, e di attivarne uno antinfiammatorio, vale a dire Nrf-2, rende questa molecola un’arma a doppio taglio che può agire come “amica e nemica” a seconda i contesti biologici. Sicuramente, togliere l’infiammazione può evitare che questa nel tempo si trasformi in eventi mutageni e quindi cancerogeni. L’invecchiamento cellulare serve proprio a questo: fare in modo che le cellule che hanno accumulato troppe aberrazioni compatibili con la vita, si trasformino in maligne. E’ l’obiettivo che hanno sia la chemioprevenzione tumorale attraverso i composti fitochimici naturali, che la terapia senolitica tramite molecole eliminatrici di cellule “iniziate”.
- a cura del Dr. Gianfrancesco Cormaci, PhD, specialista in Biochimica Clinica.
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