Molecola del Mese
di David S. Goodsell
traduzione di Mauro Tonellato

Recettore dell'insulina


Molecola del Mese di Febbraio 2015
Parole chiave: meccanismo d'azione dell'ormone, trasduzione del segnale, livello di glucosio nel sangue, diabete mellito, recettore tirosina chinasi

Introduzione
Le cellule del nostro corpo ricavano l'energia indispensabile per la vita dal glucosio che giunge fino a loro attraverso il flusso sanguigno. Un sistema complesso di segnalazione ha il compito di controllare questo processo assicurando che il glucosio venga distribuito quando serve e immagazzinato quando è in eccesso. Due ormoni, insulina e glucagone sono al centro di questo sistema di segnalazione. Quando il livello di glucosio nel sangue scende, le cellule alfa del pancreas rilasciano glucagone che stimola le cellule del fegato a rilasciare glucosio. Quando il livello di glucosio nel sangue sale, le cellule beta del pancreas rilasciano insulina che promuove la cattura di glucosio da parte delle cellule per il loro metabolismo e per l'immagazzinamento. Entrambi gli ormoni sono piccole proteine che vengono riconosciute da recettori sulla superficie cellulare.

Trasduzione del segnale
Il recettore dell'insulina è una grande proteina capace di legare l'insulina e di mandare un messaggio all'interno della cellula. E' composta da più catene ognuna con una precisa funzione. Due copie di una catena della proteina si uniscono all'esterno della cellula per formare il sito del recettore che lega l'insulina. Questo è collegato attraverso la membrana a due subunità tirosina chinasi mostrate qui in basso. Quando l'insulina non è presente, queste vengono mantenute in tensione e non sono attive, ma quando l'insulina si lega, possono rilassarsi e acquistano la capacità di fosforilare le tirosine. Prima si fosforilano una con l'altra, e poi fosforilano altre proteine in una rete di segnalazione all'interno della cellula. Poiché l'intero recettore è molto flessibile, i ricercatori sono stati costretti a determinarne la struttura dopo averlo diviso nelle varie subunità: la porzione che lega l'insulina mostrata qui a destra in alto (PDB 3LOH), i segmenti transmembrana mostrati nella parte centrale (PDB 2MFR) e le subunità tirosina chinasi in basso (PDB 1IRK).




Quando le cose vanno male

I problemi con la segnalazione dell'insulina possono mandare in tilt la corretta gestione del livello di glucosio nel sangue, portando ad una malattia nota come diabete mellito. Questo può avvenire principalmente in due modi.
Il diabete di tipo 1 è causato da problemi con l'insulina: in molti casi le cellule pancreatiche che producono insulina sono distrutte da autoimmunità, in altri casi l'insulina è mutata e inattiva. Questo spesso accade in età molto precoce e richiede un trattamento con insulina per rimpiazzare l'insulina mancante.
Il diabete di tipo 2 si manifesta invece in età più avanzata ed è causato da una resistenza acquisita all'azione dell'insulina sul suo recettore. I dettagli sono complessi e implicano la fosforilazione del recettore e dei suoi substrati che modifica la loro azione nel segnalare la presenza di insulina. Questa patologia è trattata con una dieta molto attenta, con un più corretto stile di vita e con farmaci.

Legare l'insulina
Quando l'insulina si lega al suo recettore, provoca un cambiamento nella forma che si propaga all'interno della cellula attivando le tirosina chinasi. I dettagli di questo processo sono ancora un mistero e sono oggetto di una attiva ricerca. Una struttura recente di insulina legata ad una porzione del recettore (l'insulina è mostrata in rosso, file PDB 3W14) aggiunge un altro tassello al puzzle. Sorprendentemente l'insulina si lega solo su un lato delle due catene simmetriche del recettore.







Esplorando la struttura

La porzione tirosina chinasi del recettore è una proteina dinamica con molte parti mobili. Il sito attivo si lega ad ATP e lo usa per fosforilare i suoi bersagli.
Nello stato inattivo (mostrato a sinistra, PDB 1IRK), un segmento mobile (azzurro chiaro con le tirosine verdi) si lega nel sito attivo bloccandone l'azione.
Quando il recettore è nello stato attivato (mostrato sulla destra, PDB 1IR3), molte tirosine (verdi) nel segmento mobile sono fosforilate (sfere gialle e rosse) obbligandolo a piegarsi e ad uscire dal sito attivo, permettendo ad ATP (grosse sfere magenta) di entrare. Altre proteine di segnalazione (un piccolo peptide di una di queste è mostrato in rosa chiaro con la tirosina arancione) poi si legano e sono fosforilate sui loro amminoacidi di tirosina.



Spunti per ulteriori esplorazioni

1. Potete usare il " protein feature view for insulin receptor" nel sito PDB per determinare quale porzione del recettore è inclusa in ogni file PDB
2. Molte delle strutture della porzione della molecola che lega l'insulina compreso il file PDB 3LOH sono state determinate attaccando anticorpi al recettore e cristallizzando poi il complesso. Quando guardate queste strutture assicuratevi di ignorare l'anticorpo perchè non è coinvolto nella funzione biologica della molecola.
3. Ci sono eccellenti risorse online per conoscere meglio il diabete come per esempio la pagina al "world health organisation" e Diapedia.

Bibliografia
- 2mfr: Q. Li, Y. L. Wong & C. Kang (2014) Solution structure of the transmembrane domain of the insulin receptor in detergent micelles. Biochimica et Biophysica Acta 1838, 1313-1321.
- S. R. Hubbard (2013) The insulin receptor: both a prototypical and atypical receptor tyrosine kinase. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 5:a008946, 1-12.
- 3w14: J. G. Menting, J. Whittaker, M. B. Margetts, L. J. Whittaker, G. K. W. Kong, B. J. Smith, C. J. Watson, L. Zakova, E. Kletvikova, J. Jiracek, S. J. Chan, D. F. Steiner, G. G. Dodson, A. M. Brzozowski, M. A. Weiss, C. W. Ward & M. C. Lawrence (2013) How insulin engages its primary binding site on the insulin receptor. Nature 493, 241-245.
- C. W. Ward, J. G. Menting & M. C. Lawrence (2013) The insulin receptor changes conformation in unforeseen ways on ligand binding: sharpening the picture of insulin receptor activation. Bioessays 35, 945-954.
- K. D. Copps & M. F. White (2012) Regulation of insulin sensitivity by serine/threonine phosphorylation of insulin receptor substrate proteins IRS1 and IRS2. Diabetologia 55, 2565-2582.
- C. W. Ward & M. C. Lawrence (2011) Landmarks in insulin research. Frontiers in Endocrinology 2:76, 1-11.
- 3loh: B. J. Smith, K. Huang, G. Kong, S. J. Chan, S. Nakagawa, J. G. Menting, S. Q. Hu, J. Whittaker, D. F. Steiner, P. G. Katsoyannis, C. W. Ward, M. A. Weiss & M. C. Lawrence (2010) Structural resolution of a tandem hormone-binding element in the insulin receptor and its implications for the design of peptide agonists. Proceedings of the National Academy of Science USA 107, 6771-6776.
- 1ir3: S. R. Hubbard (1997) Crystal structure of the activated insulin receptor tyrosine kinase in complex with peptide substrate and ATP analog. EMBO Journal 16, 5572-5581.
- 1irk: S. R. Hubbard, L. Wei, L. Ellis & W. A. Hendrickson (1994) Crystal structure of the tyrosine kinase domain of the human insulin receptor. Nature 372, 746-754.