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

Transglutamminasi di tessuto
e Celiachia


Molecola del Mese di Maggio 2017
La transglutamminasi di tessuto aggancia le proteine tra loro formando dei legami chimici incrociati

Introduzione
I tessuti del corpo, come la pelle, i muscoli, i capelli, devono avere proprietà particolari per svolgere la loro funzione, come elasticità, forza, resistenza. Queste proprietà possono essere modulate legando tra loro specifiche proteine per formare una rete che può resistere alla degradazione chimica o agli stiramenti meccanici. Le cellule usano la transglutamminasi per formare questi specifici legami incrociati tra proteine. Per esempio, la transglutamminasi dei cheratinociti (cellule dell'epidermide) lavora con altre transglutamminasi per formare delle reti altamente intrecciate che danno forza alla pelle, ai capelli e alle unghie. La transglutamminasi di tessuto usa un approccio più delicato per rinforzare i legami tra le proteine del citoscheletro e dell'adesione cellulare.


Pinzatrice di proteine
La transglutamminasi di tessuto, conosciuta come transglutamminasi 2, è una pinzatrice di proteine che lega due proteine tra loro. Nella sua forma attiva, mostrata qui a fianco sulla sinistra (file PDB 2q3z), ha un sito attivo abbastanza grande per legarsi a due proteine. Una molecola simile al glutine, mostrata in giallo, è legata nel sito attivo. L'enzima poi allinea una glutammina di una proteina con una lisina dell'altra e poi lega chimicamente le catene laterali di questi due amminoacidi tra loro. Il legame covalente formato è un legame ammidico, quindi è identico al legame peptidico che costituisce la catena principale della proteina. Quando questa azione di cucitura tra proteine non serve, si usano dei meccanismi allosterici (che coinvolgono altri siti) per inattivare la transglutamminasi. Per esempio, legare una molecola di GTP (rosso) costringe l'enzima ad avvolgersi in una forma più compatta e inattiva che è illustrata qui a fianco sulla destra (file PDB 3ly6).

Colla per il cibo
La transglutamminasi svolge un ruolo essenziale in molte cellule, ma è diventata anche uno strumento importante nella biotecnologia, con applicazioni che vanno dai cosmetici all'industria alimentare. Per esempio, una piccola transglutamminasi batterica è usata per migliorare l'aspetto della polpa di granchio, degli hot dog, delle salsicce e di molti altri tipi di carne. Queste nuove applicazioni delle transglutamminasi hanno anche ispirato la creatività degli chef che hanno fatto cose stravaganti come usare i gamberetti per fare la pasta. Hanno aggiunto transglutamminasi in polvere alla polpa di granchio che hanno poi avvolto in un foglio di plastica fino a quando la reazione enzimatica si è completata dando alla polpa di granchio la consistenza della pasta.

Celiachia
La transglutamminasi di tessuto realizza anche una reazione un po' diversa su proteine singole, rimuove la molecola di ammoniaca dal gruppo ammidico della glutammina trasformandola in acido glutammico. Questa reazione di deamminazione è stata collegata alla celiachia, una malattia infiammatoria che danneggia l'intestino tenue e provoca una serie di sintomi debilitanti. La celiachia è particolarmente frequente nell'ovest degli Stati Uniti dove si consumano più cibi che contengono glutine, un insieme di proteine del frumento. Il glutine è ricco di glutammina e la transglutamminasi di tessuto nell'intestino converte alcune glutammine in acido glutammico. I pazienti celiaci hanno speciali proteine del sistema maggiore di istocompatibilità MHC (mdm 2-2005) conosciute come HLA.DQ2 o DQ8, nella mucosa dell'intestino tenue che riconoscono il glutine deamminato come un pericolo e fanno scattare una risposta immunitaria inopportuna. Qui a fianco sulla sinistra è mostrata la struttura di un frammento di glutine deamminato (giallo, con la glutammina deamminata in verde) legato ad una proteina del sistema immunitario HLA-DQ2 (arancione e rosa, file PDB 1s9v).
Qui a fianco sulla destra si vede la struttura di un frammento di glutine (giallo) legato ad HLA-DQ8 che si lega ad un recettore di linfocita T (blu e viola, mdm 3-2005) isolato da un paziente celiaco (file PDB 5ks9).
Sebbene molti aspetti della celiachia non siano ancora compresi del tutto, come il meccanismo della attivazione della transglutamminasi, i ricercatori stanno studiando le strutture sia della transglutamminasi che del complesso HLA/glutine/linfocita T come possibili bersagli per future terapie farmacologiche della celiachia
.


Esplorando la Struttura
Il fattore XIII è una transglutamminasi che forma dei legami incrociati tra molecole di fibrina nei coaguli di sangue formando un reticolo di proteine insolubile che arresta la perdita di sangue nelle ferite. La struttura mostrata qui a fianco (file PDB 1n73) include i terminali di due molecole di fibrina di lampreda che si legano testa a testa per formare un filamento di fibrina ed è resa ancora più forte da due legami incrociati tra lisina e glutammina. Questa rete è talmente forte che serve un altro enzima, plasmina, per tagliare la fibrina intrecciata quando la ferita è guarita.

















Spunti per Ulteriori Esplorazioni
Negli archivi PDB sono disponibili le strutture di altre transglutamminasi, compreso il Fattore XIII: Prova a cercare “transglutaminase”.
Molte transglutamminasi richiedono ioni calcio per funzionare, ma il ruolo del calcio non è ancora ben compreso. Prova a cercare "transglutaminase 3" per seguire alcuni degli ultimi dettagli sull'argomento.
Le cellule realizzano molti altri tipi di legami incrociati per rinforzare complessi proteici. Gli anticorpi, per esempio, sono rinforzati con legami tra cisteine e la penicillina ha come bersaglio enzimi che realizzano legami incrociati tra peptidi per formare il peptidoglicano, una rete che racchiude e protegge la membrana dei batteri.


Bibliografia
5ks9: J Petersen, Y Kooy-Winkelaar, KL Loh, M Tran, J van Bergen, F Koning, J Rossjohn & HH Reid (2016) Diverse T cell receptor gene usage in HLA-DQ8-associated celiac disease converges into a consensus binding solution. Structure 24, 1643-1657.
M Kieliszek & A Misiewicz (2014) Microbial transglutaminase and its application in the food industry. A review. Folia Microbiologica 59, 241-250.
L Eckhart, S Lippens, E Tschachler & W Declercq (2013) Cell death by cornification. Biochimica et Biophysica Acta 1833, 3471-3480.
A Di Sabatino, A Vanoli, P Giuffrida, O Luinetti, E Solcia & GR Corazza (2012) The function of tissue transglutaminase in celiac disease. Autoimmunity Reviews 11, 746-753.
V Abadie, LM Sollid , LB Barreiro & Jabri B (2011) Integration of genetic and immunological insights into a model of celiac disease pathogenesis. Annual Review of Immunology 29, 493-525.
3ly6: BG Han, JW Cho, YD Cho, KC Jeong, SY Kim & BI Lee (2010) Crystal structure of human transglutaminase 2 in complex with adenosine triphosphate. International Journal of Biological Macromolecules 47, 190-195.
2q3z: DM Pinkas, P Strop, AT Brunger & C Khosla (2007) Transglutaminase 2 undergoes a large conformational change upon activation. PLoS Biology 5, e327.
1s9v: CY Kim, H Quarsten, E Bergseng, C Khosla & LM Sollid (2004) Structural bais for HLA-DQ2-mediated presentation of gluten epitopes in celiac disease. Proceedings of the National Academy of Science USA 101, 4175-4179.
M Griffin, R Casadio & CM Bergamini (2002) Transglutaminases: Nature’s biological glues. Biochemical Journal 368, 377-396.
1n73: Z Yang, L Pandi & RF Doolittle (2002) The crystal structure of fragment double-D from cross-linked lamprey fibrin reveals isopeptide linkages across an unexpected D-D interface. Biochemistry 41, 15610-15617.
C Kuraishi, K Yamazaki & Y Susa (2001) Transglutaminase: its utilization in the food industry. Food Reviews International 17, 221-246.