Immunità innata - Attivazione del sistema del complemento - IMMUNOLOGIA

In ogni fortezza che si rispetti, ci sono delle truppe che, giorno e notte, sorvegliano i punti di ingresso dei nemici e sono pronte a reagire nel caso di un attacco, in attesa di allertare e svegliare l’intero esercito. Negli esseri umani, questi elementi di controllo viaggiano nel sangue e nei fluidi corporei, le vie attraverso cui i patogeni possono diffondersi rapidamente in tutto l’organismo e dove serve, quindi, un controllo particolarmente efficace.

Uno dei sistemi più immediati che agisce in questo senso, una volta superate le barriere anatomiche, è il sistema del complemento, ovvero un gruppo di circa 30 proteine solubili prodotte principalmente dal fegato e che circolano in forma inattiva. In seguito a determinati stimoli, queste proteine vengono attivate principalmente tramite clivaggio e rilascio di subunità attive. Già nel nome, il sistema del complemento ha un significato abbastanza evocativo: questo sistema “completa” e supporta l’azione di altri bracci dell’immunità. E in effetti esso ha degli effetti più o meno diretti sull’immunità sia innata che adattativa: i) aiuta gli anticorpi ad opsonizzare i patogeni, in modo da renderli più facilmente rimovibili dai fagociti; ii) proteine del complemento possono legare recettori sulle cellule B, inducendo la loro produzione anticorpale.

Gli elementi del sistema del complemento hanno una nomenclatura molto semplice, riassumibile in alcuni punti cardine: Ogni elemento è indicato dalla lettera “C” seguita da un numero, che però non indica l’ordine di attivazione dell’elemento nella cascata, ma l’ordine di scoperta. Per indicare le subunità attive delle proteine del complemento clivate si usa il suffisso “b” per la subunità più grande ed “a” per quella più piccola. L’unica eccezione, sempre per motivi legati alla scoperta, è il frammento C2a (più grande del C2b). Un’altra eccezione è data per le subunità C1q, C1r e C1s, che non sono subunità ottenute per clivaggio di C1, ma proteine distinte che, associandosi tra loro, formano la proteina C1. Altri elementi di più recente scoperta non sono indicati con una “C”. E’ il caso dei fattori B, H o I.

Nel sistema del complemento, come accade per altri sistemi a cascata del nostro corpo (sistema della coagulazione, delle chinine,...), si individuano delle vie di attivazione e delle vie effettrici. Le vie di attivazione sono 3 e, come spesso accade in immunologia, sono interdipendenti tra loro: la via lectinica, la via classica e la via alternativa. La via lectinica sfrutta dei “sensori” molecolari per i patogeni di natura lectinica, ovvero contenenti un dominio in grado di legare carboidrati. La via classica, chiamata così perchè scoperta per prima, inizia con il componente C1, “sensore” di alcune componenti batteriche. La via alternativa, invece, è così chiamata perchè è in grado di essere costantemente e autonomamente attiva a bassi livelli per poi attivarsi pienamente in caso di necessità. Le vie effettrici, invece, sono comuni anche ad altri sistemi dell’immunità innata e portano all’attivazione dell’infiammazione, alla fagocitosi e all’attacco di membrana. Al centro del sistema, come snodo tra vie di attivazione e vie effettrici, c’è la formazione della C3 convertasi, un enzima in grado di clivare la proteina C3 nei frammenti C3a e C3b. C3b, come vedremo, innesca tutta un’altra serie di meccanismi responsabili dell’effetto finale. Con questo schema generale in mente, analizziamo in questo video nel dettaglio tutte le possibili vie di attivazione del sistema del complemento.

La via lectinica può contare su 4 diversi PRRs che circolano nel sangue: le MBL (Mannose-Binding Lectins), le L-ficoline, le H-ficoline e le M-ficoline. Le MBL sono sintetizzate a livello epatico e sono delle proteine oligomeriche, ovvero formate da un singolo monomero che si ripete. Un monomero delle MBL è una collectina, ovvero una molecola che contiene un dominio ammino-terminale di natura simil-collagenica (da cui il suffisso “Col”) e un dominio carbossi-terminale lectinico di tipo C, ovvero che necessita di calcio per riconoscere delle strutture carboidratiche. Nello specifico, le MBL sono in grado di riconoscere mannosio, fucosio e N-acetilglucosammina, 3 carboidrati che formano svariate superfici microbiche (batteri Gram-, Gram +, lieviti, …). Tuttavia, le MBL non sono in grado di riconoscere l’acido sialico, un carboidrato tipicamente espresso sulle cellule dei vertebrati. Questa caratteristica previene l’attivazione della via lectinica contro cellule self dell’organismo.

Ma come fanno i singoli monomeri ad aggregarsi tra di loro? Tramite i loro domini simil-collagenici che si avvolgono a formare una tripla elica, tre monomeri possono formare un’unica struttura trimerica. Più trimeri si associano poi a formare la macromolecola definitiva tramite legami di-solfuro tra i domini ricchi in cisteina (amminoacido contenente zolfo). Poiché le pareti glicaniche dei microbi sono formate da monosaccaridi ripetuti per tantissime volte lungo tutta la superficie batterica, la struttura multimerica delle MBL consente di legare diversi di questi zuccheri. In questo modo, anche se un singolo monomero di MBL ha un’affinità bassa per lo zucchero che lega, l’avidità o capacità di legame totale della molecola risulta estremamente elevata. Quando si dice… l’unione che fa la forza! Le MBL circolano a bassi livelli nel sangue degli individui sani. La loro concentrazione può, però, aumentare notevolmente in seguito ad un processo infettivo, grazie ad una risposta messa in atto dal fegato, la risposta di fase acuta.

Le ficoline hanno una struttura concettualmente simile alle MBL, ma un monomero delle ficoline possiede, al posto del dominio lectinico, un dominio simil-fibrinogenico (da cui il suffisso “Fi-”) legato sempre ad un dominio collagenico (suffisso Col-). Esse svolgono comunque un’attività “lectinica”, in quanto legano i carboidrati batterici, e per questo vengono considerati attivatori della via lectinica. Ne esistono tre tipi: le L- e le H-, sintetizzate nel fegato che circolano nel sangue, e le M-, sintetizzate e secrete da cellule del polmone e del sangue. Le L- e le M-ficoline riconoscono principalmente zuccheri acetilati, molto presenti nell’acido lipotecoico, componente della parete batterica dei batteri Gram +. Le H-ficoline hanno invece una specificità più ristretta per il D-fucosio e galattosio, e l’unico batterio verso cui è stata dimostrata un’attività è Aerococcus viridans, un batterio causa di endocarditi infettive.

Abbiamo quindi capito quali sono gli elementi di riconoscimento della via lectinica e cosa essi riconoscono. Ma, una volta avvenuto il riconoscimento, come avviene l’attivazione del complemento? Per capirlo, dobbiamo introdurre le proteine MASP (MBL-Associated Serine Proteases), degli enzimi associati sia alle MBL che alle ficoline che, a seguito del legame dei sensori con le strutture batteriche e del cambiamento conformazionale che ne deriva, sono in grado di svolgere delle azioni che portano all’attivazione del complemento. Nello specifico, il cambiamento conformazionale si ripercuote su MASP-1, che cliva e attiva MASP-2. MASP-2, una volta attiva, è in grado di clivare C4 e C2, attivandoli. C4, una volta clivato, dà vita ai due frammenti C4a e C4b. Quest’ultimo, così come anche C3b, contiene un TED (Thio-Esther Domain), ovvero un dominio tio-esterico in grado di legarsi covalentemente alle superfici batteriche. C4b sulla superficie batterica può così legare C2a e formare C4b2a, la C3 convertasi della via classica e lectinica, alla base del meccanismo effettorio.

Occorre chiarire qui un aspetto fondamentale: affinchè C4b possa legare C2 e clivarlo, è indispensabile che esso si leghi ad una superficie batterica. In caso contrario, il gruppo tioesterico di C4b viene rapidamente idrolizzato ed inattivato irreversibilmente. Questo meccanismo ha due implicazioni fondamentali: 1) il complemento viene attivato in maniera localizzata sui patogeni da colpire; una sua attivazione incontrollata porterebbe a danni considerevoli all’organismo, con una forte sproporzione del rapporto rischi/benefici; 2) il complemento viene rapidamente fermato se non ci sono infezioni in atto.

Abbiamo visto quindi come la via lectinica porta alla formazione della C3 convertasi. Vediamo ora come invece opera la via classica del complemento, così chiamata perchè scoperta per prima. Possiamo studiarla per differenza con la via lectinica. Anche qui c’è una molecola di riconoscimento dei PAMPs, rappresentata dal complesso C1 che, a differenza degli altri elementi del complemento, è formato da 3 subunità: C1q, C1r e C1s. C1q svolge il ruolo di sensore ed è anch’esso un esamero di trimeri, in cui ogni monomero è formato da un dominio globulare ammino-terminale e un dominio simil-collagenico carbossi-terminale. Anche in questo caso, i domini simil-collagenici interagiscono tra di loro e portano alla formazione di una testa globulare. C1r e C1s sono invece l’equivalente di MASP-1 e MASP-2, con i quali mostrano anche delle affinità strutturali (soprattutto con MASP-2).

Ma cosa riconosce C1q? Qui il discorso è più articolato della via precedente. Innanzi tutto, C1q è in grado di legare alcuni PAMPs, in particolare alcune strutture complesse poli-anioniche (cariche cioè negativamente) dei batteri Gram+, come l’acido lipotecoico. Tuttavia, il contatto tra C1q e i patogeni può avvenire in via indiretta, ovvero tramite l’interposizione di altre molecole. Ad esempio C1q può legare la PCR (Proteina C-Reattiva), una proteina di fase acuta in grado, a sua volta, di legare il polisaccaride C dello pneumococco (da cui il nome). Ma soprattutto C1q può legare il frammento Fc degli anticorpi, in particolare gli anticorpi IgM, una tipologia di anticorpi prodotti fisiologicamente dal nostro organismo e fondamentali nella rimozione dei patogeni.

Qualsiasi sia il meccanismo di riconoscimento, quando le sei teste globulari di C1q riconoscono le componenti dei patogeni, il cambiamento conformazionale che ne deriva porta all’attività auto-catalitica di C1r che, a sua volta, cliva C1s, che è una serin-proteasi, ovvero un enzima in grado di rompere legami peptidici a livello dei residui amminoacidici di serina. C1s agisce su C4, e da questo punto avviene quanto già visto con la via lectinica: formazione di C4b e sua adesione sulla superficie batterica, clivaggio di C2 nelle sue due subunità (affinchè questo avvenga C4b deve essere legato a C1s), fusione di C4b con C2a sulla membrana del patogeno (C4b2a) e formazione della stessa C3 convertasi della via lectinica (spesso chiamata semplicemente della via classica perchè, appunto, scoperta prima).

L’ultima via, quella alternativa, è in realtà quella più antica e, a differenza delle altre, non ha un meccanismo di riconoscimento. La sua funzione, infatti, è quella di fornire un’attivazione continua e subliminale del complemento, in grado poi di diventare pienamente efficace nel caso in cui ci siano dei patogeni che ancora non sono stati riconosciuti in altro modo. La sua C3 convertasi, detta appunto C3 convertasi della via alternativa, è formata da C3b coniugato al frammento Bb del fattore B, una proteina plasmatica. Appare chiaro il vantaggio di questo sistema: non appena c’è del C3b in circolo, a prescindere da quale via lo abbia generato, la C3 convertasi della via alternativa è in grado di amplificare questo segnale.

Ma come si attiva la via alternativa nel dettaglio? Esistono due modi. Nel primo caso, C3b generato in altro modo si lega sulla superficie dei patogeni e lega il fattore B del plasma, alterandone la conformazione. A seguito di questo cambiamento conformazionale, il fattore B espone un sito di legame per il fattore D, che lo cliva in Ba (rilasciato in circolo) e Bb, che resta legato a C3b formando appunto la C3 convertasi. Nel secondo caso, invece, C3 va incontro ad un’autonoma idrolisi (“tick-over”) con formazione di C3(H2O), presente sempre a bassi livelli nel sangue. C3(H2O) può legare il fattore B anche in assenza di una superficie batterica e promuoverne il clivaggio da parte del fattore D, con la formazione di C3(H2O)Bb, la C3 convertasi in fase fluida, un sistema perennemente in allerta e in grado di produrre piccole quantità di C3b che in gran parte vengono inattivate, ma che potrebbero, qualora necessario, legare un patogeno presente nei fluidi corporei.

In conclusione, via classica, via lectinica e via alternativa sono le tre strade attraverso cui il sistema del complemento può attivarsi e portare alla produzione delle C3 convertasi, punti di snodo essenziali per l’attuazione dei meccanismi effettori. Si tratta di vie molto efficaci, in grado di fornire una protezione iniziale verso una vasta gamma di patogeni, in attesa che altri meccanismi immunitari innati e adattativi entrino in gioco. Il tutto senza danneggiare il nostro organismo! Avete mai visto dei cecchini così bravi?