Ruolo delle selenoproteine

La maggior parte degli effetti biologici del selenio è mediata da almeno 30 selenoproteine (Tabella 1) contenenti un residuo di selenocisteina nel sito catalitico. Tra queste vi sono la glutatione perossidasi (GPx), la iodiotironina deiodinasi (ID) e la tioredoxina reduttasi (TR).¹ La GPx ha la funzione di proteggere la cellula dal danno ossidativo. Dell'enzima sono state individuate sei isoforme, tra cui la GPx1, enzima citosolico con un'azione antiossidante nel citoplasma cellulare, la GPx3, forma secretiva e seconda selenoproteina plasmatica più abbondante dopo la selenoproteina P (SePP), proteina trasportatrice di selenio responsabile della distribuzione di questo in tutto il corpo, e la GPx4, che catalizza la riduzione della perossidazione lipidica ed è probabilmente implicata nella regolazione del processo della morte cellulare per apoptosi e nella maturazione degli spermatozoi.¹

Tabella 1

La GPx3 è un potente regolatore della sintesi degli ormoni tiroidei. Il tireocita è in grado di sintetizzare e secernere l'enzima in maniera controllata. In condizioni basali, i tireociti umani in coltura secernono la GPx3 e la secrezione di questa è inibita dall'aggiunta di calcio ionoforo e di estere di forbolo, noti stimolatori della produzione di perossido di idrogeno. Quando la cellula tiroidea viene stimolata dal TSH, aumenta la sintesi di perossido di idrogeno a livello della membrana apicale e si verifica una concomitante diminuzione della secrezione di GPx3 con conseguente riduzione della degradazione del perossido di idrogeno. Aumenta in tal modo la concentrazione di H₂O₂ disponibile per la iodinazione della tireoglobulina. Di contro, quando non vi è un forte stimolo alla produzione degli ormoni tiroidei da parte del TSH, diminuisce la produzione di perossido di idrogeno e l'enzima GPx3, secreto attivamente attraverso la membrana apicale, degrada la piccola quantità di H2O2 che viene prodotta.¹

Nel 1973, Rothruck² ha dimostrato, attraverso uno studio condotto su globuli rossi di ratto, il ruolo biochimico del selenio come componente della GPx. Ad alcuni ratti è stata somministrata una dieta povera in selenio, ad altri una dieta contenente l'elemento in forma di sodioselenite per circa 6 settimane. Quando gli eritrociti di ratti selenio-privi sono stati incubati in vitro in presenza di ascorbato e di H₂O₂, l'aggiunta di glutatione non è riuscita a proteggere l'emoglobina dal danno ossidativo. Tali eritrociti erano praticamente privi dell'attività glutatione perossidasica rispetto a quelli contenenti un quantitativo sufficiente di selenio. In globuli rossi marcati in vivo con Se75, attraverso uno studio cromatografico si è visto che la maggior parte di questo (70% circa) era contenuto nella GPx, suggerendo che molti degli effetti nutrizionali dell'elemento potevano essere legati al suo ruolo di componente dell'enzima. La iodiotironina deiodinasi (ID) è un enzima implicato nel metabolismo degli ormoni tiroidei (Figura 1). Costituisce la seconda famiglia di selenoproteine nelle cellule eucariote.³ Ne sono state individuate 3 isoforme (D1, D2, D3), tutte proteine integrali di membrana di 29-33 kDa, caratterizzate da un'omologia di sequenza del 50% e dalla presenza di un residuo di selenocisteina nel centro attivo responsabile dell'attività catalitica enzimatica.¹ Ciascuna isoforma presenta una differente distribuzione tessutale⁴ e catalizza la rimozione dello iodio (deiodazione) dalla posizione 5' o 5 dei substrati iodotironinici, svolgendo in tal modo un ruolo importante nella regolazione dell'attivazione e dell'inattivazione degli ormoni tiroidei a livello tessutale.¹

Figura 1

L'isoforma D1 è la più abbondante e la meglio caratterizzata delle tre deiodinasi. Il sito attivo, contenente un atomo di selenio, è un omodimero di 27 kDa. Tale selenoproteina agisce a livello sistemico e catalizza la 5' o la 5 monodeiodinazione convertendo il T4 rispettivamente al metabolita attivo T3, attraverso la monodeiodinazione dell'anello esterno, oppure all'isomero inattivo reverse T3 (rT3), attraverso la monodeiodinazione dell'anello interno. L'enzima D1 è una proteina integrale di membrana espressa nel fegato, dove è localizzata nel reticolo endoplasmatico degli epatociti, nel rene e nella tiroide, dove è localizzata a livello della porzione basolaterale della membrana plasmatica, nell'ipofisi e nel cuore.^1,3 L'espressione e l'attività di D1 sono modulate da numerosi fattori ormonali, nutrizionali e di sviluppo. In particolare, la trascrizione dell'enzima è indotta da T4 e da T3, mentre l'ipotiroidismo si associa a una riduzione dell'attività enzimatica in molti tessuti. Nella tiroide un importante aumento dell'attività enzimatica di D1 è indotto dall'interazione del TSH con il rispettivo recettore e dall'innesco della cascata di eventi intracellulari cAMP-proteina chinasi A-mediati. Il testosterone aumenta l'espressione di D1 nel fegato. Anche il GH e l'IGF-I aumentano l'attività di D1. Un importante deficit di selenio comporta una minore espressione genica della proteina e una minore attività enzimatica attraverso una riduzione della trascrizione dell'mRNA e un'alterazione della regolazione post-trascrizionale. In presenza di un'importante carenza di selenio i livelli dell'enzima si riducono rapidamente in vari organi e tessuti, quali fegato, reni, pelle, cuore e muscoli, ma non nella tiroide, nell'apparato riproduttore e nel cervello.³
L'isoforma D2, a differenza della D1, catalizza esclusivamente la rimozione dello iodio dalla posizione 5', con conseguente produzione di T3 a partire da T4. Si tratta di una proteina di 200 kDa, il cui gene è sito nel cromosoma 14. La D2 ha una maggiore affinità per il T4 rispetto a D1 e ha un'emivita breve (<1 ora).^1,3

Un aumento dei livelli sierici di T3 è responsabile di una riduzione della trascrizione del gene che codifica per D2 e di un aumento dell'espressione genica delle isoforme D1 e D3. La D2 metabolizza il T4 a T3 in base alle richieste cellulari, indipendentemente dal livello di T3 circolante. Il contributo della D2 al T3 circolante si può considerare limitato.³ Anche questo enzima è una proteina integrale di membrana espressa in vari tessuti e organi, quali tiroide, cuore, cervello, midollo spinale, muscoli scheletrici, placenta e cute.¹ Un'elevata concentrazione è stata riscontrata soprattutto nel SNC. Le cellule che contengono i più alti livelli di D2 sono gli astrociti. Nei neuroni, invece, sono stati riscontrati bassi livelli dell'enzima a fronte dell'elevata concentrazione di recettori per il T3.3 La D2 ha un ruolo critico nella regolazione dello sviluppo del cervello.¹ L'espressione genica dell'enzima nel cervello è strettamente dipendente dai livelli degli ormoni tiroidei. Lo stress, il ritmo circadiano e molte sostanze neuroattive, oltre agli ormoni tiroidei, influenzano il livello della deiodinasi presente nel SNC.³
La D3 è una selenoproteina codificata da un gene localizzato sul cromosoma 14 q32. Catalizza la 5-monodeiodinazione convertendo il T4 a rT3 e il T3 a T2. Il principale metabolita della D3 è la rT3.³ È localizzata nella membrana plasmatica delle cellule del cervello, nella placenta, nel fegato fetale e nella pelle. L'enzima non è espresso nel fegato adulto e nei reni, cioè nei tessuti nei quali sono altamente espresse D1 e D2. Si ritiene che la funzione di questa deiodinasi sia di prevenire un'inappropriata esposizione cellulare o tessutale alla forma attiva degli ormoni tiroidei. Pertanto, l'espressione di D3 a livello placentare e uterino potrebbe esplicare un ruolo importante nella protezione del concepito da un'eccessiva esposizione agli ormoni tiroidei durante l'impianto.³ In età neonatale l'enzima è espresso nel cervello in aree implicate nella differenziazione sessuale.⁵ Nel cervello del ratto adulto la D3 è espressa nei neuroni piramidali dell'ippocampo, nelle cellule granulari del giro dentato e nel 2° e 6° strato della corteccia cerebrale.⁶ I livelli di mRNA codificante per la deiodinasi aumentano nell'ipertiroidismo, a testimoniare un'aumentata degradazione della forma attiva dell'ormone tiroideo prodotto in eccesso. L'espressione di D3 è stimolata dal selenio, come è stato dimostrato in vitro su astrociti di ratto, ed è indotta da diversi fattori di crescita, dal cAMP, dagli ormoni tiroidei e dall'acido retinoico.³

La iodiotironina deiodinasi necessita, per una corretta attività, di adeguate concentrazioni di selenio. In particolare, concentrazioni plasmatiche di selenio minori di 67 μg/l sono associate a una ridotta conversione periferica di T4 a T3.⁷
La tioredoxina reduttasi è una flavoproteina NADPH-dipendente, dotata di un elevato potere ossidoriduttivo legato al ditiolo-disulfide grazie a cui regola lo stato redox cellulare e protegge la cellula dallo stress ossidativo. Sono state individuate diverse isoforme di questo enzima (TR).¹
L'espressione genica delle selenoproteine è strettamente dipendente dall'introduzione di selenio con la dieta. In caso di seleniopenia si verifica la produzione preferenziale di alcune selenoproteine piuttosto che altre: in particolare, a livello dei tessuti endocrini viene mantenuta la produzione di deiodinasi, della GPx4 e delle TR a spese della GPx1, la cui espressione genica si riduce rapidamente. Lo stress ossidativo induce l'espressione genica di TR1 e GPx. Anche l'attivazione della via dei secondi messaggeri modifica l'espressione delle selenoproteine in modo tessuto-specifico.¹