Una molecola multiuso
nell’evoluzione: l’acido sialico
Mario Pezzella
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C
irca 70 anni fa dall’idrolisi delle mucine salivari e dai glicolipidi cerebrali venne ottenuto un acido, chiamato acido sialico, dal greco
σιάλον (siálon, saliva).
Già negli anni ’40 del XX secolo prima che
venisse conosciuta la struttura, la chimica e la
biosintesi, per opera dei due ricercatori George Hirst e Frank Macfarlane Burnet, è stato dimostrato che l’acido sialico era implicato nella
diffusione del virus dell’influenza, in quanto
componente del recettore cellulare per virus influenzali.
Inoltre, nel 1957 Alfred Gottschalk ha suggerito il nome di neuraminidasi a una proteina
che agiva come una sialidasi, rilasciando acidi
sialici da macromolecole. Una simile attività è
stata poi dimostrata anche nei batteri. In genere il legame di una particella virale ai recettori
superficiali di una cellula ospite è mediato dalle
proteine del virus che specificamente riconoscono i recettori. Questi possono essere peptidi,
lipidi e carboidrati (1).
Acido sialico e virus
I virus dell’influenza A e B hanno glicoproteine sulla loro superficie che si legano ai
recettori presenti sulla superficie degli eritrociti
umani e sulle membrane cellulari delle vie respiratorie superiori. I recettori sono costituiti da
glicoconiugati sialici superficiali emergenti dalla parete cellulare.
Gli acidi sialici sono di solito in posizione
terminale delle catene olisaccaridiche presenti
sulla superficie cellulare. I virus dell’influenza A e B riconoscono specificamente l’acido
acetil-neuramminico (Neu5Ac), il più comune
acido sialico.
Il primo evento dell’infezione dei virus
dell’influenza, (sottotipi A e B), è mediato dalla principale glicoproteina superficiale virale,
emoagglutinina (HA) che lega i residui terminali di acido sialico presenti sulla cellula bersaglio
cui segue la fusione delle membrane cellulari e
virali per endocitosi (2).
L’altra proteina influenzale è la neuraminidasi (NA), una esoglicosidasi che ha la funzione
di catalizzare l’idrolisi del legame glicosidico tra l’acido sialico terminale e il carboidrato
adiacente di una varietà di glicoconiugati (1).
L’attività della neuraminidasi è essenziale
per la mobilità del virus facilitandone il rilascio
dalla cellula ospite. L’inibizione dell’attività
neuraminidasica risulta quindi letale per il virus
che, penetrato nella cellula bersaglio e in essa
replicato, non può essere rilasciato dalla membrana cellulare e continuare la progressione della infezione virale (3).
Osservando più da vicino l’acido sialico
(Neu) si rileva che esso è un monosaccaride
con 9 atomi di carbonio e contenente 5 gruppi
12
A
B
idrossilici e uno carbossilico -COOH sul carbonio C1. Questo consente la formazione di
sali essendo carico negativamente a pH fisiologico.
I gruppi idrossilici dell’acido sialico sui
carboni denominati C7 e C8 contribuiscono
in maniera significativa all’affinità dell’acido
sialico con emoagglutinina. Essi partecipano
al legame funzionando sia come accettori sia
come donatori di legami idrogeno con gli amminoacidi della proteina. Anche le forze di Van
der Waals partecipano al legame coinvolgendo
piccoli frammenti idrofobici sulla superficie
degli zuccheri. L’insieme di queste forze di legame assicura l’affinità e specificità dell’emoagglutinina.
Da queste acquisizioni ne deriva che l’affinità dei diversi ceppi virali dell’influenza può
variare con i tipi di acido sialico (oltre 50 finora
individuati), determinando quale specie animale
può essere infettata.
Esistono varietà di modificazioni naturali
e l’acido N-acetil-neuramminico (Neu5A) è il
più diffuso membro di una famiglia di molecole
correlate che derivano dall’acido neuramminico
(Neu) (fig. 1A e 1B).
Il virus dell’influenza umana preferenzialmente lega l’acido sialico Neu5Ac nelle cellule
epiteliali del tratto respiratorio superiore (trachea) (fig 2).
Fig. 1A e 1B – Formula chimica
dell’acido neuramminico (A) e dell’acido
N-acetilneuramminico (Neu5Ac) (B) il più
comune acido sialico. Sul carbonio C5 (b) è
presente il gruppo N-acetile.
Fig. 2 - I ceppi di virus influenzali umani sono
all’apice di una struttura biantennaria legato con
legame α (2,6) al galattosio, nell’anatra (in figura)
con legame α (2,3). Inoltre sotto la struttura
biantennaria è illustrata la struttura del glicano
costituita da zuccheri. La freccia indica il legame
tra galattosio e acido sialico che viene scisso ad
opera dell’enzima neuraminidasi.
(Virology blog about viruses and viral disease
Influenza virus attachment to cells: role of
different sialic acid. 5 may 2009)
Quando l’acido sialico non occupa una posizione terminale nell’ambito di una catena oligosaccaridica (glicano) le posizioni di legame
interessate sono i carboni C2 e C8, gli stessi implicati nella formazione dell’acido polisialico.
Il gruppo sostituente, N-acetile, è critico per
le interazioni con emoagglutinina. L’orientamento del gruppo carbossilico è essenziale per
il legame dell’emoagglutinina dei virus influenzali.
La combinazione di differenti legami glicosidici con la moltitudine di possibili naturali
modificazioni genera centinaia di modi con i
quali l’acido sialico può essere chimicamente
presente e agire. La notevole diversità chimica
contribuisce a una varietà di glicani sulla superficie cellulare.
Acido sialico e anticorpi
Le immunoglobuline sono costituite da 5
classi distinte, isotipi, IgG, IgA, IgM, IgE, IgD
che differiscono fra loro per dimensioni, carica
elettrica, composizione amminoacidica e contenuto glucidico (dal greco γλυχύς, glucús, dolce).
La loro struttura è costituita da 2 identiche
catene pesanti e 2 identiche catene leggere tenute da ponti disolfuro e divise in regioni di omologa sequenza.
Fig. 3 - Struttura IgG umana che
dimostra le regioni funzionali
costituite da catene leggere
e pesanti e la posizione dei
domini di Fc. Inoltre è indicata
la posizione dell’asparagina
(Asn posizine 297 del dominio
CH2) che forma legami
O-glicosidici e N- glicosidici con
l’oligosaccaride che è integrato
nella struttura proteica ed ha
una precisa conformazione
(Royston Jefferis:
“Glycosylation of recombinant
antibody therapeutics”
Biotechnology Progress 2005;
21:11-16)
Nella risposta immunitaria gli anticorpi legano e neutralizzano gli antigeni estranei con
il frammento cosidetto Fab (Fragment binding
antigen) formando immunocomplessi e attivano
la citotossicità anticorpo dipendente, l’opsonizzazione di antigeni e l’iniziazione della fagocitosi.
Il frammento cristallizzabile Fc, di ogni immunoglobulina è deputato alle funzioni effettrici, legandosi a specifici substrati cellulari.
Le funzioni effettrici sono fortemente dipendenti dalla frazione glucidica presente nel dominio CH2 di Fc, localizzato immediatamente
dopo la regione cerniera.
Dal punto di vista chimico ciascuna IgG
umana presenta due identici siti di N-glicosilazione nel dominio CH2 (asparagina 297) che
conferiscono la capacità di formare legame covalente (O-glicoside ed N-glicoside) con il glicano (fig. 3).
Il primo tipo di legame, riguardante l’Nacetil-galattosammina (GalNAc) è formato con
lo zucchero in configurazione α nell’apparato di
Golgi mentre il secondo tipo di legame N-acetilglucosammina (GlcNAc) presenta lo zucchero
in configurazione β a livello del reticolo endoplasmatico.
La parte glucidica delle immunoglobuline,
presente in percentuale del 2-3%, può essere
costituita da qualche decina di zuccheri (fino a
Fab
Fab
Antigen binding
hinge
Asn 297
CH2 domain
Fc
Effector functions
CH3 domain
Fab: fragment antigen binding
Hinge: regione cerniera
Fc: funzioni effettrici
13
14
centinaia) grazie alle innumerevoli possibilità di
legame che portano alla formazione di strutture
glucidiche diverse. In particolare le IgG presentano almeno 30 differenti complessi olisaccaridici a struttura definita “diantennaria”. Le IgG
quindi contengono glicani altamente eterogenei
a causa della presenza di differenti possibili zuccheri intermedi e terminali (5)
L’analisi cristallografica ai raggi X rivela
che la struttura dell’oligosaccaride è ben definita e forma multiple interazioni non covalenti, forze di Van der Waals e legame idrogeno,
con la superficie proteica del dominio CH2. Di
conseguenza la conformazione di Fc risulta dalle reciproche interazioni tra la parte proteica e
quella oligosaccaridica.
Gli acidi sialici, presenti su alcune cellule
della risposta immunitaria, giocano un ruolo
chiave nelle funzioni effettrici delle IgG influenzando il legame delle IgG ai recettori Fc
e C1q (6).
La glicosilazione avviene per vari motivi.
La parte glucidica provoca un ripiegamento
corretto della molecola consentendo di esplicare la propria funzione e, nello stesso tempo,
consentendo di proteggere la molecola proteica
dall’attacco delle proteasi.
La presenza o l’assenza dei glucidi non influenza la capacità del frammento Fab di legare
specificamente l’antigene ma ha un particolare
effetto sui meccanismi biologici che sono attivati dall’immunocomplesso formato tra l’antigene estraneo e i frammenti Fab.
Studi strutturali indicano che la presenza o
l’assenza di specifici glucidi terminali può influire sulle interazioni idrofiliche e idrofobiche
tra zuccheri e amminoacidi del frammento Fc.
In relazione alle funzioni biologiche gli acidi sialici, le glicoproteine e i glicoconiugati sono necessari per un appropriato sviluppo delle
cellule dei mammiferi. Poiché gli acidi sialici,
carichi negativamente a pH biologico, sono in
genere localizzati al terminale delle strutture
dei glicani, le glicoproteine sializzate possono
inibire molte reazioni intermolecolari e intercellulari. Nell’uomo, in particolare, la più alta
concentrazione di Neu5Ac è localizzata nel cervello dove è parte integrante della struttura dei
gangliosidi nella sinaptogenesi e trasmissione
neurale (7).
Numerose malattie autoimmuni e infiammatorie umane vengono anche trattate con
immunoglobuline IgG endovena contenenti
una varietà di distinte specificità anticorpali in
quanto ottenute da pool di centinaia di donatori.
Osservazioni sperimentali rilevano inoltre
che i glucosidi presenti nel dominio IgG-CH2
mantengono le due catene pesanti di Fc in una
conformazione aperta necessaria per attivare il
recettore FcγRs presente sul macrofago effettore e responsabile dell’effetto infiammatorio.
I benefici di tale trattamento di IgG endovena,
ottenibili solo ad alte dosi, suggeriscono che le
preparazioni di IgG da donatori normali contengano una piccola frazione ad attività terapeutica costituita da specifici glucidi che hanno
profonde implicazioni sulle funzioni effettrici
di Fc.
Le IgG-Fc sializzate sono responsabili
dell’attività antinfiammatoria su uomini e modelli animali con diverse malattie quali purpura
trombocitopenica, nefrite nefrotossica e artrite
reumatoide (8). Il modello ipotizzato è che il
frammento Fc-IgG sializzato, naturalmente
presente in bassa percentuale nelle immunoglobuline endovena, si lega al recettore specifico
dell’acido sialico SIGN-RI presente sui macrofagi provocando il rilascio di mediatori solubili
che attivano i macrofagi effettori aumentando
l’espressione dei recettori inibitori (8, 9).
Altre osservazioni sembrano confermare
che gli Fc-glicani influenzano il legame delle
IgG ai recettori Fc e C1q e sono importanti per
le funzioni effettrici delle IgG. Il risultato terapeutico finale si manifesta con una evidente
azione anti-infiammatoria.
Bibliografia
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Sialic acids. Essentials of Glycobiology. 2nd
edition. Cold Spring Harbor Laboratory Press,
2009.
2) Kelm S, Paulson JC, Rose U et al
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hemagglutinin. Eur J Biochem 1992; 205: 147153.
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Synthesis of a carbocyclic sialic acid analogue for
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Carbohydrate Research 2001; 332: 23-31.
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5.) Jefferis R
Glycosylation of recombinant antibody therapeutics. Biotechnology Progress 2005; 21:11-16.
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7) Wang B, Brand-Miller J
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8) Gelfand EW
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infiammatory diseases. New England J Medicine
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9) Antony RM, Ravetch JV
A novel role for te IgG Fc glycan: the anti-infiammatory activity of sialylated IgG Fcs. J Clin Immunol 2010; suppl1: 9-14.
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