I recettori LDL, o LDLRs, sono una famiglia di recettori di membrana che mediano il trasporto di lipoproteine contenenti chilomicrone, LDL, IDL o VLDL.
Storia Nel 1938 il medico norvegese Carl Müller descrisse l'ipercolesterolemia familiare (FH) come un "errore congenito del metabolismo" che provoca livelli elevati di colesterolo nel sangue e infarto del miocardio nei giovani. Müller concluse che la FH viene trasmessa con un tratto autosomico dominante. Nel 1964 Khachadurian, dell'Università americana di Beirut, dimostrò che la FH esiste in due forme: la forma eterozigote, meno grave, e la forma omozigote, più severa.
Nel 1972, quando Goldstein e Brown iniziarono i loro studi sulla FH, si riteneva che i principali passaggi del metabolismo del colesterolo avvenissero nel fegato o nell'intestino. Pertanto l'unica possibilità di studiare l'FH dipendeva dal fatto che il fenotipo mutante si manifestasse fedelmente nelle cellule, come i fibroblasti cutanei, che potevano essere ottenuti da biopsie e coltivati in vitro.
Le tecniche per coltivare queste cellule erano state sviluppate nei due decenni precedenti. Inoltre, si sapeva che alcuni difetti enzimatici ereditari si manifestavano nei fibroblasti coltivati da pazienti con rare malattie recessive, come la galattosemia e la sindrome di Lesch-Nyhan.
Studi condotti negli anni '60 da Bailey e Rothblat avevano dimostrato che i linfoblasti murini coltivati e le cellule L sintetizzano colesterolo e che questa sintesi è soggetta a retroazione. Dimostrarono che, quando il siero intero, contenente lipoproteine, è presente nel mezzo di coltura, le cellule producono poco colesterolo a partire da acetato radioattivo, mentre quando le lipoproteine del siero vengono rimosse dal mezzo di coltura, la sintesi del colesterolo aumenta.
L'incubazione delle cellule con acetato radiomarcato è un metodo conveniente per monitorare l'azione complessiva dei 26 enzimi necessari per convertire il semplice precursore a 2 atomi di carbonio (acetato) nella complessa struttura del colesterolo, composta da 27 atomi di carbonio e 4 anelli. Questo percorso biosintetico fu delineato negli anni '50 principalmente attraverso gli studi di Konrad Bloch, che nel 1964 ricevette il Premio Nobel per la Medicina.
Goldstein e Brown invece di misurare la sintesi del colesterolo dall'acetato, decisero di misurare l'attività di un singolo enzima, la 3-idrossi-3-metilglutaril coenzima A reduttasi (HMG-CoA reduttasi), negli estratti di fibroblasti coltivati. Studi precedenti sui fegati di ratto avevano dimostrato che la HMG-CoA reduttasi catalizza un passaggio limitante nella produzione di colesterolo e che la sua attività si riduce quando i ratti ingeriscono colesterolo.
Svilupparono un microassay per la HMG-CoA reduttasi utilizzando le piccole quantità di materiale disponibili dai fibroblasti coltivati. Immediatamente, osservarono una retroazione. Quando i fibroblasti umani normali venivano coltivati in presenza di siero, l'attività della HMG-CoA reduttasi era bassa, mentre quando le lipoproteine che trasportano il colesterolo venivano rimosse dal mezzo di coltura, l'attività della HMG-CoA reduttasi aumentava di 50 volte in un periodo di 24 ore.
L'enzima indotto veniva rapidamente soppresso quando le LDL venivano reintrodotte nel mezzo. Non tutte le lipoproteine possono sopprimere l'attività della HMG-CoA reduttasi e tra le due principali lipoproteine che trasportano il colesterolo nel plasma umano, LDL e HDL, solo le LDL risultano efficaci. Questa specificità fu il primo indizio della possibile presenza di un recettore. Il secondo indizio fu la concentrazione di LDL necessaria: l'attività della lipoproteina si manifestava a concentrazioni minime di 5 μg di proteina per ml, suggerendo un meccanismo a recettore ad alta affinità.
Nel 1973, studi su cellule di pazienti con FH omozigote fornirono la chiave per comprendere il meccanismo recettoriale. Coltivate in siero contenente lipoproteine, queste cellule mostravano attività della HMG-CoA reduttasi da 50 a 100 volte superiori alla norma, attività che non diminuiva con la rimozione delle lipoproteine né veniva soppressa con l'aggiunta di LDL.
La spiegazione più semplice di questi risultati era che gli individui FH omozigoti avessero un difetto genetico nella codifica della HMG-CoA reduttasi, rendendo l'enzima resistente alla retroazione mediata dal colesterolo derivato dalle LDL. Tuttavia, questa ipotesi fu subito smentita: quando il colesterolo veniva fornito in etanolo invece che in LDL, sia nelle cellule normali che nelle cellule FH omozigoti l'attività della HMG-CoA reduttasi era ugualmente soppressa. Pertanto, il difetto non risiedeva nella capacità del colesterolo estratto di agire sulla reduttasi, ma piuttosto nella capacità delle cellule FH di estrarre il colesterolo dalle LDL.
La specificità dell'azione delle LDL suggeriva l'esistenza di un recettore di superficie cellulare. Nel 1974, questa ipotesi fu confermata quando le LDL furono marcate con iodio-125, rivelando la presenza di siti di legame ad alta affinità nelle cellule normali, mentre le cellule FH omozigoti ne erano prive. Questo spiegava il difetto genetico, ma non il meccanismo con cui le LDL rilasciavano il loro colesterolo per sopprimere la HMG-CoA reduttasi.
Successivi esperimenti dimostrarono che le LDL legate al recettore rimanevano sulla superficie delle cellule normali per meno di 10 minuti prima di essere internalizzate. Nel giro di un’ora, la componente proteica delle LDL veniva completamente degradata, mentre il colesterolo estere si idrolizzava, generando colesterolo libero che rimaneva intracellulare.
Il recettore venne purificato per la prima volta nel 1982 dalle ghiandole surrenali bovine e il suo gene è stato isolato nel 1985. Tali progressi hanno gettato le basi per l'analisi molecolare delle mutazioni alla base dell'FH.
Descrizione La famiglia degli LDLRs comprende un gruppo di recettori endocitici presenti sulla membrana cellulare che legano e internalizzano ligandi extracellulari, tra cui lipoproteine, esotossine e complessi di trasporto lipidico. Gli LDLRs sono raggruppati in pozze rivestite di clatrina.
I membri della famiglia sono strutturalmente e funzionalmente correlati all'LDLR e condividono motivi strutturali comuni. LLDLR di tipo A presenta ripetizioni del dominio simile a quello del recettore del fattore di crescita epidermico (EGF), l'ancoraggio transmembrana e, in alcuni casi, il dominio citoplasmatico. LDLR e VLDLR presentano inoltre un dominio o-link dello zucchero, situato appena all'esterno della membrana plasmatica. LRP1 e LRP2 (megalina) possiedono domini extracellulari relativamente ampi.
Le ripetizioni dell'LDLR di tipo A sono localizzate in una regione al terminale NH2 e sono responsabili del legame dei ligandi, tra cui le lipoproteine contenenti apoB-100 e apoE. Il precursore simile a quello dell'EGF contiene molteplici ripetizioni di EGF insieme a un dominio β-elica ed è coinvolto nella dissociazione pH-dipendente del complesso ligando-recettore. Il dominio transmembrana aiuta ad ancorare i recettori. Il dominio citoplasmatico presenta un dominio con NPxY o un motivo PPPSP ed è coinvolto nel targeting dei recettori verso le fossette rivestite e nella trasduzione del segnale. Le differenze nella posizione e nel numero di ciascun dominio creano la diversità nei membri della famiglia LDLR. La struttura di VLDLR è altamente omologa a quella di LDLR: contiene otto domini ripetuti LDLR di tipo A ricchi di cisteina rispetto ai sette di LDLR. Le VLDL contenenti ApoE non si legano solo a VLDLR, ma anche a LDLR, LRP8, LRP1, LRP2 e probabilmente anche a LRP6.
LRP6 è un membro della famiglia LDLR, che insieme a LRP5 ha la struttura e la funzione uniche di co-recettore essenziale per la segnalazione Wnt/β-catenina. In particolare, il dominio extracellulare di LRP6 ha tre tipi di sottodomini, tra cui ripetizioni LDLR di tipo A, dominio simile a EGF e dominio β-elica di tipo YWTD. LRP6 è composto da tre grandi cluster di ripetizioni di legame del ligando, ciascuno con funzioni di legame del ligando con particelle Wnt, DKK1 e lipoproteine, mentre LDLR e VLDLR contengono solo un singolo cluster di ripetizioni di legame del ligando.
LRP1 è composto da una grande subunità di legame del ligando (515-kDa), che riconosce più di 40 ligandi, e da un frammento transmembrana relativamente piccolo (85-kDa). LRP2 è composto da un dominio di legame del ligando extracellulare, un frammento transmembrana e una coda citoplasmatica contenente tre motivi NPxY con un peso molecolare totale di 517 kDa. LRP2 ospita la cubilina, che si lega alle HDL, svolgendo così un ruolo importante nell'endocitosi del colesterolo HDL.
La struttura di LRP5 è analoga a quella di LRP6 e funziona in modo simile come co-recettore per la segnalazione Wnt/β-catenina.
Biochimica Questi recettori partecipano ad un'ampia gamma di processi fisiologici. In particolare, LDLR, VLDLR, LRP5/6, LRP1 e LRP2 svolgono un ruolo fondamentale nell'omeostasi del colesterolo e nel metabolismo dei lipidi. Pertanto, il targeting della via LDLR è il fondamento delle attuali strategie per la riduzione del colesterolo LDL.
VLDLR, insieme a LDLR e LRP1, è il principale recettore endocitotico che riconosce le lipoproteine contenenti apoE. VLDLR modula principalmente il metabolismo extraepatico delle lipoproteine ricche di trigliceridi. A differenza di LDLR, VLDLR non è collegato a un meccanismo di reatroazione per la sua espressione in risposta alle VLDL intracellulari. I topi trattati con pioglitazone mostrano una maggiore conversione dei trigliceridi plasmatici in grasso dell'epididimo. Questa risposta è assente nei topi con deficit di VLDLR, il che implica che VLDLR svolge un ruolo chiave nella deposizione di grasso.
Il VLDLR ha una funzione importante nella clearance postprandiale dei chilomicroni e delle VLDL regolando positivamente l'idrolisi dei trigliceridi mediata dalla lipoproteina lipasi (LPL) e l'assorbimento diretto delle lipoproteine ricche di trigliceridi nelle cellule endoteliali. VLDL e LPL hanno modelli di distribuzione simili nei tessuti periferici.
Dopo il legame di Wnt al recettore di superficie cellulare frizzled e al suo complesso co-recettore LRP5/6, la coda citoplasmatica di LRP6 viene fosforilata da CK1 e glicogeno sintasi chinasi 3β (GSK-3β), portando al reclutamento di Dv1 e al legame del complesso Axin. Ciò determina la stabilizzazione della β-catenina e la sua traslocazione nel nucleo, dove si lega a fattori di trascrizione come il fattore delle cellule T (TCF) e il fattore potenziatore linfoide (LEF) e stimola varie espressioni geniche. LRP6 aumenta il legame e l'assorbimento delle LDL cellulari, sia in modo dipendente che indipendente da LDLR.
È stato riportata un'espressione aumentata e una co-localizzazione di LRP6 con il recettore β del PDGF nelle arterie coronarie aterosclerotiche umane. LRP6 di tipo selvatico forma un complesso con il recettore del fattore di crescita derivato dalle piastrine (PDGFR)-β e innesca la sua degradazione lisosomiale. Questo effetto riduce la proliferazione delle cellule muscolari lisce vascolari ed è considerato protettivo contro l'aterosclerosi.
LRP1 ospita i ligandi come trasportatore e modula i processi fisiologici tra cui la risposta infiammatoria nel polmone, l'assorbimento dell'amiloide β42 nella barriera emato-encefalica e la clearance del fattore VIII nel processo di coagulazione del sangue. Un certo numero di proteasi e complessi inibitori della proteasi sono regolati dal percorso mediato da LRP1. LRP1 funziona anche come recettore per la rimozione del residuo di chilomicroni ricco di apoE e trasporta i lipidi alimentari dall'intestino al fegato. LRP1 è inoltre coinvolto nella clearance delle lipoproteine ricche di apoE, comprese le VLDL, nel fegato, nelle cellule muscolari lisce e nei macrofagi.