La tioredossina-1 (Trx-1) è una piccola proteina composta da 105 amminoacidi, con peso molecolare 12.500 dalton (12,5 kDa) che funge da maggiore arma antiossidante nelle cellule animali. È espressa in tutti i tipi di tessuto umano studiato ed è stata clonata anche nel topo, nel ratto, nel pollo, nel maiale, nel criceto e nei bovini. Dal punto di vista dell'evoluzione è molto conservata; infatti, fu clonata per la prima volta nel batterio Escherichia coli e successivamente trovata nel lievito (Saccharomyces cerevisiae) e via via in altre specie animali.
Possiede proprietà enzimatiche legate ai cicli di ossidoriduzione. Nel suo sito catalitico, infatti, si trovano due residui di cisteina (cisteina 32 e 35) che riducono i ponti disolfuro (S-S) su altre proteine che sono state bersaglio dell'azione dei radicali liberi dell'ossigeno. Cedendo due equivalenti riducenti, la Trx-1 così riduce la proteina bersaglio per divenire ossidata a sua volta. La tioredoxina reduttasi 1 (TxR1) è il suo corrispondente enzima rigenerante, il quale utilizza gli equivalenti riducenti del cofattore NADPH (derivato dalla vitamina PP o nicotinamide) per trasferirli sulle cisteine ossidate della Trx-1. In tal modo, il sito catalitico della Trx-1 è rigenerato ed è pronto a riconvertire altre proteine cui certi residui di cisteina sono stati ossidati.
La reazione totale può essere semplificata nello schema seguente:
Trx (SH)2 + Proteina (S-S) → Trx (S-S) + proteina (SH)2 Trx(S-S) + NADPH → Trx (SH)2 + NADP+
La tioredossina reduttasi (ovvero TxR1) è un enzima molto speciale poiché è una delle rare proteine del mondo animale ad incorporare nella sua struttura un atomo di selenio, sotto forma dell'amminoacido seleno-cisteina. Ed è proprio questo residuo nella parte terminale della proteina a catalizzare la sua interazione redox con la Trx-1. È stato ampiamente dimostrato che la codifica di una TxR1 priva degli ultimi due amminoacidi (il penultimo è proprio la seleno-cisteina), la rende totalmente priva di funzione enzimatica. La tanto discussa azione antiossidante dei supplementi alimentari a base di selenio, deriva in parte proprio dal suo essere incorporato nella struttura di questo enzima.
La Trx-1 si trova principalmente nel citoplasma, sebbene sono note condizioni fisio-patologiche in cui può traslocare nel nucleo cellulare (es. ridotta ossigenazione cellulare). La Trx-1 è anche una proteina facilmente inducibile da molti tipi di stress esogeno: radicali liberi dell'ossigeno (RLO), eccessiva esposizione cellulare ai perossidi o ai raggi UV, intossicazione acuta o cronica di certi metalli pesanti come piombo o arsenico. Tutte queste condizioni sono costantemente associate alla generazione di RLO, come superossido e perossidi (inclusa l'acqua ossigenata). Attraverso una catena di segnali intracellulari, la cellula "percepisce" lo stress ossidativo inducendo come difesa la sintesi di diverse proteine antiossidanti tra cui proprio la Trx-1.
Funzioni biologiche Le cellule tumorali conoscono pure questo meccanismo di induzione e lo sfruttano sintetizzando molta più Trx-1 delle cellule sane per diverse ragioni, tra cui contrastare gli effetti dei farmaci antitumorali. Diverse classi di questi farmaci tossici agiscono tramite la genesi di RLO e l'induzione di un tipo di morte geneticamente programmata chiamata "apoptosi". Molti tipi di tumore umano come carcinoma gastrico, pancreatico, mammario ed epatico, alcuni tipi di leucemia e tumori dei tessuti riproduttivi sintetizzano più Trx-1 del normale e la loro frequente chemio-resistenza è direttamente legata a questo fenomeno.
La Trx-1 è stata identificata come uno dei fattori rilasciati nel sangue delle donne gravide per sopprimere la risposta immunitaria verso l'embrione. Fu denominata fattore precoce della gravidanza (early pregnancy factor o EPF), ma la sua identità molecolare è rimasta ignota per molto tempo. Inizialmente sono i tessuti materni che provvedono, ma dopo che l'embrione si è stabilmente impiantato comincia la produzione della sua Trx-1. Il meccanismo con cui la Trx-1 agisce sulle cellule immunitarie rendendole "cieche" all'esistenza dell'embrione non è ancora chiaro. Molti dati sperimentali, tuttavia, portano a indicare l'esistenza di uno o più recettori fuori dalla cellula attraverso i quali la Trx-1 potrebbe esplicare le sue azioni.
A livello intracellulare, la Trx-1 funge da maggiore proteina antiossidante assieme ad un'altra piccola molecola nota col nome di glutatione (GSH). Quest'ultimo è decisamente molto più abbondante della Trx-1; la sua concentrazione nel citoplasma è dell'ordine dei 5-10 millimolare (mM). La concentrazione media della Trx-1, invece, è esattamente 1000 volte inferiore (5-10 micromolare). Si potrebbe inferire che la Trx-1 non è perciò così efficiente come il GSH ne rimuovere i RLOs.
Invece, la sua efficienza è quasi identica; non bisogna dimenticare, infatti, che la Trx-1 è dotata di proprietà enzimatiche per svolgere il suo lavoro. Dal punto di vista catalitico, perciò, è senza dubbio migliore del GSH. Comparando quindi la maggiore abbondanza del GSH con la migliore efficienza catalitica della Trx-1, si può concludere dicendo che i due sistemi anti-ossidanti lavorano in parallelo.
C'è poi un altro fattore da considerare. Sia il GSH sia la Trx-1 non sono dispersi nel citoplasma cellulare in ordine casuale. Ci sono prove che i due sistemi sono "compartimentalizzati"; esistono cioè in domini discreti dove mostrano preferenza di substrati ed efficienza, sia di catalisi sia nel rimuovere i RLOs prodotti dal metabolismo cellulare.
La grande scoperta riguardo alla Trx-1 fu fatta agli inizi degli anni '90, quando alcuni autori dimostrarono che a livello nucleare la Trx-1 catalizza la riduzione dei ponti S-S di due proteine nucleari, i proto-oncogeni noti con i nomi di c-Fos e c-Jun. Queste due proteine sono dei fattori di trascrizione, ossia legano il DNA in regioni specifiche per indurre l'espressione di nuovi geni. In sé stessi, Fos e Jun sono due proteine facilmente inducibili e molto abbondanti, che dopo la loro unione (divenendo partner) formano un fattore di trascrizione comunemente noto come AP-1.
Il ruolo di questa proteina AP-1 nella genesi dei tumori è ormai completamente dimostrato: la continua stimolazione della cellula tumorale con segnali esterni porta inevitabilmente all'attivazione del fattore AP-1, necessaria per l'incontrollata espressione genica che caratterizza le cellule cancerose. Quando per eccesso di stress ossidativo Fos e Jun divengono ossidati su dei residui di cisteina critici (formando un dimero covalente), la loro funzione viene abolita.
Ecco spiegato uno dei motivi perché la cellule tumorali sintetizzano più Trx-1 delle cellule normali: togliere di mezzo i RLOs che potrebbero impedire il corretto funzionamento del fattore AP-1! La Trx-1 ridotta (cioè con i gruppi cisteina -SH liberi) cede gli equivalenti riducenti al ponte disolfuro del dimero AP-1 inattivo per rigenerare Fos e Jun liberi. La reazione globale è la seguente:
Fos-S-S-Jun + Trx(SH)2 → Fos + Jun + Trx(SS)
Ovviamente la riduzione della Trx-1 ossidata avviene nuovamente per mezzo della reduttasi specifica (TxR1).
Successivamente, è stato scoperto che AP-1 non è il solo fattore di trascrizione che viene controllato dalla Trx-1. Un altro importante fattore sotto il suo controllo è il famoso oncosoppressore p53, la cui mutazione è responsabile di svariati tipi di cancro. Anche p53 può essere soggetto all'azione dei RLOs e divenire inattivo a causa loro. La funzione della Trx-1 è di agire allo stesso modo con cui agisce su AP-1, riducendo dei ponti disolfuro di questo oncosoppressore e ripristinandone la funzione.
Sino ad oggi, sono noti una decina i fattori di trascrizione sotto il controllo redox della Trx-1. Vogliamo riportare qui un ultimo esempio per ragioni di praticità. La Trx-1 può controllare lo stato redox anche del recettore intracellulare degli steroidi chiamati glucocorticoidi. IL recettore dei glucocorticoidi (che chiameremo GR) per svolgere le sue azioni biologiche lega gli ormoni steroidei noti con i nomi di cortisolo, cortisone e deossicorticosterone. Dopo la formazione del complesso ormone-recettore, questo migra dentro il nucleo cellulare per legare il DNA e portare all'espressione genica specifica.
Tutti conoscono l'utilità della terapia cortisonica nel caso dell'asma. Essa è necessaria quando l'infiammazione diventa "refrattaria" alle terapie convenzionali. Tuttavia, ci sono casi in cui persino la terapia steroidea mostra scarsa efficacia nonostante la frequenza delle dosi. Il motivo è stato scoperto circa cinque anni fa. Lo stress ossidativo prodotto nell'infiammazione polmonare che si stabilisce nella malattia asmatica, porta all'inattivazione del GR, proprio allo stesso modo con cui i RLO bloccano il fattore AP-1. Il farmaco steroideo ha scarsissima affinità per il GR ossidato: ecco che il GR non può più entrare nel nucleo cellulare e trascrivere i geni per le proteine anti-infiammatorie che normalmente sono indotte dalla terapia steroidea.
Esperimenti fatti sia su ratti che su criceti con modelli sperimentali di asma polmonare cronico e poco responsivi agli steroidi, hanno fatto vedere che dando un supplemento di sostanze anti-ossidanti come l'acetilcisteina (NAC) prima del farmaco steroideo, la risposta al farmaco migliora sensibilmente. È stato speculato che il supplemento antiossidante aiuti la Trx-1 dentro le cellule a rigenerare il GR ossidato, rendendolo nuovamente sensibile al farmaco steroideo, e ci sono prove convincenti che questo sia il meccanismo molecolare più probabile.
Come si dirà nel paragrafo successivo, nella sezione "funzioni immunitarie", i soggetti allergici ed asmatici hanno una maggiore concentrazione di Trx-1 nel plasma sanguigno, specie dopo un attacco acuto. La ragione sembra essere legata all'espulsione della Trx-1 ossidata fuori dalle cellule prima ancora che possa essere riconvertita dalla sua reduttasi. La cellula, così, si impoverisce di Trx-1 e non può più efficientemente spazzare via i RLOs che oltre a mantenere l'infiammazione, inattivano il GR portando in cronico alla "steroido-resistenza".
Tioredossina e patologie umane Danno cutaneo
La pelle umana normale possiede la Trx-1 concentrata nella componente secretoria delle ghiandole sudoripare, nelle ghiandole sebacee e nello strato esterno della radice del bulbo pilifero, ma non nelle cellule epidermiche tra i follicoli. L'estesa esposizione solare ha dimostrato indurre la Trx-1 anche in quest'ultimo tipo cellulare, probabilmente come risposta ad un danno cellulare causato dalla radiazione solare, specialmente la componente ultravioletta. Nel modello di cancerogenesi cutanea di topo indotta dal composto TPA (un estere forbolico di origine vegetale) e dai raggi UVA ed UVB, la Trx-1 è uno dei primissimi geni indotti in risposta alla lesione cellulare. Lo stesso succede dopo infezione virale cutanea di topo con ceppi di virus di papilloma. Infatti la Trx-1 riesce a modulare l'attività enzimatica di una classe di enzimi chiamati "metallo-proteinasi" (MMPs). Questi enzimi sono coinvolti nel rimodellamento della matrice extracellulare, soprattutto a livello tumorale dove il loro ruolo nella genesi delle metastasi è ampiamente dimostrato. Molti gruppi di ricerca ritengono perciò che la sua induzione nella cute serva come risposta protettiva.
Aterosclerosi