La fosfatidilcolina (PC), fu uno dei primi anfifili biologici ad essere scoperto (Gobley, 1874). La scoperta della PC è stata facilitata dalla combinazione della sua facile dissoluzione in cloroformio e della sua grande abbondanza. Nella prima metà del 20° secolo divenne chiaro che la PC formava una parte grande e importante delle membrane. Questo ha portato a un considerevole sforzo di ricerca per chiarire le sue proprietà biofisiche (Chapman et al., 1977; Eliasz et al., 1976; Salsbury et al., 1970). Questa ricerca avvenne contemporaneamente all’avvento del modello a mosaico fluido della struttura della membrana (Singer & Nicolson, 1971, 1972), portando ad una visione diffusa che questo lipide fosse un elemento di costruzione cellulare, analogo ai mattoni di argilla cotta usati per costruire le case.
Questo punto di vista cominciò a cambiare quando si scoprì che il PC è un lipide di stoccaggio dei residui arachidonoilici (Bills & Silver, 1975; Kramer & Deykin, 1983; Ziboh & Lord, 1979). Queste osservazioni sono state sorprendenti perché hanno suggerito per la prima volta che la PC ha un ruolo in processi che non sono esclusivamente fisici. In questo caso, alcuni acidi grassi in PC sono utilizzati in percorsi di prostaglandina dietro le risposte (Bills & Silver, 1975; Ziboh & Lord, 1979). Qui, passiamo in rassegna diversi progressi recenti che hanno ampliato la nozione che la PC non è solo una specie di mattone cellulare.
Un esempio scoperto di recente è la relazione tra PC e recettori attivati dai perossisomi proliferatori (PPAR). I PPAR sono proteine di recettori nucleari che hanno ruoli di regolazione nell’espressione genica e stanno diventando sempre più popolari come bersagli farmacologici. Chakravarthy et al. (2009) hanno scoperto che una comune isoforma (specie molecolare) di PC, 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glicerolo-3-fosfocolina (16:0/18:1 PC, POPC), serve come ligando endogeno per il recettore nucleare PPARα negli epatociti. PPARα è un fattore di trascrizione che regola l’espressione di molti geni che governano il metabolismo dei lipidi (Kersten, 2014).
L’espressione genica che deriva dall’attivazione di PPARα è ridotta quando la sintasi degli acidi grassi (FAS) o l’enzima biosintetico PC CEPT1, entrambi richiesti per la presenza di POPC, sono inattivati. Inoltre, si è scoperto che gli agonisti PPARα stabiliti competono con POPC per il legame. L’interazione di POPC con le altre PPAR era molto più debole (PPARδ) o addirittura assente (PPARγ). L’iniezione di POPC nella vena porta epatica di soggetti vivi (topi) per diversi giorni è stata seguita da un aumento dell’espressione genica PPARα-dipendente e da una diminuzione della steatosi epatica (Chakravarthy et al., 2009). Questi risultati sono sorprendenti perché implicano che quella che sembra essere un’isoforma piuttosto ordinaria di PC, ben nota come lipide strutturale, è in grado di influenzare l’espressione genica nei mammiferi con una stretta specificità. L’osservazione del POPC come molecola di segnalazione è supportata dalla sua abbondanza relativamente bassa nel fegato.
La specificità di questo sistema diventa ancora più sorprendente alla luce di uno studio su un altro PPAR. Il recettore nucleare epatocitario PPARδ è stato trovato per controllare una via lipogenica nel fegato che regola l’assorbimento degli acidi grassi e la β-ossidazione da parte del muscolo. Liu et al. hanno identificato l’1-stearoil-2-oleoil-sn-glicerolo-3-fosfocolina (18:0/18:1 PC, SOPC) come il lipide sierico regolato dall’attività diurna del PPARδ epatico (Liu et al., 2013). La SOPC, ma non il POPC, ha quindi un effetto di riduzione dei livelli postprandiali (dopo il pasto) di trigliceridi e aumenta l’utilizzo degli acidi grassi attraverso i recettori PPARα nelle cellule muscolari.
Insieme, queste funzioni di segnalazione di POPC e SOPC dimostrano non solo che almeno due specie molecolari di PC sono coinvolte in aspetti correlati ma distinti del metabolismo dei grassi, ma suggeriscono anche che le proteine coinvolte, cioè il PPARα epatico e l’antimicrobina.e. PPARα del fegato e un effettore a monte del PPARα muscolare (o forse lo stesso PPARα muscolare), sono sufficientemente specifiche da poter distinguere tra isoforme di PC simili come SOPC e POPC.
Ricerche recenti sul recettore umano Homologue 1 (LRH-1), responsabile della regolazione della biosintesi degli acidi biliari, hanno rivelato un altro esempio di una specie molecolare di PC specifica che serve da agonista. L’attivazione di LRH-1 del di-lauroil PC (di-C12:0 PC, DLPC) era circa due volte quella del di-caproil PC (di-C10:0 PC) e quattro volte quella del di-miristoil PC (di-14:0 PC). Il PC dipalmitoil (di-16:0 PC, DPPC) non attivava affatto il recettore (Lee et al., 2011). La maggiore attività è stata indotta dal di-undecanoyl PC (di-C11:0 PC, DUPC), tuttavia l’agonista per questo recettore in vivo dovrebbe essere il DLPC. DLPC e DUPC non hanno attivato PPARα. La spettrometria di massa ha mostrato lo spostamento dei lipidi di Escherichia coli da parte di DLPC nel dominio di legame lipidico espresso eterologicamente (in E. coli) di LRH-1, ma non da DPPC. I test in vivo (murini) hanno mostrato che la DLPC somministrata ha influenzato l’espressione dei geni bersaglio LRH-1 e ha abbassato i trigliceridi epatici e il glucosio nel siero. Il trattamento con DLPC di topi insulino-resistenti ha diminuito la steatosi epatica e migliorato l’omeostasi del glucosio. Questo è stato supportato dall’osservazione che entrambi gli effetti anti-diabete e lipotropici sono persi nei knockout epatici specifici di Lrh-1. Questo lavoro ha dimostrato la presenza di una via di segnalazione della fosfatidilcolina LRH-1-dipendente che regola il metabolismo degli acidi biliari e l’omeostasi del glucosio.
Musille et al. (2012) hanno costruito sul lavoro di Lee et al. esplorando la struttura di LRH-1 quando è legata a DLPC e altri lipidi e quando non è legata, utilizzando dati cristallografici. Questo lavoro ha rivelato che LRH-1 subisce cambiamenti conformazionali in risposta al legame di un legante lipidico che dipendono dalla composizione in acidi grassi del lipide. Inoltre, l’attività di DLPC su LRH-1 è descritta come un tipico agonista, in quanto aumenta il reclutamento di co-attivatori e sfavorisce il legame dei repressori. Questo contribuisce all’importanza di LRH-1 come bersaglio terapeutico. Una questione saliente sollevata da questi studi, che probabilmente richiede un approccio interdisciplinare, è il meccanismo molecolare con cui le proteine dei recettori nucleari si legano ai loro particolari ligandi PC.
C’è anche evidenza di almeno due ruoli distinti per PC nella trasduzione dell’insulina (Ersoy et al., 2013; Sakai et al., 2014). La proteina di trasferimento della fosfatidilcolina (PC-TP, nota anche come StARD2) con la sua capacità di scambiare molecole di PC tra i bilayer lipidici è il prototipo di una proteina legante i lipidi specifica per la PC. Anche se questa proteina è stata inizialmente considerata come un trasportatore di lipidi inter-membrana, prove più recenti indicano che il ruolo principale di PC-TP è quello di un sensore di lipidi. Ersoy et al. (2013) hanno inibito la PC-TP con la piccola molecola A1 e hanno osservato un aumento delle concentrazioni allo stato stazionario del substrato del recettore dell’insulina 2 (IRS2). A1 è una sulfonamide (Shishova et al., 2011) che sposta le molecole di PC dal sito di legame PC-TP. IRS2 è un importante effettore della segnalazione dell’insulina che è attenuato nel diabete. Non è chiaro se la natura delle specie molecolari di PC legate alla PC-TP abbia un ruolo, tuttavia, un lavoro precedente di Kasurinen et al. (1990) ha mostrato che l’affinità della PC-TP per la PC aumentava con il numero di legami insaturi sull’acido grasso sn-2.
Le PC sature possono essere indirettamente coinvolte nella regolazione dell’omeostasi del glucosio, fornendo substrato per la digliceride chinasi delta (DGKδ) che regola l’assorbimento del glucosio nelle cellule muscolari. L’espressione di DGKδ è ridotta nel diabete di tipo 2, e la carenza di DGKδ ha dimostrato di causare insulino-resistenza (Chibalin et al., 2008). DGKδ fosforila i digliceridi (DG) per dare acido fosfatidico (PA); al momento non è chiaro se un accumulo di DG o la mancanza di PA causino il difetto. Sakai et al. (2014) hanno riportato che i digliceridi interessati contengono tipicamente residui di acido palmitico (16:0). Questo processo dipende dalla fosfolipasi-C specifica per la PC (PC-PLC), poiché l’aggiunta di un inibitore di questa lipasi, D609, ha ridotto significativamente l’attività stimolata dal glucosio della DGKδ. Questo suggerisce che i prodotti gliceridici dell’attività della PC-PLC sono necessari per l’attività di DGKδ, il che è supportato dall’osservazione che la PC-PLC co-immunoprecipita con DGKδ, suggerendo che le due proteine sono adiacenti in vivo assicurando che la disponibilità di substrato per DGKδ sia alta (Sakai et al., 2014). Questo è importante perché questi gliceridi contenenti palmitoil sono distinti dalle isoforme polinsaturi di DG che tipicamente provengono da altre fonti. L’evidenza della conversione di PC in DG e quindi in PA solleva una domanda su come questi cambiamenti influenzino il comportamento fisico locale della membrana. La conversione di PC in DG è nota da tempo per avere un’influenza fisica sui sistemi di membrana (Riske & Döbereiner, 2003) (vedi Goñi et al, 2012, per una revisione), ma non è immediatamente chiaro quali possano essere gli effetti in vivo.
Un’unica isoforma di PC, 1-oleoyl-2-palmitoyl-sn-glicerolo-3-fosfocolina (OPPC) è stata implicata nella compartimentazione funzionale della membrana plasmatica dei neuroni (Kuge et al., 2014). L’evidenza sperimentale è in gran parte basata su un anticorpo monoclonale che riconosce specificamente le (liso-)PC con acido oleico installato in posizione sn-1 nella membrana plasmatica neuronale. I dati suggeriscono che il rimodellamento della catena acilica della PC stimolato da NGF genera localmente OPPC, un processo catalizzato da una fosfolipasi A1 e da un’aciltransferasi arricchita nelle punte degli assoni in via di sviluppo. Kuge et al. (2014) propongono che OPPC attragga un sottoinsieme di proteine integrali di membrana e quindi definisca un compartimento di membrana nella membrana plasmatica neuronale presinaptica.
Queste recenti scoperte mostrano che le isoforme di PC hanno ruoli fondamentali nelle cellule dei mammiferi che non sono direttamente collegati al ruolo della PC come principale componente strutturale delle membrane biologiche. Tali ruoli includono la regolazione dei geni e il controllo omeostatico della concentrazione di glucosio nel siero. In particolare, la specificità delle isoforme di PC in tali processi è abbastanza chiara, con recettori in grado di differenziare tra PC con diversi residui di acidi grassi. Questo invita a ipotizzare che gli enzimi responsabili della produzione di PC siano coinvolti non solo nel dirigere le proprietà fisiche delle membrane dei mammiferi, ma anche alcune delle attività metaboliche più fondamentali dell’organismo.
Questa prova che la PC ha un ruolo biologico significativo che può essere del tutto separato da quello strutturale arriva contemporaneamente alle indicazioni che gli inositidi, lipidi che si pensava fossero esclusivamente lipidi di segnalazione o loro precursori negli eucarioti, possono avere un forte impatto fisico sulle membrane (Furse, 2015; Zhendre et al, 2011). Questo supporta la nozione che le classi di fosfolipidi hanno più di un ruolo in vivo, e suggerisce che non è possibile prevedere quale sarà il ruolo finale di una data isoforma di fosfolipide, in quanto ci sono ora diversi esempi di lipidi che hanno una struttura molto simile ma mostrano una notevole differenza nella bioattività.
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