ALTERAZIONI MOLECOLARI ASSOCIATE ALL’INSULINO-RESISTENZA

La glicemia, ovvero la concentrazione di glucosio nel sangue, è un parametro di fondamentale importanza per il corretto mantenimento dell’omeostasi cellulare, e alterazioni sia in difetto sia in eccesso dei range fisiologici rappresentano condizioni particolarmente rischiose per la salute umana.

Gli aggiustamenti che consentono di ripristinare le eventuali alterazioni della glicemia coinvolgono l’azione coordinata di diverse molecole, tra cui principalmente due ormoni pancreatici: l’insulina e il glucagone, che, coadiuvati da altre biomolecole, permettono di mantenere i livelli di glucosio costanti intorno a una concentrazione di 4,5 mM.

 

Cenni sul ruolo dell’insulina

La secrezione di insulina è principalmente stimolata dall’iperglicemia. Una volta rilasciato dalle cellule β pancreatiche, l’ormone raggiunge rapidamente i tessuti bersaglio – muscoli, fegato e tessuto adiposo – dove si lega al recettore di membrana IRTK (insulin receptor tyrosine kinase). L’attivazione di questo recettore avvia specifiche vie di segnalazione che favoriscono l’ingresso del glucosio nelle cellule, la sua trasformazione in composti di riserva (glicogeno e lipidi) e, al tempo stesso, l’inibizione delle vie metaboliche tipiche della carenza di glucosio, come gluconeogenesi e lipolisi.

Evidenze sperimentali mostrano che, in molte malattie moderne legate al benessere, come obesità, steatosi epatica non alcolica, aterosclerosi e diabete mellito di tipo 2 (T2DM), si osserva un’eccessiva secrezione di insulina (iperinsulinemia). Spesso questo fenomeno rappresenta un tentativo di compensare la condizione di insulino-resistenza, caratterizzata dall’incapacità delle cellule bersaglio di rispondere in modo adeguato allo stimolo insulinico (Zimmet, 2001).”

Il recettore dell’insulina è una proteina complessa che funziona come un “interruttore molecolare”. È formato da due subunità α e da due subunità β, che attraversano la membrana e sporgono nel citoplasma con la loro parte C-terminale. Queste ultime possiedono attività enzimatica. Quando l’insulina si lega alle subunità α, le subunità β si auto-fosforilano e questo meccanismo permette di “accendere” i siti catalitici del recettore, che diventano così in grado di fosforilare altre proteine coinvolte nella trasmissione del segnale. Una delle prime proteine a essere attivate è IRS1 (insulin receptor substrate-1), che funziona come piattaforma di ancoraggio per altre molecole chiave della cascata di segnalazione. Tra queste, la chinasi PI3K (Phosphatidylinositol 3-kinase) che consente l’attivazione della proteina chinasi B (PKB, o Akt), un enzima centrale nel signaling insulinico, la cui attivazione è regolata dalla fosforilazione di due punti specifici (Thr308 e Ser473).

 

La resistenza insulinica nel muscolo scheletrico

L’attivazione di Akt innesca una serie di risposte cellulari che variano a seconda del tessuto. Nel muscolo, ad esempio, Akt promuove la fusione delle vescicole GSVs (Glucose Storage Vesicles) con la membrana plasmatica. Queste vescicole mantengono i trasportatori del glucosio GLUT4, in assenza di stimoli, sequestrati nel citoplasma. Una volta esposti sulla membrana, i trasportatori GLUT4 permettono alle cellule muscolari di captare più glucosio dal sangue. Il glucosio che entra viene rapidamente fosforilato dall’enzima esochinasi a glucosio-6-fosfato, che a sua volta regola positivamente o negativamente diversi enzimi della glicogenosintesi, modulando quindi l’accumulo di riserve energetiche.

Numerosi studi hanno mostrato che, in condizioni di insulino-resistenza, le cellule muscolari espongono meno trasportatori GLUT4 in membrana. Questo difetto è legato a un’alterazione nella cascata di segnalazione che va dal recettore insulinico (IRTK) a IRS1, PI3K e infine Akt. Una possibile spiegazione risiede in una fosforilazione “sbagliata” di IRS1: invece che su residui di tirosina, IRS1 verrebbe fosforilato prevalentemente su residui di serina. Questo evento ne ridurrebbe l’affinità per il recettore, ostacolando la trasmissione del segnale e favorendo la degradazione della proteina. [1,2]

 

La resistenza insulinica negli epatociti

Nel fegato, l’attivazione di Akt da parte dell’insulina non solo stimola la produzione di glicogeno e la sintesi de novo dei lipidi (lipogenesi), ma ha anche l’importante funzione di inibire FOXO1 (Forkhead box O1) , un fattore di trascrizione nucleare che normalmente promuove l’espressione di geni coinvolti nella gluconeogenesi epatica (HPG). In condizioni di insulino-resistenza, però, questo equilibrio si altera: la gluconeogenesi non viene più efficacemente soppressa, mentre la lipogenesi epatica rimane paradossalmente attiva. [9]

Questa apparente “selettività” sembra dipendere da un’attivazione incompleta di Akt. Infatti, la proteina mantiene la fosforilazione sul residuo Thr308, ma non su Ser473. Questa condizione riduce la capacità di Akt di fosforilare substrati come FOXO1, che richiedono la fosforilazione in Ser473, ma consente comunque l’attivazione di vie metaboliche che si basano sulla sola fosforilazione in Thr308 [2]. Altri meccanismi potrebbero contribuire a spiegare questa differenza. Tra questi, la variabilità nei livelli di secrezione insulinica, la capacità delle cellule epatiche di attivare la lipogenesi indipendentemente dallo stimolo insulinico e la ridotta stabilità funzionale della proteina PHLPP-2 (pleckstrin homology domain leucine-rich repeat protein phosphatase-2), una fosfatasi che normalmente disattiva Akt al termine della stimolazione insulinica. La conseguenza di quest’ ultima alterazione è un’attivazione prolungata di Akt nelle fasi tardive dopo lo stimolo. In questo contesto, Akt non riesce più a bloccare la gluconeogenesi, ma continua a promuovere la lipogenesi de novo, contribuendo così allo squilibrio metabolico. [2]. 

 

La resistenza insulinica negli adipociti

Anche nel tessuto adiposo l’insulina svolge diverse funzioni coordinate: inibisce la lipolisi, favorisce l’ingresso del glucosio nelle cellule attraverso il trasportatore GLUT4 e promuove la trasformazione dello zucchero in grassi (lipogenesi) che saranno poi immagazzinati negli adipociti maturi la cui differenziazione è indotta dall’insulina stessa.  Quando si sviluppa insulino-resistenza, però, questi meccanismi non funzionano più correttamente. Uno dei problemi principali è l’aumento della lipolisi, dovuto al malfunzionamento della proteina regolatoria PDE3B (Phosphodiesterase 3B), che in condizioni normali serve proprio a limitare questo processo. [3]

 

Cause molecolari dell’insulino-resistenza

Sono state avanzate diverse ipotesi per spiegare le alterazioni molecolari alla base dell’insulino-resistenza. Tra queste, un ruolo di primo piano è attribuito all’eccesso di acidi grassi liberi circolanti (FFAs, free fatty acids), una condizione tipica di molte patologie metaboliche associate a questo disturbo. Nelle cellule muscolari, in particolare, l’accumulo di FFA può compromettere la traslocazione del trasportatore GLUT4 sulla membrana plasmatica. Ciò avviene, in parte, perché l’eccesso di acidi grassi inibisce alcuni enzimi della glicolisi, mantenendo elevata la concentrazione intracellulare di glucosio libero. In particolare, concentrazioni elevate di FFAs stimolano la β-ossidazione, la via metabolica che consente di ricavare energia dalla degradazione degli acidi grassi. Questo processo porta ad un aumento della produzione di acetil-CoA, che inibendo l’enzima piruvato deidrogenasi, alimenta il ciclo degli acidi tricarbossilici e determina un eccesso di citrato. Il citrato, a sua volta, inibisce la glicolisi a livello della fosfofruttochinasi-1 (PFK-1). Ciò comporta un accumulo di glucosio 6-P che bloccando l’esochinasi mantiene un’alta concentrazione di glucosio libero [4] e conseguentemente, la captazione di ulteriore glucosio tramite GLUT4 viene inibita. [2]

Negli epatociti, gli acidi grassi vengono prevalentemente esterificati e legati a molecole di glicerolo formando composti chiamati diacilgliceroli (DAGs). Di questi ne esistono diverse isoforme e steoisomeri; Negli epatociti, in particolare, lo stereoisomero sn-1,2-DAG — prodotto dall’azione della fosfolipasi C su PIP2 — promuove l’attivazione e la traslocazione verso la membrana plasmatica dell’isoforma ε della proteina chinasi C (PKCε) che fosforilando il recettore insulinico in Thr1160, ne riduce l’attività tirosin-chinasica e inibisce la cascata di segnali a valle.

L’esterificazione dei FFAs si ha anche nel muscolo scheletrico: i DAGs prodotti, in modo analogo a quanto accade nel tessuto epatico, stimolano l’isoforma θ della proteina chinasi C (PKCθ) che fosforila IRS-1 in Ser1101 impedendone la normale attivazione indotta dall’insulina e compromettendo così la segnalazione a valle.

Altri lipidi che giocano un ruolo importante nello sviluppo dell’insulino-resistenza sono le ceramidi, una classe di sfingolipidi complessi coinvolti nel signaling cellulare e nel mantenimento dell’integrità delle membrane plasmatiche. Quando si accumulano possono interferire con la normale trasmissione del segnale insulinico, bloccando l’attività di due proteine chiave: IRS-1 e Akt. Nel caso di IRS-1, l’effetto inibitorio è mediato dall’attivazione di MLK3 (mixed lineage kinase-3), un’attivatrice di chinasi sensibili allo stress, come p38 e JNK (c-Jun N-terminal kinase) che, fosforilandolo IRS1 sul residuo di serina 307, impediscono la sua normale attivazione. [5] L’effetto inibitorio su Akt, invece, può essere promosso attraverso due vie principali. Una via coinvolge l’isoforma zeta della proteina chinasi C (PKCζ) che fosforila Akt su residui di serina o treonina presenti nel suo dominio PH (pleckstrin homology domain) impedendole di interagire con i partner della cascata insulinica; l’altra via consiste nell’attivazione della fosfatasi PP2A (Protein Phosphatase 2A) che defosforilandola la inattiva.

Un’altra via metabolica coinvolta nell’insulino-resistenza è l’Hexosamine Biosynthetic Pathway (HBP), o via dell’esosamina. Questa utilizza piccole quantità di glucosio, insieme ad aminoacidi, acidi grassi e nucleotidi, per produrre UDP-N-acetilglucosamina (UDP-GlcNAc). Questa molecola funge da “donatore di zuccheri” nei meccanismi di glicosilazione o O-GlcNAcilazione, importanti processi coinvolti nel normale folding delle proteine.  In condizioni di eccesso di glucosio, l’iperproduzione di UDP-GlcNAc altera il normale grado di O-GlcNAcilazione delle proteine, incluse quelle coinvolte nel signaling insulinico, (come IRS1, PI3K, Akt e GSK3β, FOXO1), bloccandone o rallentandone la normale funzione biologica. [2,10]

Infine, altri meccanismi che non causano direttamente l’insulino-resistenza, ma che certamente contribuiscono ad aggravarla, sono lo stress del reticolo endoplasmatico (ER stress) e l’infiammazione cronica. Quando l’organismo riceve un eccesso di nutrienti, zuccheri o grassi, il reticolo endoplasmatico delle cellule si sovraccarica e accumula proteine mal ripiegate. Per difendersi, la cellula attiva la UPR (unfolded protein response), un meccanismo che limita la sintesi di nuove proteine e stimola la produzione di chaperonine, utili a favorirne il corretto ripiegamento. Questo processo, tuttavia, ha effetti collaterali: vengono infatti attivate le chinasi della famiglia JNK (c-Jun N-terminal linase) che fosforilando proteine coinvolte nel signaling insulinico su residui di serina (come IRS1) ne bloccano o ne limitano la normale funzione biologica. Se l’insulino-resistenza persiste da tempo ed è aggravata dall’infiammazione cronica questo evento viene ulteriormente amplificato in quanto le cellule del sistema immunitario infiltratesi nei tessuti sensibili all’insulina promuovono il rilascio del TNFα (Tumor Necrosis Factor α) che attivando il fattore di trascrizione NF-κB (nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells) promuovono la trascrizione dei geni codificanti le chinasi JNK.[2]

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

  1. Irs1 serine 307 promotes insulin sensitivity in mice. Copps, Kyle D. 2010, Cell Metab, p. 84-92.
  2. Insulin Resistence: From Mechanism to therapeutic strategies. Lee, Shin Hae. 2021, p. 15-37.
  3. The Molecular Brakes of Adipose Tissue Lipolysis. Yongguo. 2022, Front Physiol.
  4. The glucose fatty acid cycle. Its role in insulin sensitivity and the metabolic disturbances of diabetes mellitus. Randle. 1963, Lancet, p. 785-789.
  5. Role of ceramide in diabetes mellitus: evidence and mechanism. Galadari, Sehamuddin. 2013, Lipids in Health and Disease , p. 12-98.
  6. Global and societal implications of the diabetes epidemic. Zimmet. 2001, Nature, p. 414: 782-7.
  7. Inactivation of hepatic Foxo1 by insulin signaling is required for adaptive nutrient homeostasis and endocrine growth regulation. Xiaocheng. 2010, Cell Metab, p. 65-76.
  8. Dual role of transcription factor FoxO1 in controlling hepatic insulin sensitivity and lipid metabolism. Matsumoto. 2006, JCI, p. 2464-2472.
  9. The role of pathway-selective insulin resistence and responsivness in diabetic dyslipoproteinemia. Wu. 2012, Curr Opin Lipidol, p. 334-344.
  10. Hexosamines as mediators of nutrient sensing and regulation in diabetes. . McClain. 2002, J Diabetes complications , p. 72-80.

 

Leave a reply