Lezione del 13/05/2005 e 19/05/05 Anno accademico 2004/05.

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1 Lezione del 13/05/2005 e 19/05/05 Anno accademico 2004/05

2 Antiinfiammatori steroidei (Corticosteroidi o glucocorticoidi)

3 Colesterolo Membrane cellulari Ormoni steroidei
CH3 H3C CH3 H3C CH3 HO Colesterolo Membrane cellulari Ormoni steroidei

4 Cortisolo o Idrocortisone

5 Cortisol (hydrocortisone)
Cholesterol Steroid20a hydroxylase 20a-OH-cholesterol P450sccCYPXIA Colesterol Side Chain cleavage enzyme Pregnenolone Progesterone Aldosterone P45017aCYPXVIIA Steroid17a hydroxylase 17a-OH-pregnenolone Dehydroepiandrosterone 3b-HSD 3beta-hydroxysteroid dehydrogenase 17a-OH-progesterone Androstenedione Oestrone P45021CYPXXIA Steroid21 hydroxylase 11-deoxycortisol Testosterone Oestradiol P45011bCYPXIB Steroid11b hydroxylase Cortisol (hydrocortisone)

6 + IL-1 IL-2 TNF-a + ___ Sistema immunitario Linfociti, neutrofili
monociti/macrofagi ___

7 Cortisolo Il cortisolo è sintetizzato dalla zona fascicolata/reticolare del surrene La biosintesi e la liberazione è indotta dall’ormone adrenocorticotropo (ACTH), rilasciato dall’ipofisi, a sua volta sotto il controllo dell’ipotalamo via CRH (corticotropin-releasing hormone). L’ACTH (via un recettore serpentino, Gs): 1) aumenta la traslocazione (?) del substrato nella membrana interna dei mitocondri, dove sono localizzati gli ormoni biosintetici (P450scc) 2) aumenta la trascrizione genica degli enzimi biosintetici

8 Produzione circadiana del cortisolo e dell’aldosterone
Secrezione giornaliera 10 mg/die 0.125 mg/die Concentrazione plasma periferico Ore 8 Ore16 16 mg/100 ml 4 mg/100 ml 0.01 mg/100 ml Goodman & Gilman’s, 2001, adapted

9 Recettori per il cortisolo
I recettori per il cortisolo (GRa e GRb) sono recettori intracellulari, membri della famiglia dei recettori steroidei (simili a quelli per mineralcorticoidi, androgeni, estrogeni, progestinici, vit. D, ac. retinoico). Il gene per i GR sono localizzati nel cromosoma 5, nella regione 5q31-q32.

10 Organizzazione genomica del gene GR e la struttura delle proteine codificate. Le isoforme differiscono nella regione carbossiterminale per “splicing” alternativo dell’esone 9. La variante b non lega il ligando, si trova già traslocato nel nucleo ed occupa il GRE non attivandolo Leung & Bloom, J Allergy Clin Immunol. 111, 3-22, 2003

11 Struttura-funzione del GR
Leung & Bloom, J Allergy Clin Immunol. 111, 3-22, 2003

12 Struttura-funzione del GR
Il recettore (~90 kDA) consiste in 3 domini, un dominio NH2-terminale di attivazione trascrizionale, un piccolo dominio (66 a.a.)per il legame con il DNA (DNA-binging domain, DBD) che contiene due strutture “zinc finger” ed un dominio carbossilico che lega l’ormone (LBD, 135 a.a.). AF-1 e AF-2 sono due domini importanti per l’attivazione della trascrizione, 2 ligando dipendente. La traslocazione è dipendente da regioni della proteina del DBD. La fosforilazione su residui di Ser del recettore ad opera delle MAP-K può alterare il legame con il ligando. La forma legata all’agonista e traslocata nel nucleo è prevalentemente fosforilata su residui di Ser 226, quella non legata e non traslocata su Ser 221 (regolazione posttrascrizionale).

13 Organizzazione del GR nel citosol
Nel citosol il GR è legato a formare un complesso eteromerico (~ 300 kDA) con proteine quali il dimero hsp90 (heat shock protein-90), p23, p56 (proteina immunofillina-correlata), che ne impediscono la traslocazione nel nucleo. hsp-90 è legata direttamente alla regione LBD e mantiene il recettore in una conformazione ideale per il legame con l’agonista. L’agonista lega il recettore…

14 Leung & Bloom, J Allergy Clin Immunol. 111, 3-22, 2003

15 Coattivatori della trascrizione genica indotta da GR dimeri
Leung & Bloom, J Allergy Clin Immunol. 111, 3-22, 2003

16 Attivazione della trascrizione genica glucocorticoide mediata
Dopo la traslocazione nel nucleo il GR come omodimero lega sequenze specifiche del DNA (glucocorticoid responsive elements, GREs) ed interagisce così con un complesso trascrizionale (TATA-binding protein, trascription factors TAFs, TFIIs, altre proteine coattivatrici come CBP e SRC ed RNA polimerasi II, POLII). hSWI/SNF ATP-dependent chromatin remodeling factor (idrolisi ATP-dipendente della cromatina). Alcuni di questi coattivatori determinano la specificità cellulare della trascrizione GR-indotta. CBP e SRC hanno attività istone acetiltranferasica (HAT)

17 Attivazione della trascrizione genica glucocorticoide mediata (segue)
Corepressori con attività istone deacetilasica (?) sembrano essere implicati nei meccanismi di switch-off dell’effetto trascrizionale dei GC, ma anche di resistenza ai glucocorticoidi Quando il GR si stacca dai GREs l’ormone si libera dal recettore ed il GR può tornare nel citosol (e riorganizzarsi nel complesso eterodimerico) oppure essere degradato.

18 Glucocorticoid-regulated genes
Increased gene trascription Lipocortin-1 (annexin-1, a PLA2 inhibitor) b2-adrenoceptor Secretory leucocyte inhibitory protein Clara cell protein (CC10, a PLA2 inhibitor) IL-1R2 (decoy receptor) IL-1ra (IL-1 receptor antagonist) IkB-a (NF-kB inhibitor) From: Barnes et al., Ann. Int. Med., 139, , 2003, adapted

19 Leung & Bloom, J Allergy Clin Immunol. 111, 3-22, 2003

20 Repressione della trascrizione genica glucocorticoide mediata
Dopo la traslocazione nel nucleo il GR come monomero si lega con interazione proteina-proteina a fattore di trascrizione di proteine pro-infiammatorie (NF-kB) e della collagenase (AP-1).

21 Glucocorticoid-regulated genes
Decreased gene transcription Cytokines (IL-1, IL-2, IL-3, IL-4, IL-5, IL-6, IL-8, IL-11, IL-13, TNF-a, GM-CSF, SCF) Chemokines (RANTES, eotaxin, MIP-1a, MIP-1, MCP-3, MCP-4 Enzymes (iNOS, COX-2, cPLA2, HDC) Adhesion molecules (ICAM-1, VCAM-1) Receptors (Bradikynin-2R, Tachykinin NK1R and NK2R) From: Barnes et al., Ann. Int. Med., 139, , 2003, adapted GM-CSF = Granulocyte-macrophage colony-stimulator factor; SCF = Stem cell factor MIP = Macrophage inflammatory protein MCP = Monocyte chemoattractan protein

22 Cellular effect of corticosteroids, Barnes et al. , Ann. Int. Med

23 Goodman & Gilman’s, 2001

24 Ann.Rev.Pharmacol.Tox. 25, , 1985,

25 DNA Binding of the Glucocorticoid Receptor Is Not Essential for Survival
Transcriptional regulation by the glucocorticoid receptor (GR) is essential for survival. Since the GR can influence transcription both through DNA-binding-dependent and -independent mechanisms, we attempted to assess their relative importance in vivo. In order to separate these modes of action, we introduced the point mutation A458T into the GR by gene targeting using the Cre/loxP system. This mutation impairs dimerization and therefore GRE-dependent transactivation while functions that require cross-talk with other transcription factors, such as transrepression of AP-1-driven genes, remain intact. In contrast to GR−/− mice, these mutants termed GRdim are viable, revealing the in vivo relevance of DNA-binding-independent activities of the GR. Reichardt et al., Cell, 93, , 1998

26 Recettore Glucocorticoidi
da Barnes, Nature, 402(S), 1999 Glucocorticoidi Recettore Glucocorticoidi GR monomero Inibizione fattori di trascrizione NF-kB, AP-1, NF-AT Transrepressione GR dimero Transattivazione Trascrizione genica Proteine antiinfiammatorie, ma anche effetti collaterali

27 Increased gene trascription
Lipocortin-1 (annexin-1, a PLA2 inhibitor) b2-adrenoceptor Secretory leucocyte inhibitory protein Clara cell protein (CC10, a PLA2 inhibitor) IL-1R2 (decoy receptor) IL-1ra (IL-1 receptor antagonist) IkB-a (NF-kB inhibitor) b) Decreased gene transcription Cytokines (IL-1, IL-2, IL-3, IL-4, IL-5, IL-6, IL-8, IL-11, IL-13, TNF-a, GM-CSF, SCF) Chemokines (RANTES, eotaxin, MIP-1a, MIP-1, MCP-3, MCP-4 Enzymes (iNOS, COX-2, cPLA2, HDC) Adhesion molecules (ICAM-1, VCAM-1) Receptors (Bradikynin-2R, Tachykinin NK1R and NK2R)

28

29 Goodman & Gilman’s, 2001

30 Goodman & Gilman’s, 2001

31

32 Bledsoe et al., Cell, 110, , 2002

33 Structure of the GR/Dex/TIF2 Complex(A)
Overall arrangement of the GR LBD dimer. The two LBDs are shown in yellow and blue worms; the two TIF2 peptides are in purple ribbon; and the two dexamethasone molecules are in space-filling representation with carbon, oxygen, and hydrogen colored in green, red, and white, respectively. The C2 symmetry axis is shown in red.(B and C) Two 90-degree views of the GR/Dex/TIF2 monomer complex, where helices are colored in yellow and strands are in gold. The AF-2 helix is in red and the lysine residue from helix 3 that forms the charge clamp is in blue. The TIF2 peptides are shown in purple. TIF2 = Transcription intermediary factor 2, Bledsoe et al., Cell, 110, , 2002

34 Principali usi terapeutici dei glucocorticoidi
Patologie endocrine Terapia sostitutiva dell’insufficienza surrenalica acuta e cronica primaria e secondaria Nel 1855 Thomas Addison, Inglese (1793 – 1860) descrisse i sintomi dell’insufficienza corticosurrenalica primaria dovuta a distruzione delle capsule surrenali (morbo di Addison). Addison T.- On the Constitutional and Local Effects of Disease of the Suprarenal Capsules. S. Highley, London 1855

35 Principali usi terapeutici dei GC (segue)
Patologie non endocrine Malattie reumatiche (Lupus e. sistemico, poliartrite nodosa, artrite a cellule giganti, osteoartrite, artrite reumatoide, sindromi vasculitiche, miocardite reumatica) Malattie renali (Sindrome nefrotica, glomerulonefrite mebranosa e membranoproliferativa) Malattie allergiche Asma bronchiale Malattie infettive (Polmonite da Pneumocystis carinii, meningite da H. influenzae tipoB) Malattie cutanee (Dermatosi su base allergica)

36 Principali usi terapeutici dei GC (segue)
Patologie non endocrine Malattie gastrointestinali (Colite ulcerosa cronica, Malattia di Crohn) Malattie epatiche (Epatite cronica su base autoimmune attiva) Malattie oculari (uveiti, congiuntiviti virali e batteriche in associazione con antibatterici) Malattie neoplastiche (Leucemia linfatica acuta, linfoma) Edema cerebrale (Neoplasie, parassiti, traumi e ictus?) Altre malattie (Sarcoidiosi, trombocitopenia, anemia emolitica su base autoimmune, stroke e lesioni del m. spinale, trapianti d’organo, shock)

37 Vie di somministrazione dei glucocorticoidi
Via orale (per tutte le molecole) Topica cutanea: desametasone, idrocortisone, triamcinolone Topica inalatoria: beclometasone, budesonide, flunisolide, fluticasone, triamcinolone Topica nelle malattie infiammatorie del tratto intestinale: budesonide Topica nelle malattie oculari: prednisolone EV e IM: desametasone, betametasone, idrocortisone, metilprednisone, metilprednisolone

38 Alcuni parametri farmacocinetici dei glucocorticoidi
L’assorbimento per via orale è buono. Alcune molecole (v. diapositiva precedente) sono somministrate anche per via e.v. o i.m. (anche in forme farmaceutiche a cessione protratta). Dopo l’assorbimento, i corticosteroidi si legano (90% c.a.) a proteine plasmatiche (aglobuline specifiche - CBG- o transcortina ed albumina). Sono metabolizzati nel fegato per inserzione di atomi di ossigeno o di idrogeno e quindi coniugazione a formare derivati idrosolubili. L’escrezione è prevalentemente renale.

39 Glucocorticoidi: effetti collateri della terapia a lungo termine
Obesità e ridistribuzione del grasso nell’organismo (”buffalo hump, “moon facies”, area sopraclavicolare, strie addominali); Riduzione dello spessore ed atrofia della cute con difficoltà nella cicatrizzazione delle ferite; Riduzione delle masse muscolari e miopatie; Osteoporosi (inibizione osteoblasti, diminuito assorbimento calcio ed aumento PTH, attivazione osteoclasti indiretta, difetti nella mineralizzazione), osteonecrosi; Modificazioni dell’umore (euforia e psicosi); Cateratta, glaucoma;

40 Glucocorticoidi: effetti collateri della terapia a lungo termine (segue)
Immunosoppressione con diminuzione delle difese naturali contro le infezioni; Ritenzione idrosalina ed ipertensione (per effetto mineralcorticoide di alcune molecole ed aumento epatico della sintesi di angiotensinogeno ed aumento delle risposte pressorie catecolaminergiche ); Ritardo della crescita nei bambini; Dopo trattamento prolungato, inibizione e soppressione dell’asse ipotalamo-ipofisi-surrene ed atrofia surrenalica. L’interruzione della somministrazione deve avvenire gradualmente; Ulcere peptiche; Iperglicemia e diabete mellito iatrogeno;

41 Glucocorticoidi e metabolismo intermedio
Inibizione utilizzo glucosio nei tessuti periferici (t. adiposo, cute, fibroblasti, timociti, PMN) Meccanismo: translocazione trasportatori del glucosio dalla membrana plasmatica a sedi intracellulari Promozione gluconeogenesi (fegato) Meccanismo: nel fegato induzione della trascrizione di enzimi coinvolti nel metabolismo degli a.a. e nella gluconeogenesi (fosfoenolpiruvato carbossichinasi, glucosio-6-fosfatasi, fruttosio-2,6-bifosfatasi) effetti catabolici (atrofia tessuto linfoide, diminuzione masse muscolari, assottigliamento cute, bilancio negativo azoto)

42 Glucocorticoidi e metabolismo intermedio (segue)
Facilitazione permissiva effetto lipolitico di agonisti b-adrenergici e GH; induzione della lipolisi negli adipociti ed aumento ac. grassi liberi Redistribuzione del grasso nell’organismo (ipercorticismo, sindrome di Cushing –”buffalo hump”,“moon facies”, area sopraclavicolare e perdita di grasso alle estremità)

43 Harvey William Cushing (1869-1933) American physician and neurosurgeon
Cushing HW . - The Pituitary Body and its Disorders (1912), Philadelphia. Cushing HW . The basophil adenomas of the pituitary body and their clinical manifestations. Bull. Johns Hopkins Hosp. 50, , 1932. Agli inizi del 1900 un medico di origine tedesca Harvey W Cushing descrisse nei lavori citati pazienti con un quadro clinico di ipersecrezione di glucocorticoidi Il quadro clinico da ipersecrezione di glucocorticoidi è da allora definita sindrome di Cushing Harvey William Cushing ( ) American physician and neurosurgeon

44 C.Thiemermann Nature Medicine 8, 453 - 455 (2002)

45 Proposed mechanisms by which corticosteroids mediate cardioprotection.
The binding of dexamethasone to the glucocorticoid (GC) receptor results in the stimulation of phosphatidylinositol 3-kinase (PI3-kinase) and the protein kinase Akt. Activated Akt phosphorylates (P) and thereby activates eNOS, leading to enhanced NO production. Once formed by vascular endothelial cells, NO diffuses to adjacent cells and activates soluble guanylate cyclase, resulting in vasodilation and inhibition of platelet and neutrophil adhesion. In addition to eNOS activation, inhibition of NF- B activation and/or enhanced expression of annexin 1 may also contribute to the cardioprotective effects of glucocorticoids. Christoph Thiemermann Nature Medicine 8, 453 - 455 (2002)

46 Meccanismi di GC resistenza
Tipo 1: indotta o acquisita per aumento nella produzione di citochine. Solo le cellule coinvolte nell’immunoflogosi resistenti agli effetti terapeutici antiinfiammatori dei GC. In vitro, la somministrazione di IL-2 e IL-4 a T-cell mima questa condizione clinica. Tutte le altre cellule sono sensibili ai GC e clinicamente questi pazienti presentano tutti gli effetti collaterali dei GC. Comprende circa il 95% delle resistenze osservate nell’asma. Tipo 2: Probabilmente legato ad una mutazione del gene del GR o di un coattivatore, con insensibilità a tutti gli effetti dei GR (terapeutici e collaterali).

47 Leung & Bloom, J Allergy Clin Immunol. 111, 3-22, 2003

48 Meccanismi di GC resistenza
L’attivazione trascrizionale del GR per traslocazione del complesso nel nucleo potrebbe essere prevenuta nelle T-cells esposte a IL-2 e IL-4 per formazione nel cytosol del complesso con STAT5 fosforilato Lo “splicing” alternativo dell’esone 9 è aumentato dal trattamento combinato con IL-2 e IL-4, IL-8 o TNF-a per induzione di proteine con attività potenziante questo tipo di “splicing”. Il GRb è localizzato nel nucleo, si lega al GRE, ma non trascrive

49 B.M. Vayssière et al., Mol Endocrinol 1997, 11(9):1245-55

50 Transactivation (%) GRE-tk-CAT
GR Binding, Transactivation, and AP-1 Antagonism by Glucocorticoids Compounds (100 nM) Transactivation (%) GRE-tk-CAT Transrepression (%) RBA % (Dex = 100) Hela-GR Coll-CAT TRE-tk-CAT Dexamethasone 89.48 ± 2.26 96.63 ± 1.78 97.55 ± 1.55 100 Prednisolone 79.37 ± 1.73 81.41 ± 18.96 63.9 ± 11.04 ND RU24782 35.21 ± 2.24 57.61 ± 2.46 82.55 ± 6.24 85 ± 6 RU24858 20.76 ± 4.33 71.59 ± 1.82 82.85 ± 0.12 128 ± 15 RU40066 13.35 ± 4.73 77.6 ± 6.42 70.43 ± 5.08 27 ± 3 RU486 4.18 ± 3.8 48.19 ± 1.68 Inactive RU43044

51 The transactivation potential of the endogenous HeLa cell GR in the presence of various ligands (100 nM) was determined from transient transfection experiments with the GRE5-tk-CAT reporter; for the determination of AP-1 repression, HeLa cells were transfected with the Coll(-517/+63)CAT or the TRE5-tk-CAT reporters and identically exposed to 100 nM of the synthetic glucocorticoids. PolyIIßGal was used as an internal control in all transfection experiments to normalize for variations in the transfection efficiencies. The results are given as percentage of activation/inhibition, relative to maximal activation/inhibition obtained with 100 nM Dex in each experiment. The results indicated for Dex treatment are means ± SEM of 15 different experiments, each standardized to 100 nM (note that these mean values do therefore not reveal exactly 100% activation/inhibition). In vitro binding experiments were performed with the endogenous GR extracted from Hela cells. Note that similar results have been obtained with human GR expressed in SF9 insect cells from recombinant baculoviruses (data not shown). (RBA, Relative binding affinity). B.M. Vayssière et al., Mol Endocrinol 1997, 11(9):

52 Schacke et al., PNAS U.S.A. 101, , 2004

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54 Proposed mechanisms of action of theophylline
Phosphodiesterase inhibition (nonselective) Adenosine receptor antagonism (A1-, A2A-, A2B-receptors) Increased interleukin-10 release Stimulation of catecholamine (epinephrine) release Mediator inhibition (prostaglandins, TNF-a   Inhibition of intracellular calcium release Inhibition of nuclear factor-k B (nuclear translocation) Increased apoptosis Histone deacetylase activity (efficacy of corticosteroids) Barnes, Am J Resp Crit Care Med, 167, , 2003.

55 Proposed mechanisms of action of theophylline
Barnes , Am J Resp Crit Care Med 167, , 2003 HOME HELP FEEDBACK SUBSCRIPTIONS ARCHIVE SEARCH TABLE OF CONTENTS Am. J. Respir. Crit. Care Med. Am. J. Respir. Cell Mol. Biol. Copyright © 2003 American Thoracic Society

56 Proposed mechanisms of action of theophylline Peter J
Proposed mechanisms of action of theophylline Peter J. Barnes American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine Vol 167. pp , (2003) Theophylline directly activates histone deacetylases (HDACs), which deacetylate core histones that have been acetylated by the histone acetyltransferase (HAT) activity of coactivators, such as cyclic AMP response element binding protein (CREB)-binding protein (CBP). This results in suppression of inflammatory genes and proteins, such as granulocyte-macrophage–colony stimulating factor (GM-CSF) and interleukin-8 (IL-8) that have been switched on by proinflammatory transcription factors, such as nuclear factor- B (NF- B). Corticosteroids also activate HDACs but through a different mechanism resulting in the recruitment of HDACs to the activated transcriptional complex via activation of the glucocorticoid receptors (GR), which function as a molecular bridge. This predicts that theophylline and corticosteroids may have a synergistic effect in repressing inflammatory gene expression.