La famiglia dei trasportatori del glucosio

Il glucosio, per la sua natura idrofilica, necessita di specifiche proteine trasportatrici per attraversare la membrane citoplasmatica cellulare.

Esistono due famiglie di carrier transmembrana che mediano il trasporto del glucosio attraverso la cellula: proteine per il trasporto facilitato del glucosio (GLUT) e proteine per il co-trasporto sodio/glucosio (SGLT).

Le proteine SGLT necessitano di energia per compiere la loro azione, mentre le proteine GLUTs trasportano il glucosio secondo gradiente di concentrazione, senza consumo di energia [Thorens e Mueckler, 2010; Joost e Thorens, 2001; Uldry e Thorens, 2004].

Come già precedentemente affermato, in presenza di malattia tumorale, in numerosi tipi di neoplasia, i trasportatori GLUTs risultano sovraespressi e il loro livello di espressione è spesso correlato con il potenziale metastatico e la prognosi infausta [Adekola et al,

2012].

Nell’uomo sono stati identificati 14 membri della famiglia delle proteine GLUT, con diverse specificità di substrato e diversa espressione nei vari tessuti (Tab. 3.1).

59

Ciononostante, le proteine GLUT mostrano un alto grado di omologia condividendo caratteristiche sequenze comuni: presentano 12 domini transmembrana con estremità ammino-terminale e carbossi-terminale intracellulari.

Possono essere suddivise in 3 classi in funzione della differenza nella posizione del loop extracellulare. Nella classe I e II il loop contiene il sito per la N-glicosilazione tra il dominio transmembrana 1 e 2, mentre nella classe III è tra il dominio 9 e 10 [Joost e

Thorens, 2001].

Queste proteine trasportano glucosio, così come fruttosio, galattosio, mannosio, glucosammina, xilosio, acido deidroascorbico (DHA), urato e mio-inositolo.

60

Trasportatore Classe Espressione Affinità per il glucosio

Espressione nel cancro GLUT-1 I

Ubiquitario (abbondante nel cervello e negli eritrociti)

Alta Sovraespresso

GLUT-2 I Fegato, retina, cellule

insulari del pancreas Bassa Anormale

GLUT-3 I Cervello Alta Sovraespresso

GLUT-4 I Muscoli, tessuto adiposo,

cuore Alta Anormale

GLUT-5 II Intestino, testicoli, rene,

eritrociti Molto bassa Anormale

GLUT-6 III Milza, leucociti, cervello Bassa Non rilevabile

GLUT-7 II Fegato, intestino, colon,

testicoli, prostata Alta

Non determinabile

GLUT-8 III Testicoli, cervello Alta Sovraespresso

GLUT-9 II Fegato, rene, cellule

pancreatiche Alta Non rilevabile

GLUT-10 III Fegato, pancreas Alta Non rilevabile

GLUT-11 II Cuore, muscoli Bassa Non rilevabile

GLUT-12 III Cuore, prostata, muscoli,

intestino, tessuto adiposo Alta Anormale

HMIT III Cervello No Non

determinabile

GLUT-14 I Testicoli Non

determinabile

Non determinabile

61

3.3.1 Classe I

Il primo membro della classe è il trasportatore GLUT-1, un’isoforma altamente conservata; presenta infatti per il 74-98% sequenza identica tra pesci, polli, umani, mucche, ratti e topi [Zhao e Keating, 2007].

Ha un’alta affinità per il glucosio (Km 3 mmol/L), ma è in grado di trasportare anche galattosio, mannosio, glucosammina e DHA [Uldry et al, 2002].

È particolarmente importante poiché è il responsabile dell’uptake di glucosio basale e risulta espresso in tutti i tessuti in normali condizioni.

A causa della sua alta espressione negli eritrociti, dove rappresenta il 3-5% del totale delle proteine di membrana,è chiamato “Erythrocyte-Type Glucose Transporter” [Zhao

e Keating, 2007]; tuttavia alti livelli di GLUT-1 possono essere trovati anche nelle

cellule endoteliali ed epiteliali della barriera emato-tissutale nel cervello, nell’occhio, nei nervi periferici, nella placenta e nella ghiandola mammaria durante l’allattamento

[Joost e Thorens, 2001; Zaho e Keating, 2007; Takata et al, 1990].

Recenti ricerche hanno documentato la presenza di alti livelli di espressione di GLUT-1 in numerosi tipi di cancro, quali polmone, cervello, mammella, vescica, cervice, colon retto, esofago, fegato, testa e collo, stomaco, ovaie, reni, pancreas, tiroide, pene e utero

[Ganapathy et al, 2009; Macheda et al, 2005; Godoy et al, 2006], suggerendo quindi

un suo importante ruolo nell’aumento dell’uptake del glucosio nelle masse tumorali. I livelli di espressione del trasportatore GLUT-1 sono correlati con il grado istologico, l’attività proliferativa e la differenziazione [Higashi et al, 1998; Younes et al, 1995;

Ravazoula et al, 2003; Cho et al, 2013], nonché con il tasso di sopravvivenza e una

infausta prognosi [Cho et al, 2013; Mori et al, 2007; Kunkel et al, 2003; Kang et al,

62

Molto recentemente, è stata ottenuta la struttura cristallina del trasportatore umano GLUT-1, portando con sé la speranza di scoperta di un nuovo inibitore GLUT-1 come agente anticancro [Deng et al, 2014].

Il trasportatore GLUT-2 ha un bassa affinità per il glucosio (Km di17 mmol/L), mentre presenta una più alta affinità per la glucosammina (Km di 0,8 mmol/L) [Uldry et al, 2002; Johnson et al, 1990].

È espresso nella membrana basolaterale delle cellule epiteliali intestinali e renali

[Fukumoto et al, 1988a], dove è responsabile del trasporto transepiteliale di glucosio al

sangue, e nella membrana sinusoidale negli epatociti, con la duplice funzione di captare glucosio dal sangue e rilasciarlo [Thorens et al, 1990]; nella membrana citoplasmatica delle cellule β-pancreatiche partecipa al rilevamento del glucosio nel sangue e facilita il primo step nella secrezione di insulina glucosio-stimolata [Guillam et al, 2000].

La sovraespressione di trasportatori del fruttosio come GLUT-2 è implicata in un aumento del tasso di uptake del fruttosio stesso in alcune forme tumorali, come il cancro al seno [Godoy et al 2006; Brown e Wahl, 1993], anche se rimane ancora piuttosto incerta la sua funzione di trasportatore nell’uptake del fruttosio e del glucosio nel tumore al pancreas, sebbene sia stato osservato un certo aumento del tasso di captazione del fruttosio [Liu et al, 2010a], i report sull’espressione di GLUT-2 nelle cellule tumorali insulari e nella linea cellulare tumorale pancreatica non hanno mostrato riscontro [Tomita, 1999; Knaack et al, 1994].

In conclusione, non è ancora chiaro se GLUT-2 ha un ruolo significativo nel fornire glucosio e fruttosio ai tumori.

63

Un altro membro della classe I è il trasportatore GLUT-3, con alta affinità per il glucosio (Km 1,4 mmol/L) [Colville et al, 1993] e capacità di trasporto di galattosio, mannosio, maltosio, xilosio e DHA [Zhao e Keating, 2007].

L’mRNA di GLUT-3 è particolarmente espresso nei testicoli e nel cervello [Haber et

al, 1993], e la sua attività è oltremodo importante a livello neuronale, poiché porta il

glucosio all’interno dei neuroni dallo spazio interneuronale, dove la concentrazione è più bassa rispetto al sangue.

Numerosi studi hanno osservato l’espressione di GLUT-3 nel tumore al polmone

[Younes et al, 1997a; Susawa et al, 2011; Kurata et al, 1999]scoprendo una sua

marcata sovraespressione in quello non a piccole cellule [Younes et al, 1997a; Susawa

et al, 2011; de Geus-Oei et al, 2007], rispetto alla sua totale assenza nel tessuto sano;

altri hanno mostrato che alti livelli di trasportatore sono rintracciabili anche in neoplasie al cervello, alla vescica, alla laringe, alla prostata, allo stomaco, alla testa e al collo e alle ovaie [Boado et al, 1994; Nagamatsu et al, 1993; Younes et al; 1997b; Conde et al,

2015; Starska et al, 2015; Vaz et al, 2016; Mellanen et al, 1994; Ayala et al, 2010].

Proprio per la presenza in numerosi tipi di neoplasia, GLUT-3 potrebbe avere un ruolo importante nell’uptake facilitato in tumori con intensa richiesta di glucosio.

Il trasportatore GLUT-4 ha approssimativamente Km 5 mmol/L per il glucosio [64] e trasporta con alta affinità anche DHA (Km 0,98 mmol/L) e glucosammina (Km 3,9 mmol/L) [Uldry et al, 2002; Rumsey et al, 2000].

Questo trasportatore si conserva negli uomini, nei bovini, nel ratto e nel topo con un 91- 96% di sequenza simile ed è altamente espresso nei tessuti sensibili all’insulina come il tessuto adiposo bruno e bianco e il muscolo scheletrico e cardiaco [Zhao e Keating,

64

L’mRNA e la proteina sono stati trovati anche nel cancro al colon, al seno, alla tiroide, al pancreas, allo stomaco e nel mieloma multiplo [Godoy et al, 2006; Matsuzu et al,

1997; McBrayer et al, 2012], tessuti tipicamente non insulino-sensibili, che esprimono

il trasportatore solo in presenza di patologia maligna.

Da ultimo troviamo il trasportatore GLUT-14, scoperto più di recente, con il 95% di sequenza identica a GLUT-3; proprio per questo non si hanno ancora informazioni circa la sua funzione, i suoi substrati e il suo ruolo nel trasporto di glucosio. L’unica certezza è la sua localizzazione esclusiva a livello testicolare [Wu e Freeze, 2002a].

3.3.2 Classe II

Il primo membro di questa classe è il trasportatore GLUT-5, il quale non è in grado di trasportare glucosio, mostrando invece alta affinità per il fruttosio (Km 6mmol/L). È primariamente espresso nella membrana apicale e laterale degli enterociti [Burant et al,

1992].

GLUT-5 riveste un importante ruolo nella correlazione tra uptake di fruttosio e neoplasia [Cantley, 2014], è stata infatti vista un’alta espressione di questo trasportatore nelle cellule cancerogene della mammella e del rene rispetto ai tessuti sani [Zamora-

Leon et al, 1996; Chan et al, 2004; Medina et al, 2011].

Una elevata espressione di tale trasportatore nei tumori potrebbe difatti spiegare un aumento nell’uso di fruttosio per la produzione di energia.

Il trasportatore GLUT-7 presenta per il 53% sequenza identica a GLUT-5 [Zhao e

Keating, 2007] e mostra un’alta affinità per il glucosio (Km 0,3 mmol/L) e per il fruttosio (Km 0,2 mmol/L).

65

È primariamente espresso nella membrana apicale dell’intestino tenue e nell’epitelio del colon, bassi livelli di mRNA sono presenti anche a livello di testicoli e prostata [Li et al,

2004].

Nonostante la sua elevata affinità per il glucosio, non è ancora stata confermata l’espressione di GLUT-7 nei tumori.

Il gene GLUT-9 codifica per due mRNA; l’originale, GLUT-9a, e una variante di splicing che codifica per una proteina con un più corto NH2 terminale, GLUT-9b. Il trasportatore GLUT-9 ha un’alta affinità per il glucosio (Km 0,61 mmol/L), per il fruttosio (Km 0,42 mmol/L) ed è in grado di trasportare anche l’urato (Km 0,9 mmol/L) [Doblado e Moley, 2009].

L’mRNA di GLUT-9a è espresso primariamente nel fegato, nella membrana basolaterale nel rene e nella placenta e GLUT-9b nella membrana apicale nel rene e nella placenta [Doblado e Moley, 2009; Augustin et al, 2004]. GLUT-9, nel complesso, è particolarmente espresso nel tumore al fegato, al polmone, alla pelle, alla tiroide e allo stomaco [Godoy et al, 2006; Itahana et al, 2015], mentre sembra ridotto nel tumore al rene, alla ghiandola surrenale, alla prostata e ai testicoli, rispetto ai tessuti sani, suggerendo così che l’espressione di questo trasportatore potrebbe essere protettiva in queste forme di neoplasia e potrebbe giocare un importante ruolo nella loro soppressione [Itahana et al, 2015].

Per il trasportatore GLUT-11 sono state identificate 3 varianti, che differiscono per la sequenza amminoacidica nella porzione N-terminale: GLUT-11A, GLUT-11B e GLUT- 11C [Wu et al, 2002b]. Tutte le 3 isoforme trasportano glucosio (Km 0,16 mmol/L) e fruttosio (Km 0,16 mmol/L) [Manolescu et al, 2007].

66

GLUT-11A è espresso nel cuore, nel muscolo scheletrico e nel rene; GLUT-11B nella placenta, nel tessuto adiposo e nel rene; GLUT-11C nel tessuto adiposo, nel cuore, nel muscolo scheletrico e nel pancreas [Wu et al, 2002b; Scheepers et al, 2005; Sasaki et

al, 2001].

GLUT-11 è altamente espresso e up-regolato nel mieloma multiplo e nel cancro alla prostata [McBrayer et al, 2012; Reinicke et al, 2012].

3.3.3 Classe III

Il trasportatore GLUT-6 ha una bassa affinità per il glucosio. Il suo mRNA si trova primariamente nel cervello, nella milza e nei leucociti periferici [Doege et al, 2000]. Purtroppo le informazioni riguardanti il legame tra l’espressione di GLUT-6 e i tumori sono ancora limitate: solo uno studio ha mostrato la presenza di tale trasportatore nel cancro al seno, al pancreas e nel leiomioma uterino, a seguito di diagnosi immunoistochimica [Godoy et al, 2006].

Un altro membro della classe III è il trasportatore GLUT-8, con alta affinità per il glucosio (Km 2mmol/L), che può essere inibita dal fruttosio e dal galattosio.

È espresso ad alti livelli nei testicoli e a bassi livelli nel cervello, nella ghiandola surrenale, nella milza, nel tessuto adiposo bruno, nel polmone e nel fegato [Ibberson et

al, 2000].

Questo trasportatore sembra giocare un ruolo importante nelle fasi iniziali dello sviluppo cerebrale per la sua presenza ad alti livelli proprio in questa fase [Gomez et al,

2010].

In Xenopus oocytes GLUT-10 è il trasportatore di glucosio e galattosio, nell’uomo l’mRNA è espresso nel cuore, nel polmone, nel cervello, nel fegato, nel pancreas, nel

67

muscolo scheletrico, nella placenta e nel rene [Dawson et al, 2001; McVie-Wylie et al,

2001]. Non è ancora conosciuta la sua espressione in tumori e linee cellulari tumorali.

Il trasportatore GLUT-12 mostra un’alta affinità di trasporto del glucosio, che può essere inibita dalla competizione con fruttosio e galattosio [Rogers et al, 2003a]. È espresso in tessuti insulino-sensibili come muscolo scheletrico e cardiaco, tessuto adiposo, ma anche intestino tenue, prostata e placenta [Rogers et al, 2002] e una sua alta espressione si ritrova nel tumore al seno [Rogers et al, 2002; Rogers et al, 2003b] e alla prostata [Chandler et al, 2003], mentre è assente nei rispettivi tessuti sani.

L’evidenza di espressione di GLUT-12 nelle cellule tumorali rispetto alla sua assenza nei tessuti sani suggerisce un suo potenziale ruolo nell’uptake di alti tassi di glucosio nel cancro.

L’ultimo membro della classe III è il trasportatore GLUT-13, un H+/mio-inositolo co- trasportatore, stimolato da una riduzione del pH extracellulare, che trasporta mio- inositolo con un Km di 100µmol/L.

È espresso primariamente nel cervello, con livelli alti soprattutto a livello di ippocampo, ipotalamo, cervelletto e tronco cerebrale [Uldry et al, 2001].