Metallotioneine

Le metallotioneine (MT) sono metallo-proteine caratterizzate da una bassa massa molecolare (circa 6000-7000 Da nei Mammiferi), dalla presenza di un’elevata percentuale di residui di cisteina e dalla completa assenza di amminoacidi aromatici nella sequenza primaria (Stillman, 1995) (Figura 12).

Figura 12 – Esempio di struttura tridimensionale di una metallotioneina (da Manente, 2003).

La loro capacità di legare per lo più metalli quali Cd(II), Cu(I) e Zn(II) in uno o più domini raggruppati, rende queste proteine particolarmente interessanti: sono infatti utilizzate come biomarkers di elezione per lo studio della contaminazione da metalli in tracce in ambiente acquatico. Inoltre, è stata dimostrata la loro ampia diffusione: proteine di questo tipo sono state isolate e descritte in Funghi, Lieviti, Piante, Molluschi, Crostacei e Mammiferi.

Dal punto di vista strutturale, tutte le MT sono caratterizzate dalla formazione di gruppi metallo- tiolati tramite i residui tiolati delle cisteine terminali e/o a ponte nella catena peptidica; la struttura terziaria di queste proteine si determina sulla base di come la catena peptidica si avvolge attorno a questi “cluster” (Dallinger, 1995). La struttura primaria di queste proteine è stata determinata solo

in poche specie di Invertebrati e comunque è molto variabile. Studi condotti su Mitylus edulis hanno permesso di identificare due isoforme principali (approssimativamente di 10 e 20 KDa) chiamate MT-10 e MT-20; sono state anche purificate cinque forme dimeriche e quattro forme monomeriche delle quali è stata determinata la struttura amminoacidica completa, ma non è chiaro se queste varianti rappresentino isoforme o alloforme di MT10 e MT20 (Frazier at al., 1985; MacKay et al., 1993). Alcuni Autori hanno investigato la (potenziale) diversa espressione genica delle due isoforme MT-10 e MT-20 in Mytilus edulis. I livelli di MT-mRNA in animali non esposti ad inquinamento suggerisce che il livello basale di MT-10 sia più alto rispetto a MT-20 (in effetti non è stato rilevato alcun livello basale di MT-20) (Lemoine & Laulier, 2003). Sempre gli stessi Autori ipotizzano che vi siano due pool interattivi di MT e che MT-20 sia quello influenzato da cambiamenti transitori nella concentrazione di metallo nel citosol dovuta a fluttuazioni ambientali, mentre MT-10 sia coinvolto nei normali processi di regolazione dei metalli. Altri Autori hanno analizzato l’informazione genomica sulle MT in due specie della famiglia Mytilidae, raccolte in ambienti molto diversi (zona costiera e zona idrotermale), scoprendo che i Mytilidae hanno almeno 3 geni “small” o “intron-free” per le MT, che potrebbero permettere una rapida trascrizione in risposta all’esposizione a metalli (Leignel et al., 2005).

In molti casi quindi la concentrazione di queste proteine può essere aumentata per induzione grazie a vari agenti (Dallinger, 1995):

sali di metalli, in alcuni casi il metallo inducente si legherà alla proteina, in altri verrà sintetizzata la proteina contenente rame o zinco;

crescita, stato riproduttivo, difesa, fattori di stress, effetti digiuno, solventi organici, steroidi, mostrano tutti proprietà inducenti nei confronti di MT contenenti zinco o rame in Mammiferi, Pesci, Crostacei, Piante…

La presenza di MT nell’organismo dipende anche dalla degradazione che avviene attraverso il sistema lisosomiale, e in effetti il ricambio di MT rappresenta un esempio di adattamento cellulare a condizioni fisiologiche ed ambientali alterate. Gli stimoli intrinseci ed estrinseci possono agire a diversi livelli del metabolismo delle MT. Il passaggio meglio studiato e compreso è quello legato al controllo trascrizionale di sintesi di MT-mRNA in organismi esposti a metalli pesanti: in studi condotti su varie specie di Molluschi Bivalvi, è stato dimostrato come a seguito di un aumento dei livelli intracellulari di metalli, ci sia una rapida attivazione della trascrizione di MT-mRNA, che porta alla sintesi di MT che a loro volta chelano gli ioni metallici in eccesso. Le MT giocano

un’importante funzione di “salvataggio”, come donatori di metalli essenziali a strutture prima compromesse dal legame con metalli tossici. Gli effetti tossici dei metalli pesanti sono dovuti al danneggiamento e/o alla riduzione delle normali funzioni biochimiche e fisiologiche che non sempre sono rilevabili. MT e MT-mRNA sono considerati validi indicatori di una prima esposizione a metalli pesanti (Roesijadi, 1996). Dai dati disponibili, può essere assunto inoltre che la contaminazione ambientale da Cd è associata all’induzione di MT (Howard & Nickless, 1975; Carpenè, 1993; Roesijadi, 1994; Bordin et al., 1997; Viarengo et al., 1997; Hamza-Chaffai et al., 1999; Lemoine & Laulier, 2003; Leignel et al., 2005; Leignel & Lauriel, 2006, Ladhar-Chaabouni et al., 2009).

Le MT sono state scoperte facendo studi sui metallo enzimi contenenti zinco: lo zinco è infatti un componente di molte proteine e come tale è coinvolto in quasi ogni aspetto del metabolismo. Esso è un componente di quasi 300 enzimi ed è essenziale per le loro funzioni, tra le quali troviamo la sintesi e la degradazione di tutti i maggiori metaboliti. Si pensa che almeno 200 proteine leganti il DNA contengano zinco, essenziale alla loro funzione: oltre all’azione catalitica e di espressione genica, lo zinco infatti stabilizza la struttura di proteine ed acidi nucleici, conserva l’integrità degli organelli subcellulari, partecipa ai processi di trasporto e gioca un ruolo importante anche nei fenomeni virali e immunologici e dunque ci possono essere conseguenze cliniche sia per la sua mancanza che per la sua presenza eccessiva all’interno della cellula (Stillman, 1995).

Studi condotti su pazienti umani affetti dalla malattia di Wilson, hanno messo in evidenza una correlazione tra la concentrazione nei tessuti (e dunque la tossicità) di metalli pesanti quali Cd(II), Cu(I), Hg(II), e la presenza di MT: ciò ha fatto ipotizzare che le MT giochino un ruolo fondamentale nella detossificazione e regolazione dell’omeostasi dei metalli (Stillman, 1995). Tuttavia il numero significativo di altri stimoli di induzione e la larga presenza di MT negli organismi viventi suggerisce che questo non sia l’unico o il principale ruolo fisiologico di queste proteine: in effetti, dal momento che esistono diverse isoforme di MT, è logico pensare che esse abbiano anche diverse funzioni biologiche (Stillman, 1995).

È vero infatti che le MT sono caratterizzate da una grande inducibilità in risposta ad elevate concentrazioni di metalli pesanti in vivo, ma anche ad una grande varietà di metaboliti quali glucorticoidi, glucagone, catecolamine, progesterone, estrogeni, etanolo, interferone…

Si può perciò ipotizzare che le MT abbiano almeno due ruoli biologici principali (Dallinger, 1995): - detossificazione da cadmio ed altri metalli pesanti.

- regolazione del metabolismo di rame e zinco; in particolare le MT agirebbero da riserva di zinco per apoenzimi “freschi” di sintesi.

In questo senso, alcuni Autori hanno suggerito che le MT servano a procurare metallo dove e quando serve nell’organismo, per qualsiasi ruolo: dunque le MT rappresenterebbero una fonte di stoccaggio e consegna per zinco ed altri metalli essenziali (Stillman, 1995).

Il ruolo detossificante attribuito a queste proteine per via della loro capacità di legare anche cadmio e mercurio secondo molti Autori non sarebbe la loro funzione primaria, ma piuttosto derivata secondariamente data la similarità tra cadmio e zinco: non bisogna dimenticare che il comportamento delle MT è determinato dalla chimica del gruppo tiolato. Inoltre, per certi organismi è stata dimostrata la nefrotossicità delle Cd-MT, ovvero in assenza di un’escrezione biliare o urinaria, le MT possono offrire una protezione solo a breve termine dall’intossicazione da metalli pesanti (Dallinger, 1995).