Fisiopatologia molecolare del metabolismo del ferro

PROSPETTIVE IN PEDIATRIA 2004; 34: 103-113
Ematologia
a cura di R. Galanello
103
Fisiopatologia molecolare del
metabolismo del ferro
A. ROETTO, C. CAMASCHELLA
Dipartimento di Scienze Cliniche e Biologiche, Università di Torino, Azienda
Ospedaliera “San Luigi”, Torino
Riassunto
Il ferro è un elemento essenziale per
l’organismo e la sua disponibilità strettamente controllata attraverso la regolazione dell’assorbimento intestinale e del
rilascio dai macrofagi splenici del ferro
recuperato dal catabolismo dell’emoglobina. Numerose proteine legano il
ferro per evitarne la potenziale tossicità.
Lo studio di modelli animali e di patologie genetiche del metabolismo del ferro ha contribuito alla comprensione dei
meccanismi molecolari relativi al trasporto, assorbimento e regolazione del
ferro. L’identificazione di Epcidina, una
proteina con la struttura di un peptide
antimicrobico, prodotto dal fegato come
principale regolatore del ferro sta cambiando radicalmente la nostra interpretazione del metabolismo del metallo. La
produzione di Epcidina è attivata a seguito di stimoli infiammatori-infettivi o
di eccesso di ferro e soppressa in condizioni di ipossia, anemia e carenza di ferro. Epcidina regola sia l’assorbimento
intestinale sia il rilascio dal macrofago.
L’inattivazione genetica di Epcidina dà
luogo ad emocromatosi grave definita
giovanile. Anche nella forma classica di
emocromatosi dipendente da mutazioni
di HFE la produzione di Epcidina è sregolata e la quantità prodotta è inappropriata al sovraccarico di ferro. È probabile che Epcidina sia coinvolta anche
nelle anemie dei disordini cronici, dove
il ferro viene sequestrato nel reticoloendotelio. La possibilità di dosare Epcidina renderà più facile l’interpretazione
dei disordini dell’omeostasi del ferro.
Summary
Iron is an essential component for human life and its availability is tightly
regulated through duodenal absorption
and macrophage release of iron obtained from hemoglobin catabolism.
Several proteins bind iron to avoid its
potential toxicity. The study of animal
models and of human genetic disorders
have greatly contributed to our understanding of iron absorption, transport
and regulation. The recent discovery of
the antimicrobial peptide Hepcidin, that
regulates iron absorption and release,
has changed our interpretation of regulation of iron homeostasis. Hepcidin is
produced by the liver following inflammation/infection or iron excess and is
switched off in conditions of hypoxya,
iron deficiency or anemia. Genetic inactivation of Hepcidin causes severe juvenile hemochromatosis. Classic type HH
due to mutations of HFE gene is also
characterized by an inappropriately low
Hepcidin secretion. It is likely that also
anemia of chronic disorders is due to elevated hepcidin production, in order to
limit iron availability as a defense
mechanism against infectious organisms. The possibility of dosing Hepcidin
in the future will facilitate the understanding of the pathophysiology of iron
homeostasis disorders.
Il ferro è un elemento essenziale per
l’organismo per lo scambio di ossigeno, la fosforilazione ossidativa e
l’attività di numerosi enzimi, ma la
quantità di ferro presente deve restare entro limiti definiti. La carenza di ferro causa anemia, il suo eccesso può causare tossicità cellulare
e danni d’organo. Il metabolismo
del ferro è strettamente conservativo: il ferro recuperato dalla distruzione delle emazie viene riutilizzato; non esiste un sistema di eliminazione e le perdite di ferro, in assenza di emorragie, sono legate alla sola desquamazione cellulare. Per tali
ragioni esiste una stretta regolazione dell’assorbimento intestinale e
del rilascio del ferro dai macrofagi
al compartimento circolante.
Negli ultimi anni le conoscenze di
fisiopatologia del metabolismo del
ferro sono notevolmente progredite,
grazie a studi di genetica e biologia
molecolare, che hanno permesso di
clonare geni che codificano per proteine con un ruolo chiave nel metabolismo del ferro e hanno chiarito le
basi molecolari di disordini ereditari del ferro. Un grande sviluppo è
anche derivato dallo studio di modelli animali di patologie umane
spontanei e/o creati in laboratorio.
In questa review verrà delineato lo
stato dell’arte sui disordini del metabolismo del ferro alla luce delle
più recenti acquisizioni.
Le proteine tradizionali
del ferro
Le principali proteine del ferro come la transferrina (Tf), proteina di
trasporto, la ferritina (Ft), proteina
di deposito ed il recettore della transferrina (Tfr), deputato al recupero
del ferro dalla circolazione sono note da molti anni. Uno schema della
loro collocazione nel ricambio del
ferro è illustrato in Figura 1. Per la
trattazione sistematica della loro
struttura e funzione si rinvia ai testi
di ematologia. In questa review verranno però discussi i modelli animali in cui i geni che codificano per
queste proteine sono stati inattivati,
perché il loro fenotipo comporta
una reinterpretazione della loro funzione.
L’inattivazione di Tfr nel topo è incompatibile con la vita: topi Tfr -/(o knock out) muoiono per grave
anemia e alterazioni neurologiche al
dodicesimo giorno di vita embrionaria (E12.5) (Levy et al., 1999). In
accordo con la funzione indispensabile di Tfr nell’uomo non sono note
patologie da deficit di Tfr. Topi eterozigoti per l’inattivazione di Tfr
(Tfr -/+) hanno un quadro di lieve
ipocromia ma depositi di ferro aumentati nei macrofagi midollari e
104
A. ROETTO, C. CAMASCHELLA
Fig. 1. Rappresentazione schematica del
ciclo del ferro. Le frecce indicano la direzione degli spostamenti. I principali
organi e tessuti sono riquadrati. A destra
è indicato il ciclo eritropoietico, a sinistra
l’attività inibitoria di Epcidina, peptide di
derivazione epatica. La transferrina al
centro funge da principale trasportatore nella circolazione.
Sono inoltre indicati: Tfr = recettore della transferrina attraverso cui tutte le
cellule assumono ferro; Ft = ferritina,
molecola di deposito a livello cellulare
1
splenici. Da queste osservazioni si
deduce che Tfr è indispensabile per
l’eritropoiesi, oltre che per lo sviluppo del SNC, ma sembra dispensabile per l’uptake del ferro di altre
cellule dell’organismo
Un ceppo spontaneo di topo (hpx) è
caratterizzato da un’estrema riduzione ma non dalla totale soppressione di
sintesi di Tf e presenta una grave anemia sideropenica ed un importante
sovraccarico marziale (Trenor et al.,
2000) (Tab. I). Questa condizione è simile alla ipotransferrinemia congenita, raro disordine genetico recessivo. Il fenotipo di anemia e sovraccarico di ferro in assenza di Tf ha due
implicazioni importanti. La prima è
che Tf è indispensabile per la funzione del midollo eritroide, ma che il
trasporto di ferro ai tessuti extraeritroidi utilizza meccanismi alternativi.
La seconda è che Tf può partecipare
alla segnalazione dello stato del ferro. Infatti, in sua assenza l’assorbimento aumenta determinando un sovraccarico importante.
Il topo in cui è stato inattivato il gene della ferritina H, responsabile
della attività ferrossidasica, muore
tra il 3,5 e il 9,5 giorno di vita embrionaria, indicando come tale proteina sia indispensabile per la difesa
dalla tossicità del ferro durante lo
sviluppo. L’eterozigote è vitale e
apparentemente normale (Ferreira
et al., 2001). Presenta tuttavia una
concentrazione maggiore di ferritina sierica pur in assenza di sovraccarico tissutale di ferro. La ferritina
L rappresenta la subunità strutturale
del polimero della ferritina con possibile funzione regolatoria. Non è
disponibile il knock out di tale proteina. Le isoferritine sono molteplici, almeno considerando i database
del genoma, recentemente è stata
caratterizzata una forma di ferritina
H, codificata da un gene nucleare e
veicolata nel mitocondrio. La sua
espressione risulta evidente nelle
forme di sovraccarico mitocondriale
di ferro quali l’anemia sideroblastica (Drysdale et al., 2002).
Regolazione
dell’omeostasi del ferro
Regolazione del ferro a livello cellulare
Il sistema IRE-IRP è responsabile
della regolazione post-trascrizionale di geni implicati nel metabolismo
del ferro. La regolazione è esercitata da specifici sensori del ferro, proteine citoplasmatiche denominate
Iron Regulatory Protein (o IRPs),
che possono interagire con sequenze nucleotidiche definite IRE (Iron
Responsive Element) presenti nella
sequenza 5’ o 3’ non tradotte (5’ o 3’
UTR) degli mRNA di alcuni geni
regolati dal ferro (Rouault, 2002).
Gli elementi IRE sono formati da
circa 30 nucleotidi, con una caratteristica conformazione “a stelo”.
Nell’mRNA della ferritina L o H,
l’IRE è localizzato nella regione
5’UTR. Nell’mRNA del TFR esistono 5 elementi IRE, nella regione
3’UTR. Quando il ferro è carente
nelle cellule il legame IRP-IRE
blocca la traduzione di ferritina e facilita quella di TFR, stabilizzando il
corrispondente mRNA. L’inverso
succede quando il ferro è in eccesso. Le proteine sensori del ferro sono due: IRP1, che esplica attività
aconitasica nel ciclo di Krebs e
IRP2. Entrambe sono in grado di legare gli stessi IRE, ma non sono
equivalenti. La carenza di ferro induce la mancata formazione del cluster Fe-zolfo e fa perdere la funzione aconitasica ad IRP1 che acquisisce la funzione IRP. La proteina
IRP2 non ha funzione aconitasica,
ed è regolata attraverso la degradazione proteosomica, che è innescata
dal legame di IRP2 con il ferro.
Il sistema IRE-IRP permette una regolazione post-trascrizionale rapida e
FISIOPATOLOGIA MOLECOLARE DEL METABOLISMO DEL FERRO
Fig. 2. A) Rappresentazione schematica della regolazione post-trascrizionale mediata dal sistema IRE-IRP applicata, a titolo esemplificativo, alla ferritina L. Il legame delle proteine IRP1/2
(in giallo) all’elemento IRE avviene solo in condizioni di carenza di ferro e
blocca la produzione della proteina. B)
In caso di mutazioni nell’elemento IRE
che ne alterino la conformazione spaziale (come nel caso della sindrome
iperferritinemia-cataratta, HHCS) il legame con IRP non avviene e, in questo
caso, si verifica la sintesi costitutiva e
sregolata di ferritina, che provoca la
patologia.
2
3
coordinata (Fig. 2A). Infatti uno stesso stimolo (carenza di ferro, ipossia
ecc. può regolare simultaneamente
numerosi mRNA che possiedono elementi IRE, tra cui i trasportatori intestinali (DMT1, ferroportina 1), Tf e
l’enzima ALA sintetasi coinvolto nella primo step della sintesi dell’eme.
L’inattivazione di IRP1 nel modello
murino non comporta un fenotipo
particolare, mentre l’inattivazione di
IRP2 comporta il riscontro di livelli
elevati di ferritina nel cervello e sintomi neurodegenerativi in età adulta,
provocati dalla disfunzione di alcuni
gruppi di neuroni (Grabill et al., 2003).
105
Fig. 3. Proteine coinvolte nell’assorbimento del ferro a livello della cellula
della mucosa duodenale sul versante
luminale e basolaterale. Il probabile
effetto di Epcidina sulla ferroportina
è evidenziato con un punto interrogativo.
Meccanismi di assorbimento intestinale
Lo studio di modelli animali mutanti spontanei o artificiali, creati in laboratorio, ha determinato un importante avanzamento delle nostre conoscenze sui meccanismi di assorbimento del ferro (Andrews, 2002).
Il ferro ferrico a livello del lume viene ridotto a ferro ferroso per l’azione
di una reduttasi dell’orletto a spazzola, denominata citocromo b duodenale
(Dcytb). Il trasporto del ferro avviene quindi per opera di un trasportatore di membrana Divalent Metal
Transporter 1 (DMT1 o Nramp2). Il
ferro legato all’eme, molto più biodisponibile dei sali ferrosi supererebbe in modo passivo la mucosa
duodenale.
Nell’enterocita, il ferro può essere utilizzato per le esigenze della cellula,
o, se non necessario, stivato nella Ft.
In questi casi sarà eliminato assieme
all’enterocita per desquamazione nel
lume. Alternativamente, se necessario
all’organismo, il ferro passerà attraverso la membrana basolaterale alla
Tf: il passaggio dipenderebbe dall’esportatore del ferro IREG, o ferroportina 1 (FPN1) con la cooperazione di una ossidasi, analoga alla ceruloplasmina (Cp), denominata efestina
che converte il ferro ferroso a ferrico,
indispensabile per il legame alla Tf. In
accordo con la loro funzione tutte
queste proteine sono molto espresse
negli enterociti (Fig. 3).
L’assorbimento del ferro comporta il
passaggio attraverso almeno due
membrane plasmatiche, luminale e
basolaterale, l’importanza maggiore
essendo rivestita dal secondo, che è il
vero meccanismo di assorbimento.
La regolazione del ferro avverrebbe
quindi prevalentemente su questo versante. Infatti solo 1-2 mg passano a
106
A. ROETTO, C. CAMASCHELLA
questo livello a fronte di una quantità
molto maggiore di ferro assorbita dal
versante luminale. In accordo con
questa interpretazione l’espressione di
Dcytb e DMT1 sull’orletto a spazzola è influenzata dalla quantità di
ferro presente nel lume, mentre l’espressione delle proteine basolaterali (ferroportina e efestina) è influenzata da stimoli sistemici. La desquamazione della mucosa intestinale con
il suo contenuto di ferro non assorbito contribuisce al meccanismo di controllo tramite l’eliminazione. L’eme
supera la mucosa duodenale, probabilmente in modo passivo: a livello
dell’enterocita è metabolizzato dall’eme-ossigenasi, enzima preposto a
bloccare la tossicità dell’eme stesso.
Se e come l’eme possa essere esportato dall’enterocita è oggetto di discussione.
La quantità di ferro assorbita a livello intestinale è variabile in modo
finalistico. La quota assorbita è proporzionale alle esigenze dell’eritropoiesi e inversamente proporzionale
alla quantità dei depositi. Si ipotizzano segnali solubili che comunicano tra midollo (cosiddetto “regolatore eritroide”) o depositi di ferro
(“regolatore dei depositi”) e mucosa
duodenale. La natura biochimica
dei segnali coinvolti e i possibili
sensori del ferro a livello intestinale
sono ignoti. È ritenuto un ottimo
candidato al ruolo di segnale la Tf
circolante o meglio il suo livello di
saturazione, che riflette criticamente gli stati di deficit o sovraccarico
(Frazer e Anderson, 2003).
A lungo è stato accettato che i sensori del ferro fossero le cellule delle
cripte intestinali ed un ruolo è stato
assegnato ad HFE, che interagendo
con TFR potrebbe rappresentare il
sensore dell’organismo. Più recentemente questa teoria, mai docu-
mentata sperimentalmente in modo
inequivocabile, sembra sconfessata
dalla scoperta dell’Epcidina, regolatore principale del ferro a livello
epatico (Frazer e Anderson, 2003).
Meccanismi di rilascio dal macrofago
La maggior parte del ferro viene
riutilizzata grazie al recupero del
ferro derivante dal catabolismo dell’emoglobina: a fronte di 1-2 mg di
ferro ricambiati giornalmente, circa
20-30 mg rilasciati dal macrofago
vengono riutilizzati. Bisogna quindi
ipotizzare che segnali analoghi a
quelli destinati all’intestino devono
pervenire al macrofago per regolarne il rilascio di ferro in base alle richieste dell’eritropoiesi. L’importanza del rilascio si evidenzia in situazioni in cui per difetti genetici di
proteine dell’esporto o per azione di
citochine infiammatorie il rilascio
di ferro al macrofago è bloccato
(vedi oltre). Tuttavia i meccanismi
di rilascio sono ancora poco noti.
Un ruolo chiave è certamente svolto
da ceruloplasmina e da ferroportina,
come derivato da studi sulle rispettive patologie (vedi oltre).
Regolazione sistemica del ferro
Il ferro è regolato secondo le necessità
dell’organismo ma il regolatore principale è rimasto ignoto sino a pochi
anni fa. Nel 2001 è stata identificata
una proteina, denominata Epcidina o
LEAP1 (Liver-expressed-antimicrobial peptide), prodotta dal fegato in
condizioni di sovraccarico di ferro
ed in grado di bloccare l’assorbimento di ferro e il rilascio dal macrofago (Ganz, 2003). Si tratta di un
peptide ad attività antimicrobica, codificato da una coppia di geni nel topo e da un gene in copia singola
(HAMP), localizzato sul cromosoma
19q, nell’uomo. Epcidina è prodotta
come propeptide e attivata per clivaggio proteolitico. Si comporta come un ormone in grado di agire a distanza in modo rapido e specifico.
Peptidi di 20-25 aminoacidi sono stati purificati dalle urine di soggetti
normali. Nel modello animale regola
sia l’assorbimento intestinale che il
recycling. Si ipotizza che Epcidina
regoli principalmente l’esportatore
del ferro FPN1 (Fig. 3). La sua iperespressione nel topo transgenico determina grave carenza di ferro per
blocco dell’assorbimento, mentre la
sua assenza nel topo knock out causa
sovraccarico di ferro simile all’emocromatosi (Ganz, 2003). Questi effetti
opposti sono in accordo con un ruolo
centrale di regolatore del ferro.
L’epcidina è soppressa dalla ipossia,
anemia e stimolata dalla flogosi.
L’importante espressione di Epcidina
nella flogosi e la risposta ad LPS nell’animale riflettono la natura di peptide antimicrobico. Tuttavia in vivo
l’azione antimicrobica non è rilevante, mentre si può ipotizzare che il
blocco del ferro – un ottimo fattore di
crescita per i microorganismi – sia
divenuta la principale nel corso della
evoluzione. Per le sue caratteristiche
è prevedibile che in futuro l’epcidina
o molecole analoghe possano trovare
impiego in terapia negli stati di eccessivo assorbimento di ferro.
Disordini del
metabolismo del ferro
Anemie sideropeniche
Tradizionalmente si tratta di una delle patologie più diffuse al mondo. Le
cause della sideropenia sono in genere
acquisite correlate a scarsa introdu-
zione di ferro biodisponibile nei paesi poveri e a perdite di sangue o ridotto assorbimento per patologie intestinali nei paesi progrediti.
Rarissime sono le forme ereditarie.
Invece nel modello animale proprio le
forme ereditarie hanno chiarito alcuni aspetti dell’assorbimento prima illustrati.
Il ceppo di topi mk, caratterizzato
dalla presenza di una anemia sideropenica severa da difettoso assorbimento, ha permesso la caratterizzazione di DMT1, il trasportatore del
ferro luminale (Fleming et al., 1997).
Tali topi sono portatori di una mutazione missenso R185G in DMT1.
Lo studio del topo sla, affetto da una
grave anemia sideropenica con accumulo di ferro a livello intestinale, ha
portato alla caratterizzazione di efestina, una ossidasi di membrana espressa sul versante basolaterale.
L’uptake luminale di ferro è normale
nel topo sla, mentre è ridotto il passaggio di ferro dalla cellula intestinale alla Tf e l’enterocita risulta sovraccarico di ferro (Vulpe et al., 1999).
Efestina è in effetti espressa a livello
intestinale dove si ipotizza partecipi al
rilascio del ferro, ruolo che Cp svolge
nelle cellule del reticoloendotelio e
dell’epatocita.
Tutte queste forme sono sideropeniche da alterato passaggio di ferro dall’intestino nella circolazione.
Il modello weissherbst di zebrafish
ha portato al clonaggio di IREG o
SCL40A1 o ferroportina 1 (Donovan et al., 2000).
In patologia umana esistono rare famiglie con difetti ereditari di assorbimento del ferro, al momento non
identificati: è possibile che abbiano
mutazioni di questi geni, anche se
non si può escludere una alterazione
del segnale eritropoietico. In Tabella
FISIOPATOLOGIA MOLECOLARE DEL METABOLISMO DEL FERRO
107
I sono indicati i modelli murini in
cui sono state identificate mutazioni
in geni del metabolismo del ferro responsabili di un fenotipo anemico.
forma giovanile (Roetto et al., 2003).
La Tabella II riassume i geni noti e la
loro localizzazione cromosomica.
L’HH Hfe-correlata è una malattia ad
insorgenza adulta, a penetranza incompleta, che colpisce prevalentemente i maschi verso i 40-50 anni. Può
causare cirrosi epatica, cardiomiopatie, diabete, ipogonadismo ed altre
endocrinopatie, artropatie e pigmentazione cutanea (Powell et al., 1994).
La malattia è dovuta a mutazioni di
Hfe, un gene atipico di istocompatibilità, localizzato sul cromosoma 6.
Due genotipi sono prevalenti tra i
pazienti: C282Y in omozigosi o in
eterozigosi composta con H63D.
Altre mutazioni del gene sono rare
(Tab. III). HH si caratterizza per incremento della saturazione della
transferrina e della ferritina sierica,
che aumenta in parallelo al deposito
di ferro. Il ferro si deposita negli
epatociti con un caratteristico gradiente dalla zona periportale a quel-
Emocromatosi ereditaria
L’emocromatosi ereditaria (HH) è il
modello classico per lo studio della
sregolazione dell’omeostasi del ferro.
In questa malattia una eccessiva quantità di ferro viene assorbita a livello
duodenale ed il macrofago rilascia
rapidamente il ferro recuperato analogamente a quanto succede nell’anemia sideropenica, pur in presenza di
eccesso di ferro. L’HH è geneticamente eterogenea: gli studi di genetica molecolare hanno fornito informazioni su nuove proteine implicate
nella regolazione del ferro. I geni noti al momento sono: HFE, responsabile della forma classica o di tipo 1
(Feder et al., 1996), Tfr2, mutato nella forma di tipo 3 (Camaschella et
al., 2000) e Epcidina, mutata in una
Tab. I. Modelli animali di sideropenia.
Modello animale Gene
Difetto
molecolare
Fenotipo
sla
efestina
del 1582 pb
anemia sideropenica
mk
dmt1
G185R
anemia sideropenica
belgrade (ratto)
dmt1
G185R
anemia sideropenica
Tfr
recettore per difetto di splicing
la transferrina
Fth
ferritina H
inattivazione genica letale
Hpx
transferrina
del 27 pb esone 16
anemia + sovraccarico
di Fe
Weissherbst
(zebrafish)
SCL40A1
C361ter;L167F
anemia ipocromica
letale in omozigosi
carenza di ferro in
eterozigosi
A. ROETTO, C. CAMASCHELLA
108
Tab. II. Classificazione dei disordini ereditari con sovraccarico primario di ferro.
Malattia
Acronimo
Gene
Cromosoma
Ereditarietà
OMIM
Emocromatosi tipo 1
Emocromatosi tipo 2a
Emocromatosi tipo 2b
Emocromatosi tipo 3
Emocromatosi tipo 4
Emocromatosi neonatale
Emocromatosi africana
Aceruloplasminemia
Atransferrinemia
Iperferritinemia/
Cataratta*
HFE1
HFE2a/JH
HFE2b
HFE3
HFE4
?
?
ACP
HFE
HJV
HEPC
TfR2
FPN1
?
?
Cp
Tf
FtL
6p
1q21
19q13
7q
2q
?
?
3q23
3q
19q13.3
AR
AR
AR
AR
AD
235200
602390
602390
604250
606069
251100
601195
117700
209300
600886
HHCS
AR
AR
AD
AR = autosomica recessiva; AD = autosomica dominante; * condizione caratterizzata da iperferritinemia, ma non associata a sovraccarico di
ferro.
la centrolobulare. Negli stadi iniziali della malattia il ferro risparmia le
cellule di Kuppfer e solo tardivamente si evidenzia in tutto il lobulo.
Nonostante sia stato clonato nel 1996
il ruolo di Hfe non è ben definito. HFE interagisce con TfR e partecipa al
ciclo endosomico del ferro, ma il ti-
po cellulare in cui questa interazione
è rilevante in termini fisiopatologici
non è chiaro. Dopo l’identificazione
della epcidina il ruolo di sensore del-
Tab. III. Mutazioni dei geni responsabili di emocromatosi.
Geni e
Mutazioni
HFE
TFR2
C282Y
H63D
S65C
V68DT
G93R
I105T
Q127H
P160DC
E168X
W169X
V272L
Q283P
IVS3 1G-T
E60X
M172K
Y250X
Q690P
Tipo di
mutazione
Posizione
genica
Missenso
Missenso
Missenso
Frame shift
Missenso
Missenso
Missenso
Frame shift
Nonsenso
Nonsenso
Missenso
Missenso
Splice site
Frameshift
Missenso
Stop
Missenso
Esone
Esone
Esone
Esone
Esone
Esone
Esone
Esone
Esone
Esone
Esone
Esone
–
Esone
Esone
Esone
Esone
4
2
2
2
2
2
3
3
3
3
4
4
Geni e
Mutazioni
SLC40A1
HEPC
HJV
2
4
6
17
AVAQ594-597del
A77D
N144H
N144T
Y64N
D157G
V162del
Q182H
G323V
R56X
93delG
G99V
G320V
I281T
I222N
R326X
Tipo di
mutazione
Posizione
genica
Delezione
Missenso
Missenso
Missenso
Missenso
Missenso
Delezione
Missenso
Missenso
Stop
Delezione
Missenso
Missenso
Missenso
Missenso
Nonsenso
Esone 16
Esone 3
Esone 5
Esone 5
Esone 3
Esone 5
Esone 5
Esone 6
Esone 7
Esone 3
Esone 2
Esone3
Esone 4
Esone 4
Esone 4
Esone 4
la cripta non è più accettato. Recenti
sviluppi hanno dimostrato che la patologia è caratterizzata da una riduzione della espressione di RNA epatico per epcidina sia nel topo
(Muckentaler, 2003; Nicolas et al.,
2003) che nell’uomo (Bridle et al.,
2003). L’ipotesi attualmente più accreditata è che Hfe sia un regolatore
di Epcidina e che l’emocromatosi in
generale sia una malattia da inappropriata produzione di Epcidina.
L’HH di tipo 2 è definita anche
“giovanile” perché i sintomi compaiono più precocemente, il grado
di sovraccarico è maggiore e colpisce entrambi i sessi. La maggior
parte dei pazienti ha mutazioni in un
gene, mappato sul braccio lungo del
cromosoma 1 (1q) (Roetto et al.,
1999), recentemente identificato
(Papanikolaou et al., 2003). Questo
gene codifica per una proteina, denominata emojuvelina, espressa
prevalentemente a livello epatico e
cardiaco, il cui ruolo funzionale rimane tuttavia oscuro. Le mutazioni
descritte sono in genere private; una
mutazione ricorrente è G320V.
Un sottogruppo ha mutazioni in Epcidina (Roetto et al., 2003). Questa
osservazione dimostra il ruolo chiave di questa proteina nell’uomo, in
analogia a quanto osservato nel modello animale.
L’HH di tipo 3 è dovuta a mutazioni
di Tfr2 (Camaschella et al., 2000),
un recettore della Tf poco noto, espresso a livello epatico, con possibile
funzione regolatoria. La malattia presenta aspetti intermedi tra tipo 1 e 2:
il quadro clinico è meno grave rispetto al tipo 2, ma il sovraccarico è
già presente nei primi anni di vita.
L’HH di tipo 4 è una forma dominante di sovraccarico genetico di
ferro. La ferritina sierica è elevata e
la saturazione della transferrina
FISIOPATOLOGIA MOLECOLARE DEL METABOLISMO DEL FERRO
109
spesso normale. Il deposito di ferro
è localizzato nel reticoloendotelio o
è di tipo misto. Sono state descritte
diverse mutazioni in eterozigosi nel
gene SLC40A1, che codifica per
ferroportina 1 (FPN1) (Njajou et al.,
2001; Montosi, 2001). Alcuni pazienti presentano una lieve anemia;
altri sviluppano anemia dopo alcuni
salassi. FPN1 è un trasportatore di
membrana espresso sulla superficie
basolaterale degli enterociti e dei
macrofagi. Le modalità con cui le
mutazioni causano il fenotipo non
sono del tutto chiarite: l’ipotesi prevalente è quella della perdita di funzione e quindi del ridotto rilascio di
ferro dai macrofagi. Le mutazioni
responsabili di emocromatosi sono
riassunte nella Tabella III.
Sono disponibili modelli animali dell’emocromatosi classica e di tipo 3,
oltre a Usf2 -/- che presenta l’inattivazione di Epcidina (Tab. IV).
Animali in cui il gene Hfe è stato costituzionalmente inattivato presentano un fenotipo sovrapponibile alle
caratteristiche cliniche della malattia,
così come i topi in cui è stata inseri-
ta la mutazione principale di HFE
(C282Y), anche se in questi ultimi la
gravità del fenotipo è minore del knock out germinale (Zhou et al.,
1998; Levy et al., 1999). Il modello
animale di HFE tipo 3 è stato ottenuto inserendo la mutazione inattivante ortologa a Y250X (Fleming et
al., 2002) e dimostra lo stesso sovraccarico marziale dei pazienti.
Si può ipotizzare l’esistenza di altri tipi di emocromatosi dovuti a mutazioni nel pathway di Epcidina o delle sua attivazione (Tab. V). Il sovraccarico di ferro presente tra i Bantù
sembra essere correlato sia a fattori
ambientali che a geni diversi da quelli noti sinora. Esiste una forma rara di
emocromatosi neonatale le cui basi
genetiche non sono chiarite.
Le patologie del recycling
Aceruloplasminemia
La aceruloplasminemia è una malattia recessiva rara, descritta inizialmente in Giappone, con accumulo
di ferro nei nuclei della base, fegato
e pancreas, manifestazioni neurolo-
Tab. IV. Modelli animali di sovraccarico di ferro.
Modello
animale
Gene
Difetto molecolare
Fenotipo
β 2-m
β 2-microglobulina
inattivazione genica
Sovraccarico di Fe
hfe
hfe
inattivazione genica
Sovraccarico di Fe
hfe C282Y hfe
C282Y
Sovraccarico di Fe
Usf2
epcidina
inattivazione genica
Sovraccarico di Fe
Cp
ceruloplasmina
inattivazione genica
Sovraccarico di Fe,
atassia
Tfr2
recettore per la
transferrina 2
Y245X
Sovraccarico di Fe
A. ROETTO, C. CAMASCHELLA
110
Tab. V. Possibile alterazione della regolazione epcidina–dipendente nelle principali patologie del metabolismo del ferro.
Patologia
Produzione
Epcidina
Assorbimento
Accumulo di Fe*
Intestinale di Fe* Macrofagico
Emocromatosi
genetica
Ridotta/Assente
Aumentato
Ridotto
Sovraccarico
Aumentata
di Fe secondario
Ridotto
Aumentato
Sovraccarico
secondario
+ anemia
Ridotta ?
Aumentato
Aumentato
Anemia
sideropenica
Ridotta
Aumentato
Ridotto
** ACD
Aumentata
Ridotto
Aumentato
* Fe = ferro; ** ACD = anemia dei disordini cronici.
giche di tipo atassico, diabete, degenerazione retinica. La ceruloplasmina (Cp) è una ferrossidasi che lega il
rame, coinvolta nella cessione di
ferro dalle cellule alla Tf. Il sovraccarico epatocitario è massivo, ma
non si sviluppa fibrosi e la funzionalità epatica è conservata. La Cp è
indosabile nel siero, la ferritina è
elevata mentre la sideremia e la saturazione della Tf sono ridotte. Nel
modello animale (topo Cp-/-) il ferro si accumula nelle cellule reticoloendoteliali e negli epatociti per alterazione del rilascio (Harris, 1999):
infatti la Cp, per l’azione ferrossidasica, favorisce la creazione di un
gradiente e facilita il flusso di ferro
verso l’ambiente extracellulare. In
accordo con questa osservazione la
salassoterapia non è efficace.
Anemia nei disordini cronici
L’anemia dei disordini cronici infiammatori e neoplastici è molto co-
mune nella pratica clinica ed è chiaramente multifattoriale. Contribuiscono all’anemia l’eccessiva produzione di citochine (IL-1, TNF, TGF,
IL6), che riducono la risposta eritropoietinica, inibiscono la proliferazione eritroide e riducono la disponibilità del ferro per l’eritropoiesi,
causando un deficit funzionale di
ferro.
L’anemia dei disordini cronici (ACD)
è un modello di patologia in cui la disponibilità di ferro per l’eritropoiesi
è ridotta in presenza di sovraccarico
reticoloendoteliale: in accordo la saturazione della transferrina normale/ridotta e la ferritina elevata. Recentemente l’identificazione di epcidina, peptide antimicrobico prodotto per stimolo infettivo-infiammatorio, permette una reinterpretazione della patologia (Weinstein et
al., 2002). L’Epcidina, proteina di
fase acuta, è stimolata da IL-6, rivelando la sua origine di componente
della immunità naturale. Tuttavia nonostante la sua struttura sia simile a
quella dei peptidi antimicrobici, nell’evoluzione avrebbe perso il ruolo
antinfettivo (che mantiene parzialmente in vitro) ed acquisito la funzione di inibitore del ferro. Quest’ultimo, come noto, è un fattore di
crescita per i microrganismi per cui
la sua indisponibilità è protettiva nei
confronti della infezione. L’Epcidina
rappresenta quindi uno dei numerosi link tra ferro e immunità, forse uno dei più antichi data la sua conservazione tra le specie.
Altri disordini del
metabolismo del ferro
Atransferrinemia congenita
L’atransferrinemia o ipotransferrinemia è una malattia recessiva rara,
in cui la Tf è indosabile nel siero.
Dipende da mutazioni nel gene della Tf sul cromosoma 3q21. È presente grave anemia sideropenica e
sovraccarico di ferro epatico, dimostrando che il ferro viene veicolato
al fegato e agli altri organi con sistemi di trasporto alternativi (NonTransferrin-Bound-Iron o NTBI)
analogamente a quanto descritto nel
topo hpx/hpx. La malattia risponde
al trattamento con plasma. Questa
patologia è al confine tra sideropenia e sovraccarico, identificando il
duplice ruolo di Tf come veicolo di
ferro al midollo e verosimile segnale del midollo stesso.
Sindrome iperferritinemia-cataratta
La sindrome iperferritinemia-cataratta (HHCS) è un disordine dominante causato da mutazioni nell’elemento IRE della ferritina L. Rappresenta una patologia del sistema
IRE-IRPs e uno dei rari esempi di
patologia traduzionale. Le mutazioni in eterozigosi impediscono la
corretta interazione di IRE-IRP, inducendo una sintesi costitutiva di Lferritina (Fig. 2B). La patologia è
caratterizzata da iperferritinemia e
cataratta bilaterale. La sideremia e
la saturazione della transferrina sono normali e non esiste sovraccarico
di ferro. Le mutazioni riscontrate
interessano frequentemente il motivo nucleotidico CAGUG dell’ansa
terminale, coinvolto nel legame con
IRPs. Alcune sono private di singole famiglie, altre ricorrenti in pazienti non correlati. La mancata interazione con le proteine IRPs è stata dimostrata in vitro in diversi casi.
L’effetto clinico è direttamente dipendente dall’effetto termodinamico che le mutazioni causano sulla
FISIOPATOLOGIA MOLECOLARE DEL METABOLISMO DEL FERRO
111
struttura dell’IRE. I meccanismi di
formazione della cataratta sono ancora poco chiari. In alcuni casi la
cataratta è congenita, in altri casi insorge successivamente.
accumula nella sostanza nigra e nel
globo pallido causando progressiva
demenza e rigidità muscolare. La
malattia è dovuta a mutazioni di una
pantotenato-chinasi (Zhou et al.,
2001). Un altro disordine dominante che si associa ad accumulo di ferro è la neuroferritinopatia descritta in
una famiglia inglese con manifestazioni neurologiche di tipo extrapiramidale. Una mutazione della ferritina L comporta la formazione di aggregati di ferritina nel cervello dei
pazienti, in particolare nei nuclei
della base (Curtis et al., 2001). La
comprensione del metabolismo del
ferro nel sistema nervoso centrale è
rilevante anche ai fini dell’osservazione di depositi aumentati in patologie neurodegenerative acquisite
frequenti quali il morbo di Parkinson
o la malattia di Alzheimer.
Ferro e patologie
degenerative
Deposito di ferro si osserva nell’atassia di Friedreich, disordine recessivo dovuto a mutazioni del trasportatore mitocondriale fratassina, che
causa atassia e cardiomiopatia.
Sembra che l’alterazione comporti una riduzione di produzione di tutti i
complessi ferro-zolfo assemblati nel
mitocondrio. Neurodegenerazione
con accumulo di ferro nel cervello si
osserva nella malattia genetica di
Hallervorden Spatz in cui il ferro si
Box riassuntivo
Cosa si sapeva
– L’assorbimento intestinale di ferro è limitato a 1-2 mg/die. È direttamente proporzionale alle necessità dell’eritropoiesi (“regolatore eritroide”) e inversamente proporzionale all’entità dei depositi (“regolatore dei depositi”).
– Non esiste un sistema di eliminazione a parte la desquamazione cellulare.
– L’emocromatosi ereditaria, malattia monogenica in cui la regolazione dell’assorbimento del ferro è alterata, è
causata da mutazioni del gene HFE.
Cosa sappiamo oggi
– Sono stati identificati altri 4 geni responsabili di emocromatosi: recettore 2 della transferrina, epcidina, emogiuvelina e ferroportina 1, dimostrando che la regolazione del metabolismo del ferro è un fenomeno complesso.
– L’identificazione di epcidina, peptide antimicrobico di origine epatica, ha fornito il regolatore chiave dell’assorbimento. Epcidina funge da regolatore dei depositi e quando viene “spenta” permette l’assorbimento massimale di ferro contribuendo al regolatore eritroide.
– Lo studio di modelli animali ha permesso di identificare i trasportatori cellulari del ferro, quali DMT1 coinvolto nell’uptake dal lume intestinale in collaborazione con Dcyt1 e ferroportina 1 che coopera con efestina
per esportare ferro nella circolazione.
112
A. ROETTO, C. CAMASCHELLA
Ricadute per la pratica clinica
– La diagnosi di emocromatosi può essere effettuata con test genetico, tenendo presente l’eterogeneità genetica
della malattia. L’approccio molecolare ha soppiantato la necessità della biopsia epatica nella quasi totalità dei
casi.
– La comprensione dei meccanismi di regolazione permetterà di chiarire non solo il sovraccarico, ma anche altri disturbi del metabolismo del ferro. Lo sviluppo di un test per il dosaggio di epcidina nel siero potrà essere utile all’inquadramento clinico del sovraccarico primario e secondario, ma anche delle anemie da disordine cronico.
Metodologia
La review si basa su articoli originali e su rassegne recenti pubblicate in riviste censite da Science Citation Index e Medline. Gli autori hanno lavorato nel settore da molti anni producendo contributi originali.
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Ringraziamenti
I dati originali descritti in questa review sono
stati ottenuti grazie al supporto di Telethon Progetto GP0255/01, MIUR e FIRB, Roma.
Corrispondenza
dott.ssa Clara Camaschella Dipartimento di
Scienze Cliniche e Biologiche, Università di Torino, Azienda Ospedaliera “San Luigi”, 10043
Orbassano, Torino
Per comunicare con l’autore, commentare e/o fare domande
sull’articolo, visita la web di Prospettive in pediatria
(http://www.prospettiveinpediatria.it)