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L’epcidina è un peptide epatico che regola l’omeostasi sistemica del ferro. Identificato nel 2001 da tre gruppi attraverso approcci diversi in modelli murini (Nicola G et al, 2001; Pigeon C et al, 2001 PubMed) e nelle urine di volontari sani (Park CH et al, 2001 PubMed), rappresenta il regolatore chiave dell’omeostasi sistemica del ferro. L’epcidina è prodotta dagli epatociti a partire da un precursore di 84 aminoacidi (proepcidina) per l’azione di proteasi che danno luogo ad un peptide maturo di 25 aminoacidi. La presenza di 8 cisteine determina la formazione di ponti disolfuro e il ripiegamento della molecola su se stessa a formare una struttura a forcina (Ganz T, 2003 PubMed) a tipo peptide antimicrobico. La trascrizione è un processo regolato e la quantità di messaggero che si forma correla con l’epcidina misurata nel siero.

Mutazioni di epcidina nell’uomo sono estremamente rare e danno luogo a sovraccarico di ferro precoce e grave (emocromatosi giovanile di tipo 2B) (Roetto A et al, 2003 PubMed). Anche nel modello animale la mancanza del peptide provoca sovraccarico di ferro nel fegato, pancreas e cuore (Nicola G et al, 2001 PubMedLesbordes-Brion JC et al, 2006 PubMed). 

 

Attivazione di epcidina

 

La sintesi di epcidina è stimolata da ferro e infiammazione. Il ferro agisce attraverso le bone morphogenetic proteins (BMPs) che attivano la trasmissione del segnale attraverso le proteine SMAD. BMP6 regola la sintesi di epcidina, in quanto la sua inattivazione germinale nel topo causa sovraccarico di ferro grave e precoce (Meynard D et al, 2009; Andriopoulos B Jr et al, 2009). Inoltre BMP6 è trascrizionalmente aumentata nel sovraccarico di ferro e ridotta nella carenza (Kautz L et al, 2008 PubMed). Quando si lega ai suoi recettori BMPR1 e BMPR2 sulla superficie dell’epatocita in presenza del corecettore hemojuvelin (proteina mutata nell’emocromatosi giovanile di tipo 2A) (Papanikolaou G et al, 2004 PubMed) BMP6 attiva la trasmissione del segnale attraverso la fosforilazione di SMAD1/5/8, la formazione di un complesso con SMAD4 che trasloca nel nucleo, dove si lega a sequenze specifiche (BMP-responsive elements, BMP-RE) del promotore di epcidina (Babitt JL et al, 2006 PubMed).

BMP2 è coinvolta nell’attivazione di epcidina, in quanto topi con inattivatione di Bmp2 nelle cellule endoteliali sviluppano sovraccarico di ferro con bassa epcidina (Kock PS et al, 2017), un effetto che è indipendente da BMP6 (Canali S, Wang CY et al, 2017). A differenza di BMP6, BMP2 non è regolata da ferro e la sua espressione è costante e piuttosto elevata. Entrambe le Bmp non sono prodotte dagli epatociti, ma dalle liver sinusoidal endothelia cells (LSEC), delineando un crosstalk all’interno delle popolazioni cellulari epatiche fondamentale per attivare epcidina. Il modello attuale prevede che BMP6 risponda soprattutto all’aumento del ferro tissutale (epatico) mentre BMP2 che non è regolata dal ferro, potrebbe controllare la produzione basale di epcidina (Canali, Zumbrennen-Bullough et al, 2017 PubMed).

La sintesi di epcidina è stimolata anche dall’infiammazione, soprattutto dai lipopolisaccaridi (LPS) e dall’interleuchina 6 (IL-6). Quest’ultima, legandosi al suo recettore (IL-6R) attiva JAK2 che trasmette il segnale attraverso STAT3 (Verga Falzacappa MV et al, 2007 PubMed). È accettato che anche la via BMP sia importante per l’espressione ottimale di epcidina nell’infiammazione (Fillebeen C et al, 2018).

 

Inibizione di epcidina

 

La produzione di epcidina è ridotta in condizioni di elevato fabbisogno di ferro per l’attività midollare, quali sideropenia, ipossia ed espansione dell’eritropoiesi.

Nella sideropenia l’attività BMP è soppressa da uno specifico inibitore epatico, matriptasi 2, codificata da TMPRSS6.gene sul cromosoma 22.  Matriptasi-2 è una proteasi serina transmembrana che inibisce epcidina, attraverso il clivaggio di hemojuvelin, la proteina co-recettore delle BMP sulla membrana degli epatociti, spegnendo in questo modo un segnale attivatorio. Il gene è stato clonato nel topo “Mask” in cui matriptasi-2 è inattiva per una delezione del dominio catalitico serinprotesico (Du X et al, 2008) PubMed. Il topo Tmprss6 knock out (Folgueras AR et al, 2008) PubMed ha un fenotipo sovrapponibile a Mask: entrambi i topi sono piccoli, perdono il pelo ed hanno un’anemia sideropenica ferro-resistente dovuta a eccessiva produzione di epcidina, analoga alla forma umana. Lo studio di questi modelli ha permesso l’identificazione della patogenesi molecolare dell’ IRIDA. TMPRSS6 ha un’importante funzione in vivo.

Epcidina è ridotta tipicamente nell’ipossia (es. ad alta quota), per permettere un maggior assorbimento di ferro al fine di di aumentare la produzione dei globuli rossi (Piperno et al 2011) o dopo emorragia per la ricostituzione del patrimonio eritroide. E’ anche ridotta nelle cosidette “iron loading anemias” come la beta talassemia non-trasfusione-dipendente, dove il segnale per l’assorbimento del ferro supera il segnale inibitorio dei depositi di ferro. Il meccanismo è stato chiarito di recente. Il primo candidato proposto a trasmettere l’informazione della necessità di ferro tra il midollo eritroide ed il fegato è stato il growth differentiation factor 15 (GDF15). Questa citochina è presente con dosaggio molto elevato nel siero di soggetti talassemici ed anche in altre condizioni caratterizzate da eritropoiesi inefficace quali l’anemia congenita diseritropoietica di tipo 2 e le mielodisplasie. Il siero di pazienti talassemici sopprime la sintesi di epcidina in vitro in linee di epatoma e tale soppressione non si verifica se il siero viene deprivato di GDF15 (Tanno T et al, 2007). Dati ulteriori suggeriscono per questa citochina un effetto parziale sulla soppressione di epcidina e danno maggior significato al suo dosaggio come possibile marcatore di eritropoiesi inefficace (Tanno T et al, 2010) PubMed. Il regolatore eritroide principale è eritroferrone (ERFE), una proteina prodotta dagli eritroblasti midollari (murini ed umani) quando stimolati da eritropoietina (Kautz et al, 2014). Si tratta di un membro della famiglia C1q/TNF espresso da diversi tessuti, ma incrementato dopo stimolo eritropoietinico solo nei tessuti emopoietici. Nel modello murino l’espressione di ERFE aumenta poche ore dopo somministrazione di eritropoietina (EPO) o dopo salasso, prima della soppressione di epcidina, che avviene dopo 12-15 ore. Tale meccanismo non si verifica nel topo Erfe KO, che presenta solo una lieve e precoce flessione della espressione di epcidina. Non è noto il meccanismo molecolare attraverso cui ERFE inibisce epcidina, ma la produzione soppressa dopo 12-15 ore dall’uso di eritropoietina richiede la previa soppressione del pathway principale BMP/SMAD (Camaschella C et al, 2016).

Un altro inibitore di epcidina è il PDGF-BB prodotto dalle piastrine in ipossia (Sonnweber T et al, 2014). Anche ormoni e farmaci possono inibire la produzione di epcidina. Tra gli ormoni il testosterone mantiene i livelli di epcidina più bassi nell’uomo rispetto alla donna per favorire l’eritropoiesi molto più espansa (Latour C et al, 2014). Tra i farmaci, gli immunosoppressori che legano FKBP12 (rapamicina e tacrolimus) attivano epcidina tramite lo spiazzamento della immunfillina dal recettore delle BMP (ALK2) espresso a livello epatico (Colucci S et al, 2017).
Del tutto recentemente è stato dimostrato che epcidina può essere soppressa con meccanismo epigenetico, sia in condizioni di carenza di ferro che nella espansione eritropoietica da stimolo eritropoietinico (Pascricha SR et al, 2017). Il contributo dell’epigenetica nel determinare la soppressione di epcidina in termini quantitativi è però ancora da definire.

 

Funzione di epcidina e ruolo di ferroportina

 

Epcidina inibisce il rilascio di ferro alla transferrina circolante in quanto si lega alla proteina transmembrana ferroportina, determinandone l’internalizzazione e la degradazione lisosomiale (Nemeth E et al, 2004). Del tutto recentemente è stato dimostrato che l’effetto principale di epcidina è un blocco fisico del canale di ferroportina attraverso cui il ferro viene esportato e che questo meccanismo è indipendente dalla degradazione di ferroportina (Aschemever S et al, 2018). Ferroportina è l’unico esportatore cellulare del ferro, molto espresso nelle cellule che rilasciano ferro alla circolazione, come gli enterociti duodenali, i macrofagi, gli epatociti e il trofoblasto. Nel duodeno il ferro supera la membrana basolaterale per essere ceduto alla transferrina ad opera della ferroportina con la cooperazione dell’ossidasi efestina. Nel macrofago l’attività ossidasica è fornita da ceruloplasmina. Il legame con epcidina nei macrofagi e negli enterociti duodenali, blocca il rilascia del ferro alla circolazione (Figura I) Ferroportina è anche upregolata trascrizionalmente dall’eme e soppressa dall’infiammazione mentre è regolata post-trascrizionalmente dalle iron regulatory proteins (IRPs), in quanto possiede un elemento IRE (Iron Responsive Element) nella regione 5’UTR per cui segue la stessa regolazione di ferritina.

 

Figura I. Schema del meccanismo di azione di epcidina e della sua regolazione ferro-dipendente. La sintesi epatica di epcidina è regolata dal ferro mediante BMP6 che, in presenza del corecettore hemogiuvelin (HJV) si lega ai recettori BMPRI e II attivando la trasmissione del segnale mediante fosforilazione (P) delle proteine SMAD. Il complesso SMAD attivato migra nel nucleo dove si lega a sequenze speciali del promotore di Epcidina (HAMP). L’epicdina viene secreta nella circolazione e si lega all’esportatore del ferro ferroportina nelle cellule duodenali e nei macrofagi promuovendo l’internalizzazione e la degradazione lisosomiale della ferroportina. In questo modo l’assorbimento intestinale ed il suo rilascio di ferro dal macrofago vengono bloccati (modificata da Camaschella Nat Genet 2009;41:386-8). A seguito dell’incremento della transferrina (TF) diferrica, HFE, normalmente legato a TFR1, si lega a TFR2, in questo modo partecipando all’attivazione di epcidina, con meccanismo ancora non definito.

 

Un lavoro recente ha dimostrato che ferroportina è altamente espressa nella serie eritroide e nei globuli rossi maturi dove esporta attivamente il ferro. Nel globulo rosso, ferroportina è esclusivamente regolata da epcidina e, in carenza di ferro, per l’assenza di epcidina non è degradata e quindi continua ad esportare ferro nella circolazione, secondo gli Autori contribuendo a circa il 20% del ferro circolante (Zhang DL et al, 2018b). Al contrario, nel sovraccarico di ferro il rilascio del ferro alla circolazione viene bloccato dagli alti livelli di epcidina. Gli Autori confermano l’importanza di ferroportina nel globulo rosso inattivandola in modo specifico nella linea eritroide del topo, e dimostrando che i globuli rossi sono precocemente distrutti per danno ossidativo, con conseguente anemia emolitica. Il ruolo di ferroportina sarebbe quello di evitare lo stress ossidativo causato dalla liberazione di ferro da parte dell’emoglobina degradata. Un altro ruolo sarebbe quello di contribuire al ferro circolante in corso di sideropenia (Zhang DL et al, 2018a).
Questi risultati identificano una nuova funzione di ferroportina e migliorano la nostra comprensione della fisiologia degli eritrociti.

Epcidina può essere dosata nel siero con tecniche diverse: le più usate sono la spettrometria di massa ed ELISA (Kroot JJ et al, 2010) PubMed. Tuttavia, in mancanza di una armonizzazione dei dati ottenuti con metodi diversi, il dosaggio è attualmente consigliato solo a scopo di ricerca. Il potenziale utilizzo di epcidina in clinica in casi selezionati è stato discusso in una review recente (Girelli D et al, 2016).

L’identificazione di epcidina ha rivoluzionato la fisiopatologia dei disordini del metabolismo del ferro e permesso di reinterpretare i disordini genetici da sovraccarico e carenza di ferro. E’ possibile che in futuro rivoluzioni anche la diagnostica e la terapia di questi disordini (Nemeth E, 2010) PubMed.

Sono già stati sviluppati e testati in studi preclinici in modelli animali i cosidetti Hepcidin agonists, che mimano la funzione di epcidina per aumentarne i livelli e correggere sovraccarichi di ferro nella emocromatosi e nella talassemia. Alcuni sono già entrati in fase di sperimentazione clinica (Casu C et al, 2018).

 

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