2.25.2.3.2(iv) Gemeinsame Ziele in verschiedenen Gehirnzelltypen

Die Kalzium-Homöostase und die Kalzium-abhängige Kinase-Zellsignalisierung sind die häufigsten Bleiziele in allen Gehirnzelltypen. Obwohl zweiwertige Kalziumionen (Ca2+) und zweiwertige Blei-Ionen (Pb2+) unterschiedliche chemische Eigenschaften haben, wobei Kalziumionen die Sauerstoffbindung und Blei-Ionen die Schwefelbindung bevorzugen, haben sich die Auswirkungen von Blei auf die Kalzium-Homöostase und die Kalzium-vermittelte Zellsignalisierung bevorzugt auf die Geschichte der Blei-Toxizität konzentriert (z.B. Osteoporose bei Bleivergiftung und Proteinkinase C (PKC)-Signalwege) (Goldstein 1993; Pounds et al. 1991). Die Feststellung, dass Blei stark an GRP78, ein cysteinarmes Protein, gebunden ist (Qian et al. 2000), deutet darauf hin, dass Blei auch auf nicht-sulfhydrylreiche Proteine abzielen kann. GRP78 ist ein glutaminsäure- und asparaginsäurereiches kalziumbindendes Protein (17,2 % Glutaminsäure und Asparaginsäure im Vergleich zu durchschnittlichen 11,7 %) (Klapper 1977), das sich im ER befindet und zur Kalziumpufferung im ER, einer wichtigen Organelle für die Kalziumspeicherung, beiträgt (Macer und Koch 1988). Die Bindung von Blei an GRP78 ist ein weiterer deutlicher Beweis für die wichtige Rolle einer durch Blei gestörten Kalziumhomöostase und einer kalziumabhängigen Zellsignalisierung bei der Neurotoxizität von Blei.

Die Bedeutung von Kalzium bei der Zellsignalisierung ist allgemein bekannt. Calcium spielt eine wichtige Rolle bei der neuronalen Differenzierung, dem Wachstum, der Verzweigung, der Migration, der strukturellen Organisation, der Synapsenbildung und der synaptischen Plastizität (Braun und Schulman 1995). Die Bedeutung der Kalzium-Signalübertragung ist auch für die Kommunikation zwischen Astroglia und zwischen Astroglia und Neuronen belegt (Scemes und Giaume 2006). Direkte oder indirekte kalziumabhängige Proteine und Enzyme sind an vielen Zellsignalwegen beteiligt, und die Kalziumhomöostase ist auch an der Apoptose im Nervensystem beteiligt (Alberdi et al. 2005; Polster und Fiskum 2004). Die kalziumabhängige Zellsignalgebung wird durch Veränderungen der intrazellulären Konzentration freier Kalziumionen über Kalziumkanäle (z. B. spannungsabhängige Kalziumkanäle (VGCCs)) oder Pumpen (z. B. Ca2+-ATPase-Pumpe) an der Plasmamembran oder in intrazellulären Speichern (z. B. ER und Mitochondrien) reguliert. Umgekehrt regulieren Phosphorylierungs-/Dephosphorylierungszyklen von Kalziumkanälen (z. B. VGCC- und NMDA-Rezeptorkanäle), die durch kalziumabhängige Kinasen/Phosphatasen reguliert werden, auch die intrazellulären Kalziumkonzentrationen (Lieberman und Mody 1994; Raman et al. 1996). Somit können neurotoxische Stoffe, einschließlich Blei, die Kalziumhomöostase auf vielfältige Weise beeinflussen, was zu Veränderungen in der Zellsignalgebung führt. Dieses Thema wurde ausführlich behandelt (Audesirk und Tjalkens 2004), und daher konzentriert sich dieser Abschnitt auf gemeinsame Ziele von kalziumabhängigen Proteinen oder Enzymen und andere potenzielle gemeinsame Ziele.

PKC ist eine kalziumvermittelte Proteinkinase, die an der Zellsignalisierung in allen Gehirnzelltypen beteiligt ist (Braun und Schulman 1995). Blei stimuliert die Diacylglycerin-aktivierte, Calcium- und Phospholipid-abhängige PKC, die teilweise aus Rattenhirn gereinigt wurde, und es wurde festgestellt, dass picomolare Konzentrationen von Blei bei der PKC-Aktivierung mikromolaren Konzentrationen von Calcium entsprechen (Long et al. 1994; Markovac und Goldstein 1988). Dieses regulatorische Enzym kann also Bleikonzentrationen wahrnehmen, die bei der derzeitigen geringen Umweltexposition zu erwarten sind. Obwohl sich der größte Teil des im Gehirn gefundenen Bleis in Astroglia ablagert, ist es möglich, dass genügend Blei zu Neuronen und anderen Gehirnzelltypen gelangt, um die PKC-Aktivität zu modulieren. Studien an PC12-Zellen zeigten, dass Bleikonzentrationen von nur 10 nmol l-1 die PKC-Aktivität erhöhten, während Konzentrationen von 10 μmol l-1 oder mehr die PKC-Aktivität verringerten. Das Vorhandensein von Glutamat in einer Konzentration von 500 μmol l-1 verschlimmerte den bleiinduzierten Zelltod, der durch 100 nmol l-1 Staurosporin, einen PKC-Inhibitor, oder 1 μmol l-1 MK-801, einen NMDA-Antagonisten, teilweise blockiert werden konnte (Jadhav et al. 2000). Ähnliche Ergebnisse wurden auch in anderen Studien beobachtet, die zeigten, dass Blei in einer Konzentration von 0,53 μmol l-1 die PKC-Aktivität nach 2 Stunden um 200 % erhöhte und die Aktivität dann nach 48 Stunden wieder auf das Kontrollniveau zurückging (Tian et al. 2000). Die Bedeutung der durch Blei aktivierten PKC-Aktivität wurde mit der neuronalen Differenzierung in Verbindung gebracht. Studien an kultivierten Hippocampus-Neuronen der Ratte berichteten, dass die Hemmung der PKC mit Calphostin C die durch 100 nmol l-1 Blei-Chlorid verursachte Hemmung der Neuriteninitiierung verstärkte (Kern und Audesirk 1995), was auf eine Beteiligung der PKC an der Neurotoxizität von Blei schließen lässt. Im Gegensatz zu dieser Studie stimulierte Blei in einer Konzentration von 25-100 nmol l-1 das NGF-induzierte Neuritenwachstum in PC12-Zellen, und es wurde festgestellt, dass die Aktivierung der extrazellulären signalregulierten Proteinkinase (ERK) an der Stimulation durch Blei beteiligt ist (Crumpton et al. 2001; Williams et al. 2000a). Diese gegensätzlichen Ergebnisse spiegeln die Komplexität wider, die sich aus dem Vorhandensein mehrerer Wege der Neuriteninitiierung und mehrerer Ziele der Bleivergiftung im Nervensystem ergibt. Die Tyrosinhydroxylase (TH) ist ein Entwicklungsmarker für die neuronale Differenzierung und ihre Aktivität wird durch PKC reguliert. Der PKC-Inhibitor Ro32-0342 unterdrückte die bleiinduzierte TH-Aktivität in PC12-Zellen (Tian et al. 2000). ODC ist ein wichtiges regulatorisches Enzym des Polyaminwegs, das an zahlreichen Stoffwechselprozessen im sich entwickelnden und reifen Nervensystem beteiligt ist. Im Neokortex und Kleinhirn von Rattenwelpen, die von der Geburt bis zur Entwöhnung über das Trinkwasser der Mutter (0,2 % Bleiacetat) Blei ausgesetzt waren, verringerte die Bleiexposition sowohl die ODC- als auch die PKC-Aktivitäten bei PND 3 bis PND 30. Studien an PC12-Zellen legten nahe, dass die Abschwächung der ODC durch Blei auf eine durch Blei gedämpfte PKC-Aktivität zurückzuführen ist, da die NGF-induzierte ODC-Aktivität durch den PKC-Inhibitor Staurosporin abgeschwächt wurde (Hilliard et al. 1999). Die PKC-Aktivität war auch an der bleiinduzierten DNA-Bindungsaktivität des Transkriptionsfaktors Sp1 beteiligt, da der PKC-Inhibitor Staurosporin die bleiinduzierte DNA-Bindung von Sp1 in PC12-Zellen verringerte, was durch die Feststellung unterstützt wurde, dass die DNA-Bindungsaktivität von Sp1 parallel zur PKC-Aktivität im Hippocampus von bleiexponierten Ratten moduliert wurde (Atkins et al. 2003). Es wird angenommen, dass Sp1 auch an der Genexpression des NMDA-Rezeptors beteiligt ist (Bai und Kusiak 1995). Die PKC-abhängige Sp1-DNA-Bindung sollte eine wichtige Rolle bei der durch Blei modulierten NMDA-Rezeptor-Expression spielen, auch wenn von verschiedenen Forschergruppen kontroverse Ergebnisse berichtet wurden (Cory-Slechta et al. 1997a,b; Guilarte et al. 1993; Lasley et al. 2001; Ma et al. 1997).

Studien haben gezeigt, dass die PKC-Aktivierung an der bleiinduzierten Verzögerung der Oligodendrogliogenese beteiligt war. Die bleiinduzierte Verringerung der Proliferation und Differenzierung in kultivierten Ratten-OPs wurde durch Hemmung der PKC mit Bisindolylmaleimid I aufgehoben, während die Wirkung des PKC-aktivierenden Mittels Phorbol-12,13-Didecanoat durch Blei verstärkt wurde. Blei verursachte auch die Verlagerung von PKC aus dem Zytoplasma in das Membrankompartiment, ohne dass die gesamte zelluläre PKC-Aktivität anstieg (Deng und Poretz 2002). Sp1 kann die Genexpression von MBP und PLP, zwei wichtigen Strukturbestandteilen des Myelins des Zentralnervensystems, regulieren (Henson et al. 1992; Tretiakova et al. 1999). Daher ist die Vermutung naheliegend, dass die PKC-abhängige Sp1-DNA-Bindungsaktivität an den bleiinduzierten Veränderungen der Entwicklungsprofile von PLP und MBP beteiligt ist (Zawia und Harry 1995).

Obwohl keine direkten Beweise dafür vorliegen, dass die PKC-abhängige Sp1-DNA-Bindungsaktivität an der durch Blei regulierten Genexpression von HSP70, HSP90 und GRP78 in Astroglia beteiligt ist (Opanashuk und Finkelstein 1995; Qian et al. 2000, 2001; Selvin-Testa et al. 1997), impliziert die Beteiligung von Sp1 und PKC an der HSP70-, HSP90- und GRP78-Genexpression (Jacquier-Sarlin et al. 1995; Rebbe et al. 1989; Song et al. 2001; Ting und Lee 1988), dass Blei die Expression dieser Gene durch PKC-abhängige Sp1-DNA-Bindungsregulierung modulieren könnte. Eine Korrelation zwischen PKC und GFAP-Expression wurde in Astroglia-Zelllinien nachgewiesen (Brodie et al. 1998; Masliah et al. 1991). Es muss jedoch noch überprüft werden, ob die bleiinduzierte GFAP-Überexpression durch PKC vermittelt wird (Harry et al. 1996; Selvin-Testa et al. 1994; Stoltenburg-Didinger et al. 1996; Waterman et al. 1994). Humanstudien an Bleiarbeitern untermauerten die Bedeutung der durch Blei modulierten PKC-Aktivität bei der Bleineurotoxizität, da das Blei im Schienbein und die Expositionsdauer signifikant mit der PKC-Aktivierung in den Erythrozyten verbunden waren (Hwang et al. 2001). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass PKC wahrscheinlich viele Aspekte der bleiinduzierten Neurotoxizität im Nervensystem vermittelt.

Die δ-Aminolävulinsäure-Dehydratase (ALAD) ist ein Schlüsselenzym, das die Umwandlung von δ-Aminolävulinsäure (δ-ALA) in Porphobilinogen im Rahmen des Häm-Biosynthesewegs katalysiert. ALAD ist ein bekanntes molekulares Ziel der Bleiexposition, und seine Aktivität wird um 50 % gehemmt, wenn der Bleispiegel im Blut 20 μg dl-1 übersteigt. Die bleiinduzierte ALAD-Hemmung führt zu einer Erhöhung der zirkulierenden ALA-Konzentration. Daher werden die ALAD-Aktivität im Blut und der δ-ALA-Spiegel im Urin zur Diagnose einer Bleivergiftung bei Erwachsenen mit Blutbleispiegeln von mehr als 35 μg dl-1 und bei Kindern mit 25-75 μg dl-1 verwendet. Darüber hinaus verringert der erhöhte zirkulierende ALA-Spiegel die Freisetzung von GABA im zentralen Nervensystem, was zu einer Neurotoxizität des Bleis führt (Patrick 2006b). Obwohl die Hemmung von ALAD durch Bleiexposition in Erythrozyten festgestellt wurde, wird ALAD in allen Geweben, einschließlich des Gehirns, exprimiert, und Häm ist für die Biosynthese von Cytochromen, die für die ATP-Produktion in den Mitochondrien erforderlich sind, unerlässlich. Darüber hinaus hat das zinkbindende CysCysHisCys-Motiv in ALAD eine viel höhere Affinität für Blei mit einer molaren Absorptionsaktivität von 16 000 mol-1 cm-1, deutlich höher als das am häufigsten vorkommende Zinkfingermotiv, CysCysHisHis, mit einer molaren Absorptionsaktivität von 700 mol-1 cm-1 in anderen Proteinen oder Enzymen (Godwin 2001). Daher ist zu erwarten, dass Blei die ALAD-Aktivität im Gehirngewebe hemmt, was zu Neurotoxizität im zentralen Nervensystem führt.