2.25.2.3.2(iv) Yhteiset kohteet eri aivosolutyypeissä

Kalsiumhomeostaasi ja kalsium-riippuvainen kinaasien solusignaalinsiirto ovat yleisimpiä johtokohteita kaikissa aivosolutyypeissä. Vaikka kaksiarvoisilla kalsiumioneilla (Ca2+) ja kaksiarvoisilla lyijyioneilla (Pb2+) on erilaiset kemialliset ominaisuudet, joissa kalsiumionit suosivat happisidoksia ja lyijyionit rikkisidoksia, lyijyn vaikutukset kalsiumhomeostaasiin ja kalsiumvälitteiseen solusignalointiin ovat keskittyneet etupäässä lyijymyrkytyksen historiaan (esimerkiksi osteoporoosi lyijymyrkytyksessä ja proteiinikinaasi C:n (PKC:n) signalointireitit) (Goldstein 1993; Pounds ym. 1991). Se, että lyijy sitoutuu voimakkaasti GRP78:aan, joka on kysteiiniköyhä proteiini (Qian ym. 2000), viittaa siihen, että lyijy voi kohdistua myös ei-sulfhydryylirikkaisiin proteiineihin. GRP78 on runsaasti glutamiinihappoa ja asparagiinihappoa sisältävä kalsiumia sitova proteiini (17,2 % glutamiinihappoa ja asparagiinihappoa verrattuna keskimääräiseen 11,7 %:iin) (Klapper 1977), ja se sijaitsee ER:ssä ja osallistuu kalsiumin puskurointiin ER:ssä, joka on tärkeä kalsiumin varastoinnin organelli (Macer ja Koch 1988). Lyijyn sitoutuminen GRP78:aan antaa lisäksi vahvaa näyttöä siitä, että lyijyn häiritsemällä kalsiumhomeostaasilla ja kalsiumriippuvaisella solusignaloinnilla on merkittävä rooli lyijyn aiheuttamassa neurotoksisuudessa.

Kalsiumin merkitys solusignaloinnissa tunnetaan hyvin. Kalsiumilla on merkittävä rooli hermosolujen erilaistumisessa, kasvussa, haarautumisessa, migraatiossa, rakenteellisessa järjestäytymisessä, synapsien muodostumisessa ja synaptisessa plastisuudessa (Braun ja Schulman 1995). Kalsiumsignaloinnin merkitys on dokumentoitu myös astroglioiden välisessä sekä astroglioiden ja neuronien välisessä viestinnässä (Scemes ja Giaume 2006). Suorat tai epäsuorat kalsiumriippuvaiset proteiinit ja entsyymit osallistuvat moniin solusignaalireitteihin, ja kalsiumhomeostaasi on mukana myös hermoston apoptoosissa (Alberdi ym. 2005; Polster ja Fiskum 2004). Kalsiumriippuvaista solusignalointia säädellään vapaan kalsiumionin solunsisäisen konsentraation muutoksilla kalsiumkanavien (esim. jänniteohjatut kalsiumkanavat (VGCC)) tai pumppujen (esim. Ca2+-ATPaasi-pumppu) välityksellä plasmakalvolla tai solunsisäisissä varastoissa (esim. ER ja mitokondriot). Vastaavasti kalsiumriippuvaisten kinaasien/fosfataasien säätelemät kalsiumkanavien (esim. VGCC- ja NMDA-reseptorikanavien) fosforylaatio/defosforylaatiosyklit säätelevät myös solunsisäisiä kalsiumpitoisuuksia (Lieberman ja Mody 1994; Raman ym. 1996). Näin ollen neurotoksiset aineet, lyijy mukaan lukien, voivat vaikuttaa kalsiumin homeostaasiin monin tavoin, mikä johtaa muutoksiin solujen signaloinnissa. Tätä aihetta on tarkasteltu yksityiskohtaisesti (Audesirk ja Tjalkens 2004), ja siksi tässä jaksossa keskitytään kalsiumriippuvaisten proteiinien tai entsyymien yhteisiin kohteisiin ja muihin mahdollisiin yhteisiin kohteisiin.

PKC on kalsiumvälitteinen proteiinikinaasi, joka osallistuu solusignalointiin kaikissa aivosolutyypeissä (Braun ja Schulman 1995). Lyijy stimuloi diasyyliglyserolista aktivoituvaa kalsium- ja fosfolipidiriippuvaista PKC:tä, joka on osittain puhdistettu rotan aivoista, ja pikomolaaristen lyijypitoisuuksien havaittiin vastaavan mikromolaarisia kalsiumpitoisuuksia PKC:n aktivoinnissa (Long ym. 1994; Markovac ja Goldstein 1988). Tämä säätelevä entsyymi voi siis aistia lyijypitoisuuksia, jotka ovat odotettavissa nykyisistä vähäisistä ympäristöaltistuksista. Vaikka suurin osa aivoista löytyvästä lyijystä laskeutuu astrogliaan, on mahdollista, että neuroneihin ja muihin aivosolutyyppeihin pääsee riittävästi lyijyä muokkaamaan PKC:n aktiivisuutta. PC12-soluilla tehdyt tutkimukset osoittivat, että jo 10 nmol l-1 :n lyijypitoisuus lisäsi PKC:n aktiivisuutta, kun taas vähintään 10 μmol l-1 :n lyijypitoisuus vähensi PKC:n aktiivisuutta. Glutamaatin läsnäolo 500 μmol l-1:ssä pahensi lyijyn aiheuttamaa solukuolemaa, ja tämä voitiin osittain estää 100 nmol l-1 staurosporiinilla, PKC:n estäjällä, tai 1 μmol l-1 MK-801:llä, NMDA-antagonistilla (Jadhav ym. 2000). Samankaltaisia tuloksia havaittiin myös muissa tutkimuksissa, jotka osoittivat, että lyijy 0,53 μmol l-1 lisäsi PKC:n aktiivisuutta 200 % 2 tunnin kuluttua, minkä jälkeen aktiivisuus palautui kontrollitasolle 48 tuntiin mennessä (Tian ym. 2000). Lyijyn aktivoiman PKC-aktiivisuuden merkitys on liitetty hermosolujen erilaistumiseen. Rotan hippokampusneuroneilla tehdyissä tutkimuksissa raportoitiin, että PKC:n estäminen kalfostiini C:llä pahensi 100 nmol l-1 lyijykloridin aiheuttamaa neuriittien initiaation estoa (Kern ja Audesirk 1995), mikä viittaa PKC:n osallisuuteen lyijyn neurotoksisuudessa. Toisin kuin tässä tutkimuksessa, lyijy 25-100 nmol l-1 stimuloi NGF:n indusoimaa neuriitin uloskasvua PC12-soluissa, ja solunulkoisen signaalin säätelemän proteiinikinaasin (ERK) aktivaation todettiin olevan osallisena lyijyn stimulaatiossa (Crumpton ym. 2001; Williams ym. 2000a). Näin ollen nämä vastakkaiset tulokset heijastavat monimutkaisuutta, joka aiheutuu useiden neuriitin käynnistymisreittien ja useiden lyijymyrkytyksen kohteiden olemassaolosta hermostossa. Tyrosiinihydroksylaasi (TH) on hermosolujen erilaistumisen kehitysmerkki, ja sen aktiivisuutta säätelee PKC. PKC:n estäjä Ro32-0342 tukahdutti lyijyn aiheuttaman TH-aktiivisuuden PC12-soluissa (Tian ym. 2000). ODC on keskeinen polyamiinireitin säätelevä entsyymi, joka osallistuu lukuisiin aineenvaihduntaprosesseihin kehittyvässä ja kypsässä hermostossa. Syntymästä vieroitukseen asti emon juomaveden kautta lyijylle (0,2 % lyijyasetaatti) laktatiivisesti altistettujen rotanpoikasten neokorteksissa ja pikkuaivoissa lyijyaltistus heikensi sekä ODC:n että PKC:n aktiivisuutta PND 3:n ja PND 30:n välisenä aikana. PC12-soluilla tehdyt tutkimukset viittasivat siihen, että lyijyn aiheuttama ODC:n heikentyminen johtui lyijyn heikentämästä PKC-aktiivisuudesta, koska NGF:n indusoima ODC-aktiivisuus heikentyi PKC:n estäjän staurosporiinin vaikutuksesta (Hilliard ym. 1999). PKC-aktiivisuus oli mukana myös lyijyn aiheuttamassa transkriptiotekijä Sp1:n DNA-sitoutumisaktiivisuudessa, koska PKC:n estäjä staurosporiini vähensi lyijyn aiheuttamaa Sp1:n DNA-sitoutumista PC12-soluissa, mitä tukee havainto, että Sp1:n DNA-sitoutumisaktiivisuus moduloitui samansuuntaisesti PKC:n aktiivisuuden kanssa lyijylle altistuneiden rottien hippokampuksessa (Atkins ym. 2003). Sp1:n uskotaan osallistuvan myös NMDA-reseptorin geeniekspressioon (Bai ja Kusiak 1995). PKC:stä riippuvaisella Sp1:n DNA-sitoutumisella pitäisi olla tärkeä rooli lyijyn muokkaamassa NMDA-reseptorin ilmentymisessä, vaikka eri tutkimusryhmät ovatkin raportoineet ristiriitaisia tuloksia (Cory-Slechta ym. 1997a,b; Guilarte ym. 1993; Lasley ym. 2001; Ma ym. 1997).

Tutkimukset ovat osoittaneet PKC:n aktivaation olevan osallisena lyijyn aiheuttamassa oligodendrogliogeneesin viivästymisessä. Lyijyn aiheuttama proliferaation ja erilaistumisen väheneminen rotan viljellyissä OP:issa kumottiin estämällä PKC:n toimintaa bisindolyylimaleimidi I:llä, kun taas PKC:tä aktivoivan forboli-12,13-didekanoaatin vaikutus voimistui lyijyn vaikutuksesta. Lyijy aiheutti myös PKC:n translokaation sytoplasmasta kalvokompartimenttiin ilman, että solujen PKC:n kokonaisaktiivisuus lisääntyi (Deng ja Poretz 2002). Sp1 voi säädellä MBP:n ja PLP:n, kahden keskushermoston myeliinin tärkeimmän rakenneosan, geeniekspressiota (Henson ym. 1992; Tretiakova ym. 1999). Näin ollen PKC-riippuvaisen Sp1:n DNA-sitoutumisaktiivisuuden voidaan kohtuudella olettaa olevan osallisena lyijyn aiheuttamissa PLP:n ja MBP:n kehitysprofiilien muutoksissa (Zawia ja Harry 1995).

Vaikka suoraa näyttöä ei olekaan saatu siitä, että PKC-riippuvainen Sp1:n DNA-sitoutumisaktiivisuus olisi osallisena lyijyn säätelemässä HSP70:n, HSP90:n ja GRP78:n geeneissä ilmenevässä ekspressiossa astroglukleoosissa (Opanashuk ja Finkelstein 1995; Qian ym. 2000, 2001; Selvin-Testa ym. 1997), Sp1:n ja PKC:n osallistuminen HSP70-, HSP90- ja GRP78-geenien ilmentymiseen (Jacquier-Sarlin ym. 1995; Rebbe ym. 1989; Song ym. 2001; Ting ja Lee 1988) viittaa siihen, että lyijy voisi muokata näiden geenien ilmentymistä PKC:stä riippuvaisen Sp1:n DNA:n sitomista säätelemällä. PKC:n ja GFAP:n ilmentymisen välinen korrelaatio profiloitiin astrogliasolulinjoissa (Brodie ym. 1998; Masliah ym. 1991). On kuitenkin vielä tarkistettava, välittyykö lyijyn aiheuttama GFAP:n yliekspressio PKC:n kautta (Harry ym. 1996; Selvin-Testa ym. 1994; Stoltenburg-Didinger ym. 1996; Waterman ym. 1994). Lyijytyöntekijöillä tehdyt ihmistutkimukset tukivat lyijyn muokkaaman PKC-aktiivisuuden merkitystä lyijyn neurotoksisuudessa, koska sääriluun lyijy ja altistumisen kesto olivat merkittävästi yhteydessä erytrosyyttien PKC-aktivaatioon (Hwang ym. 2001). Yhteenvetona voidaan todeta, että PKC todennäköisesti välittää monia lyijyn aiheuttaman neurotoksisuuden näkökohtia hermostossa.

δ-aminolevuliinihapon dehydraasi (ALAD) on keskeinen entsyymi, joka katalysoi δ-aminolevuliinihapon (δ-ALA) muuntamista porfobilinogeeniksi hemin biosynteettisessä polussa. ALAD on tunnettu lyijyaltistuksen molekyylikohde, ja sen aktiivisuus estyy 50 prosentilla, kun veren lyijypitoisuus ylittää 20 μg dl-1. Lyijyn aiheuttama ALAD:n esto johtaa ALA:n lisääntymiseen verenkierrossa. Näin ollen veren ALAD-aktiivisuutta ja virtsan δ-ALA-pitoisuutta käytetään lyijymyrkytyksen diagnosoimiseen aikuisilla, joiden veren lyijypitoisuus on yli 35 μg dl-1, ja lapsilla, joiden lyijypitoisuus on 25-75 μg dl-1. Lisäksi lisääntynyt ALA:n pitoisuus verenkierrossa vähentää GABA:n vapautumista keskushermostossa, mikä aiheuttaa lyijyn neurotoksisuutta (Patrick 2006b). Vaikka lyijyaltistuksen aiheuttama ALAD:n estyminen on todettu erytrosyyteissä, ALAD ilmentyy kaikissa kudoksissa, myös aivokudoksissa, ja hemi on välttämätön ATP:n tuotantoon mitokondrioissa tarvittavien sytokromien biosynteesissä. Lisäksi ALAD:n CysCysHisCys-sinkkiä sitovalla CysCysHisCys-motiivilla on paljon suurempi affiniteetti lyijyä kohtaan, sillä sen molaarinen absorptioaktiivisuus on 16 000 mol-1 cm-1 , mikä on huomattavasti korkeampi kuin yleisimmällä sinkkisormimotiivilla CysCysHisHis, jonka molaarinen absorptioaktiivisuus muissa proteiineissa tai entsyymeissä on 700 mol-1 cm-1 (Godwin 2001). Siksi voidaan olettaa, että lyijy estää ALAD-aktiivisuutta aivokudoksissa, mikä johtaa neurotoksisuuteen keskushermostossa.