2.25.2.3.2(iv) Cibles communes dans différents types de cellules cérébrales
L’homéostasie du calcium et la signalisation cellulaire par les kinases dépendantes du calcium sont les cibles les plus communes du plomb dans tous les types de cellules cérébrales. Bien que les ions calcium divalents (Ca2+) et les ions plomb divalents (Pb2+) aient des propriétés chimiques différentes, où les ions calcium favorisent la liaison oxygène et les ions plomb préfèrent la liaison soufre, les effets du plomb sur l’homéostasie du calcium et la signalisation cellulaire médiée par le calcium ont été préférentiellement concentrés dans l’histoire de la toxicité du plomb (par exemple, l’ostéoporose dans le saturnisme et les voies de signalisation de la protéine kinase C (PKC)) (Goldstein 1993 ; Pounds et al. 1991). L’identification du plomb fortement lié au GRP78, une protéine pauvre en cystéine (Qian et al. 2000), suggère que le plomb peut également cibler des protéines non riches en sulfhydryle. La GRP78 est une protéine de liaison au calcium riche en acide glutamique et en acide aspartique (17,2 % d’acide glutamique et d’acide aspartique par rapport à la moyenne de 11,7 %) (Klapper 1977). Elle réside dans le RE et contribue au tamponnement du calcium dans le RE, un organite majeur pour le stockage du calcium (Macer et Koch 1988). La liaison du plomb au GRP78 fournit en outre des preuves solides pour soutenir le rôle majeur de l’homéostasie du calcium perturbée par le plomb et de la signalisation cellulaire dépendante du calcium dans la neurotoxicité du plomb.
L’importance du calcium dans la signalisation cellulaire est bien connue. Le calcium joue des rôles importants dans la différenciation, la croissance, la ramification, la migration, l’organisation structurelle, la formation des synapses et la plasticité synaptique des neurones (Braun et Schulman 1995). L’importance de la signalisation calcique est également documentée dans la communication entre les astroglies, et entre les astroglies et les neurones (Scemes et Giaume 2006). Des protéines et des enzymes dépendant directement ou indirectement du calcium sont impliquées dans de nombreuses voies de signalisation cellulaire et l’homéostasie du calcium est également impliquée dans l’apoptose du système nerveux (Alberdi et al. 2005 ; Polster et Fiskum 2004). La signalisation cellulaire dépendante du calcium est régulée par des modifications de la concentration intracellulaire d’ions calcium libres par le biais de canaux calciques (par exemple, les canaux calciques à régulation de tension (VGCC)) ou de pompes (par exemple, la pompe Ca2+-ATPase) sur la membrane plasmique ou les réserves intracellulaires (par exemple, le RE et les mitochondries). Inversement, les cycles de phosphorylation/déphosphorylation des canaux calciques (par exemple, les canaux des récepteurs VGCC et NMDA) régulés par des kinases/phosphatases dépendantes du calcium régulent également les concentrations de calcium intracellulaire (Lieberman et Mody 1994 ; Raman et al. 1996). Ainsi, les neurotoxiques, y compris le plomb, peuvent affecter l’homéostasie du calcium de plusieurs façons, ce qui entraînera des altérations de la signalisation cellulaire. Ce sujet a été examiné en détail (Audesirk et Tjalkens 2004), c’est pourquoi cette section sera axée sur les cibles communes des protéines ou enzymes dépendantes du calcium et sur d’autres cibles communes potentielles.
La PKC est une protéine kinase médiée par le calcium et impliquée dans la signalisation cellulaire dans tous les types de cellules cérébrales (Braun et Schulman 1995). Le plomb stimule la PKC dépendante du calcium et des phospholipides activée par le diacylglycérol, partiellement purifiée à partir du cerveau de rat, et on a constaté que des concentrations picomolaires de plomb étaient équivalentes à des concentrations micromolaires de calcium dans l’activation de la PKC (Long et al. 1994 ; Markovac et Goldstein 1988). Cette enzyme de régulation peut donc détecter les niveaux de plomb attendus des expositions environnementales actuelles de faible niveau. Bien que la majeure partie du plomb trouvé dans le cerveau se dépose dans les astroglies, il est possible qu’une quantité suffisante de plomb parvienne aux neurones et à d’autres types de cellules cérébrales pour moduler l’activité de la PKC. Des études menées sur des cellules PC12 ont indiqué que des niveaux de plomb aussi faibles que 10 nmol l-1 augmentaient l’activité de la PKC, tandis que des niveaux égaux ou supérieurs à 10 μmol l-1 diminuaient l’activité de la PKC. La présence de glutamate à 500 μmol l-1 a exacerbé la mort cellulaire induite par le plomb et cela a pu être partiellement bloqué par 100 nmol l-1 de staurosporine, un inhibiteur de la PKC, ou 1 μmol l-1 de MK-801, un antagoniste du NMDA (Jadhav et al. 2000). Des résultats similaires ont également été observés dans d’autres études montrant que le plomb à 0,53 μmol l-1 augmentait l’activité de la PKC de 200 % après 2 h, puis que l’activité revenait aux niveaux de contrôle après 48 h (Tian et al. 2000). L’importance de l’activité PKC activée par le plomb a été liée à la différenciation neuronale. Des études sur des cultures de neurones hippocampiques de rat ont montré que l’inhibition de la PKC par la calphostine C exacerbait l’inhibition de l’initiation des neurites causée par 100 nmol l-1 de chlorure de plomb (Kern et Audesirk 1995), ce qui suggère une implication de la PKC dans la neurotoxicité du plomb. Contrairement à cette étude, le plomb à 25-100 nmol l-1 a stimulé la croissance des neurites induite par le NGF dans les cellules PC12, et l’activation de la protéine kinase régulée par le signal extracellulaire (ERK) s’est avérée être impliquée dans la stimulation du plomb (Crumpton et al. 2001 ; Williams et al. 2000a). Ainsi, ces résultats opposés reflètent les complexités posées par la présence de multiples voies d’initiation des neurites et de multiples cibles du saturnisme dans le système nerveux. La tyrosine hydroxylase (TH) est un marqueur de développement de la différenciation neuronale et son activité est régulée par la PKC. L’inhibiteur de PKC Ro32-0342 a supprimé l’activité TH induite par le plomb dans les cellules PC12 (Tian et al. 2000). L’ODC est une enzyme régulatrice clé de la voie des polyamines impliquée dans de nombreux processus métaboliques dans le système nerveux en développement et mature. Dans le néocortex et le cervelet de ratons exposés au plomb par l’eau de boisson de la mère (acétate de plomb à 0,2 %) de la naissance au sevrage, l’exposition au plomb a atténué les activités de l’ODC et de la PKC du troisième au trentième jour de gestation. Des études sur des cellules PC12 ont suggéré que l’atténuation de l’ODC par le plomb était due à une activité PKC atténuée par le plomb, car l’activité ODC induite par le NGF était atténuée par la staurosporine, un inhibiteur de la PKC (Hilliard et al. 1999). L’activité de la PKC a également été impliquée dans l’activité de liaison à l’ADN du facteur de transcription Sp1 induite par le plomb, car la staurosporine, un inhibiteur de la PKC, a diminué la liaison à l’ADN de Sp1 induite par le plomb dans les cellules PC12, ce qui a été confirmé par la découverte que l’activité de liaison à l’ADN de Sp1 était modulée parallèlement à l’activité de la PKC dans l’hippocampe de rats exposés au plomb (Atkins et al. 2003). On pense également que Sp1 est impliqué dans l’expression des gènes des récepteurs NMDA (Bai et Kusiak 1995). La liaison à l’ADN de Sp1 dépendant de la PKC devrait jouer un rôle important dans l’expression des récepteurs NMDA modulée par le plomb, même si des résultats controversés ont été rapportés par différents groupes de recherche (Cory-Slechta et al. 1997a,b ; Guilarte et al. 1993 ; Lasley et al. 2001 ; Ma et al. 1997).
Des études ont révélé que l’activation de la PKC était impliquée dans le retard de l’oligodendrogliogenèse induit par le plomb. La diminution de la prolifération et de la différenciation induite par le plomb dans des OP de rat en culture a été abolie par l’inhibition de la PKC avec le bisindolylmaleimide I, tandis que l’effet de l’agent activateur de la PKC, le phorbol-12,13-didecanoate, était potentialisé par le plomb. Le plomb a également provoqué la translocation de la PKC du cytoplasme au compartiment membranaire sans augmentation de l’activité cellulaire totale de la PKC (Deng et Poretz 2002). Sp1 peut réguler l’expression génétique du MBP et du PLP, deux constituants structurels majeurs de la myéline du système nerveux central (Henson et al. 1992 ; Tretiakova et al. 1999). Ainsi, l’activité de liaison à l’ADN de Sp1 dépendant de la PKC est raisonnablement présumée dans les altérations induites par le plomb des profils de développement de la PLP et de la MBP (Zawia et Harry 1995).
Bien qu’aucune preuve directe n’ait démontré que l’activité de liaison à l’ADN de Sp1 dépendant de la PKC était impliquée dans l’expression des gènes HSP70, HSP90 et GRP78 régulée par le plomb dans les astroglies (Opanashuk et Finkelstein 1995 ; Qian et al. 2000, 2001 ; Selvin-Testa et al. 1997), l’implication de Sp1 et de PKC dans l’expression des gènes HSP70, HSP90 et GRP78 (Jacquier-Sarlin et al. 1995 ; Rebbe et al. 1989 ; Song et al. 2001 ; Ting et Lee 1988) implique que le plomb pourrait moduler l’expression de ces gènes par la régulation de la liaison Sp1 à l’ADN dépendant de PKC. Une corrélation entre la PKC et l’expression de la GFAP a été profilée dans des lignées de cellules astrogliales (Brodie et al. 1998 ; Masliah et al. 1991). Cependant, il reste à vérifier si la surexpression de la GFAP induite par le plomb est médiée par la PKC (Harry et al. 1996 ; Selvin-Testa et al. 1994 ; Stoltenburg-Didinger et al. 1996 ; Waterman et al. 1994). Des études humaines sur des travailleurs au plomb ont confirmé l’importance de l’activité PKC modulée par le plomb dans la neurotoxicité du plomb, car le plomb du tibia et la durée d’exposition étaient significativement associés à l’activation de la PKC des érythrocytes (Hwang et al. 2001). En résumé, la PKC médiatise probablement de nombreux aspects de la neurotoxicité induite par le plomb dans le système nerveux.
L’acide δ-aminolévulinique déshydratase (ALAD) est une enzyme clé qui catalyse la conversion de l’acide δ-aminolévulinique (δ-ALA) en porphobilinogène dans la voie de biosynthèse de l’hème. L’ALAD est une cible moléculaire bien connue de l’exposition au plomb et son activité est inhibée de 50 % lorsque la plombémie dépasse 20 μg dl-1. L’inhibition de l’ALAD induite par le plomb entraîne une augmentation du taux circulant d’ALA. Ainsi, l’activité ALAD sanguine et le taux de δ-ALA urinaire permettent de diagnostiquer le saturnisme chez les adultes dont la plombémie dépasse 35 μg dl-1 et chez les enfants dont la plombémie est comprise entre 25 et 75 μg dl-1. De plus, l’augmentation du taux circulant d’ALA diminue la libération de GABA dans le système nerveux central, provoquant une neurotoxicité du plomb (Patrick 2006b). Bien que l’inhibition de l’ALAD par l’exposition au plomb soit identifiée dans les érythrocytes, l’ALAD est exprimée dans tous les tissus, y compris les tissus cérébraux, et l’hème est essentiel pour la biosynthèse des cytochromes nécessaires à la production d’ATP dans les mitochondries. De plus, le motif de liaison au zinc CysCysHisCys dans l’ALAD a une affinité beaucoup plus élevée pour le plomb avec une activité d’absorption molaire de 16 000 mol-1 cm-1, considérablement plus élevée que le motif de doigt de zinc le plus commun, CysCysHisHis, avec une activité d’absorption molaire de 700 mol-1 cm-1 dans d’autres protéines ou enzymes (Godwin 2001). Par conséquent, on peut s’attendre à ce que le plomb inhibe l’activité de l’ALAD dans les tissus cérébraux, entraînant une neurotoxicité dans le système nerveux central.