2.25.2.3.2(iv) Objetivos comunes en diferentes tipos de células cerebrales

La homeostasis del calcio y la señalización celular de la quinasa dependiente del calcio son los objetivos más comunes del plomo en todos los tipos de células cerebrales. Aunque los iones de calcio divalentes (Ca2+) y los iones de plomo divalentes (Pb2+) tienen propiedades químicas diferentes, en las que los iones de calcio favorecen la unión al oxígeno y los iones de plomo prefieren la unión al azufre, los efectos del plomo sobre la homeostasis del calcio y la señalización celular mediada por el calcio se han centrado preferentemente en la historia de la toxicidad del plomo (por ejemplo, la osteoporosis en la intoxicación por plomo y las vías de señalización de la proteína quinasa C (PKC)) (Goldstein 1993; Pounds et al. 1991). La identificación del plomo fuertemente unido a GRP78, una proteína pobre en cisteína (Qian et al. 2000), sugiere que el plomo también puede dirigirse a proteínas no ricas en sulfhidrilo. La GRP78 es una proteína de unión al calcio rica en ácido glutámico y ácido aspártico (17,2% de ácido glutámico y ácido aspártico en comparación con la media del 11,7%) (Klapper 1977) y reside en el RE y contribuye a la amortiguación del calcio en el RE, un importante orgánulo de almacenamiento de calcio (Macer y Koch 1988). La unión del plomo a la GRP78 proporciona pruebas sólidas para apoyar el papel principal de la homeostasis del calcio alterada por el plomo y la señalización celular dependiente del calcio en la neurotoxicidad del plomo.

La importancia del calcio en la señalización celular es bien conocida. El calcio desempeña un papel importante en la diferenciación neuronal, el crecimiento, la ramificación, la migración, la organización estructural, la formación de sinapsis y la plasticidad sináptica (Braun y Schulman 1995). La importancia de la señalización del calcio también está documentada en la comunicación entre astroglia, y entre astroglia y neuronas (Scemes y Giaume 2006). Las proteínas y enzimas dependientes del calcio, directa o indirectamente, están implicadas en muchas vías de señalización celular y la homeostasis del calcio también está implicada en la apoptosis del sistema nervioso (Alberdi et al. 2005; Polster y Fiskum 2004). La señalización celular dependiente del calcio está regulada por alteraciones en la concentración intracelular de iones de calcio libres a través de canales de calcio (por ejemplo, canales de calcio activados por voltaje (VGCC)) o bombas (por ejemplo, la bomba Ca2+-ATPasa) en la membrana plasmática o almacenes intracelulares (por ejemplo, RE y mitocondrias). A la inversa, los ciclos de fosforilación/desfosforilación de los canales de calcio (por ejemplo, los canales de los receptores VGCC y NMDA) regulados por quinasas/fosfatasas dependientes del calcio también regulan las concentraciones de calcio intracelular (Lieberman y Mody 1994; Raman et al. 1996). Así pues, los neurotóxicos, incluido el plomo, pueden afectar a la homeostasis del calcio de muchas maneras, lo que dará lugar a alteraciones en la señalización celular. Este tema ha sido revisado en detalle (Audesirk y Tjalkens 2004), por lo que esta sección se centrará en las dianas comunes de las proteínas o enzimas dependientes del calcio y en otras dianas comunes potenciales.

La PKC es una proteína quinasa mediada por el calcio que participa en la señalización celular en todos los tipos de células cerebrales (Braun y Schulman 1995). El plomo estimula la PKC dependiente de calcio y fosfolípidos activada por el diacilglicerol, parcialmente purificada del cerebro de rata, y se encontró que las concentraciones picomolares de plomo son equivalentes a las concentraciones micromolares de calcio en la activación de la PKC (Long et al. 1994; Markovac y Goldstein 1988). Por tanto, esta enzima reguladora puede percibir los niveles de plomo que se esperan de las exposiciones ambientales actuales de bajo nivel. Aunque la mayor parte del plomo que se encuentra en el cerebro se deposita en la astroglía, es posible que llegue suficiente plomo a las neuronas y a otros tipos de células cerebrales para modular la actividad de la PKC. Los estudios realizados con células PC12 indicaron que niveles de plomo tan bajos como 10 nmol l-1 aumentaban la actividad de la PKC, mientras que niveles iguales o superiores a 10 μmol l-1 la disminuían. La presencia de glutamato a 500 μmol l-1 exacerbó la muerte celular inducida por el plomo y esto pudo bloquearse parcialmente con 100 nmol l-1 de estaurosporina, un inhibidor de la PKC, o con 1 μmol l-1 de MK-801, un antagonista del NMDA (Jadhav et al. 2000). También se observaron resultados similares en otros estudios que mostraron que el plomo a 0,53 μmol l-1 aumentaba la actividad de la PKC en un 200% después de 2 h y luego la actividad volvía a los niveles de control a las 48 h (Tian et al. 2000). La importancia de la actividad de la PKC activada por el plomo se ha relacionado con la diferenciación neuronal. Los estudios realizados con neuronas de hipocampo de rata cultivadas informaron de que la inhibición de la PKC con calfostina C exacerbaba la inhibición de la iniciación de las neuritas causada por 100 nmol l-1 de cloruro de plomo (Kern y Audesirk 1995), lo que sugiere una implicación de la PKC en la neurotoxicidad del plomo. En contraste con este estudio, el plomo a 25-100 nmol l-1 estimuló el crecimiento de las neuritas inducido por el NGF en las células PC12, y se descubrió que la activación de la proteína quinasa regulada por señales extracelulares (ERK) estaba implicada en la estimulación del plomo (Crumpton et al. 2001; Williams et al. 2000a). Así pues, estos resultados opuestos reflejan las complejidades que plantea la presencia de múltiples vías de iniciación de las neuritas y múltiples objetivos de la intoxicación por plomo en el sistema nervioso. La tirosina hidroxilasa (TH) es un marcador de desarrollo de la diferenciación neuronal y su actividad está regulada por la PKC. El inhibidor de la PKC Ro32-0342 suprimió la actividad de la TH inducida por el plomo en las células PC12 (Tian et al. 2000). La ODC es una enzima reguladora clave de la vía de las poliaminas que participa en numerosos procesos metabólicos en el sistema nervioso en desarrollo y maduro. En el neocórtex y el cerebelo de las crías de rata expuestas al plomo a través del agua de bebida de la madre (0,2% de acetato de plomo) desde el nacimiento hasta el destete, la exposición al plomo atenuó tanto las actividades de la ODC como las de la PKC entre el tercer y el trigésimo día del parto. Los estudios en células PC12 sugirieron que la atenuación de la ODC por el plomo se debía a la actividad de la PKC atenuada por el plomo, ya que la actividad de la ODC inducida por el NGF fue atenuada por el inhibidor de la PKC, la estaurosporina (Hilliard et al. 1999). La actividad de la PKC también estaba implicada en la actividad de unión al ADN del factor transcripcional Sp1 inducida por el plomo, ya que el inhibidor de la PKC, la estaurosporina, disminuyó la unión al ADN de Sp1 inducida por el plomo en las células PC12, lo que fue apoyado por el hallazgo de que la actividad de unión al ADN de Sp1 fue modulada en paralelo con la actividad de la PKC en el hipocampo de ratas expuestas al plomo (Atkins et al. 2003). También se cree que Sp1 participa en la expresión génica del receptor NMDA (Bai y Kusiak 1995). La unión al ADN de Sp1 dependiente de la PKC debería desempeñar un papel importante en la expresión del receptor NMDA modulada por el plomo, aunque se han comunicado resultados controvertidos de diferentes grupos de investigación (Cory-Slechta et al. 1997a,b; Guilarte et al. 1993; Lasley et al. 2001; Ma et al. 1997).

Los estudios han revelado que la activación de la PKC estaba implicada en el retraso de la oligodendrogliogénesis inducido por el plomo. La disminución de la proliferación y la diferenciación inducida por el plomo en los OP de rata cultivados fue abolida por la inhibición de la PKC con bisindolilmaleimida I, mientras que el efecto del agente activador de la PKC, el forbol-12,13-didecanoato, fue potenciado por el plomo. El plomo también provocó la translocación de la PKC del citoplasma al compartimento de la membrana sin un aumento de la actividad total de la PKC celular (Deng y Poretz 2002). Sp1 puede regular la expresión génica de MBP y PLP, dos importantes constituyentes estructurales de la mielina del sistema nervioso central (Henson et al. 1992; Tretiakova et al. 1999). Por lo tanto, la actividad de unión al ADN de Sp1 dependiente de PKC se presume razonablemente en las alteraciones inducidas por el plomo de los perfiles de desarrollo de PLP y MBP (Zawia y Harry 1995).

Aunque no hay pruebas directas que demuestren que la actividad de unión al ADN de Sp1 dependiente de PKC esté implicada en la expresión de los genes HSP70, HSP90 y GRP78 regulada por el plomo en la astroglía (Opanashuk y Finkelstein 1995; Qian et al. 2000, 2001; Selvin-Testa et al. 1997), la participación de Sp1 y PKC en la expresión de los genes HSP70, HSP90 y GRP78 (Jacquier-Sarlin et al. 1995; Rebbe et al. 1989; Song et al. 2001; Ting y Lee 1988) implica que el plomo podría modular la expresión de estos genes a través de la regulación de la unión al ADN de Sp1 dependiente de PKC. Se ha perfilado una correlación entre la PKC y la expresión de GFAP en líneas celulares astrogliales (Brodie et al. 1998; Masliah et al. 1991). Sin embargo, queda por comprobar si la sobreexpresión de GFAP inducida por el plomo estaba mediada por la PKC (Harry et al. 1996; Selvin-Testa et al. 1994; Stoltenburg-Didinger et al. 1996; Waterman et al. 1994). Los estudios realizados en humanos con trabajadores del plomo apoyaron la importancia de la actividad de la PKC modificada por el plomo en la neurotoxicidad del plomo, ya que el plomo de la tibia y la duración de la exposición se asociaron significativamente con la activación de la PKC en los eritrocitos (Hwang et al. 2001). En resumen, la PKC probablemente medie en muchos aspectos de la neurotoxicidad inducida por el plomo en el sistema nervioso.

La deshidratasa del ácido δ-aminolevulínico (ALAD) es una enzima clave que cataliza la conversión del ácido δ-aminolevulínico (δ-ALA) en porfobilinógeno en la vía biosintética del hemo. La ALAD es un objetivo molecular bien conocido de la exposición al plomo y su actividad se inhibe en un 50% cuando los niveles de plomo en sangre superan los 20 μg dl-1. La inhibición de la ALAD inducida por el plomo da lugar a un aumento del nivel circulante de ALA. Así, la actividad de ALAD en sangre y el nivel de δ-ALA en orina se utilizan para diagnosticar la intoxicación por plomo en adultos con niveles de plomo en sangre superiores a 35 μg dl-1 y en niños con 25-75 μg dl-1. Además, el aumento del nivel circulante de ALA disminuye la liberación de GABA en el sistema nervioso central, causando neurotoxicidad por plomo (Patrick 2006b). Aunque la inhibición de ALAD por la exposición al plomo se identifica en los eritrocitos, ALAD se expresa en todos los tejidos, incluidos los cerebrales, y el hemo es esencial para la biosíntesis de los citocromos necesarios para la producción de ATP en la mitocondria. Además, el motivo de unión de zinc CysCysHisCys en ALAD tiene una afinidad mucho mayor por el plomo, con una actividad de absorción molar de 16 000 mol-1 cm-1, considerablemente mayor que el motivo de dedo de zinc más común, CysCysHisHis, con una actividad de absorción molar de 700 mol-1 cm-1 en otras proteínas o enzimas (Godwin 2001). Por lo tanto, cabe esperar que el plomo inhiba la actividad de la ALAD en los tejidos cerebrales, lo que provocaría neurotoxicidad en el sistema nervioso central.