2.25.2.3.2.2(iv) Közös célpontok a különböző agysejttípusokban

A kalcium homeosztázis és a kalciumfüggő kináz sejtjelátvitel a leggyakoribb vezető célpontok minden agysejttípusban. Bár a kétértékű kalciumionok (Ca2+) és a kétértékű ólomionok (Pb2+) eltérő kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek, ahol a kalciumionok az oxigénkötést, az ólomionok pedig a kénkötést részesítik előnyben, az ólomnak a kalcium-homeosztázisra és a kalcium-mediált sejtjelátvitelre gyakorolt hatásaival elsősorban az ólomtoxicitás története foglalkozik (pl. csontritkulás ólommérgezésben és protein kináz C (PKC) jelátviteli útvonalak) (Goldstein 1993; Pounds et al. 1991). A ciszteinben szegény fehérjéhez, a GRP78-hoz erősen kötődő ólom azonosítása (Qian és mtsai. 2000) arra utal, hogy az ólom nem szulfhidrilben gazdag fehérjéket is célba vehet. A GRP78 egy glutaminsavban és aszparaginsavban gazdag kalciumkötő fehérje (17,2% glutaminsav és aszparaginsav az átlagos 11,7%-kal szemben) (Klapper 1977), az ER-ben található, és hozzájárul a kalcium puffereléséhez az ER-ben, amely a kalcium tárolásának egyik fő organelluma (Macer és Koch 1988). Az ólom GRP78-hoz való kötődése további erős bizonyítékkal támasztja alá az ólom által megzavart kalcium-homeosztázis és a kalciumfüggő sejtjelátvitel fő szerepét az ólom neurotoxicitásában.

A kalcium jelentősége a sejtjelátvitelben jól ismert. A kalcium jelentős szerepet játszik a neuronális differenciálódásban, a növekedésben, az elágazásban, a migrációban, a strukturális szerveződésben, a szinapszisok kialakulásában és a szinaptikus plaszticitásban (Braun és Schulman 1995). A kalcium jelátvitel jelentősége az asztroglia, valamint az asztroglia és a neuronok közötti kommunikációban is dokumentált (Scemes és Giaume 2006). Közvetlen vagy közvetett kalciumfüggő fehérjék és enzimek számos sejtszignál-útvonalban vesznek részt, és a kalcium-homeosztázis az idegrendszer apoptózisában is szerepet játszik (Alberdi és mtsai. 2005; Polster és Fiskum 2004). A kalciumfüggő sejtszignalizációt a szabad kalciumionok intracelluláris koncentrációjának változásai szabályozzák a plazmamembránon lévő kalciumcsatornákon (pl. feszültségkapcsolt kalciumcsatornák (VGCC-k)) vagy pumpákon (pl. Ca2+-ATPáz pumpa) vagy intracelluláris tárolókon (pl. ER és mitokondriumok) keresztül. Ezzel szemben a kalcium-függő kinázok/foszfatázok által szabályozott kalciumcsatornák (pl. VGCC és NMDA receptor csatornák) foszforilációs/defoszforilációs ciklusai az intracelluláris kalciumkoncentrációt is szabályozzák (Lieberman és Mody 1994; Raman és mtsai. 1996). Így a neurotoxikus anyagok, beleértve az ólmot is, sokféleképpen befolyásolhatják a kalcium homeosztázist, ami a sejtek jelátvitelének megváltozását eredményezi. Ezt a témát részletesen áttekintették (Audesirk és Tjalkens 2004), ezért ez a rész a kalciumfüggő fehérjék vagy enzimek közös célpontjaira és más lehetséges közös célpontokra összpontosít.

A PKC egy kalcium-mediált fehérjekináz, amely minden agysejttípusban részt vesz a sejtek jelátvitelében (Braun és Schulman 1995). Az ólom stimulálja a diacilglicerin-aktivált kalcium- és foszfolipid-függő PKC-t, amelyet részben patkányagyból tisztítottak, és az ólom pikomoláris koncentrációját a PKC aktiválásában egyenértékűnek találták a kalcium mikromoláris koncentrációjával (Long és mtsai. 1994; Markovac és Goldstein 1988). Ez a szabályozó enzim tehát képes érzékelni a jelenlegi alacsony szintű környezeti expozícióból várható ólomszinteket. Bár az agyban található ólom nagy része az asztrogliákban rakódik le, lehetséges, hogy elegendő ólom juthat a neuronokhoz és más agysejttípusokhoz a PKC aktivitásának modulálásához. A PC12 sejteken végzett vizsgálatok azt mutatták, hogy a 10 nmol l-1 ólomszintek növelték a PKC aktivitását, míg a 10 μmol l-1 vagy annál nagyobb ólomszintek csökkentették a PKC aktivitását. Az 500 μmol l-1 glutamát jelenléte súlyosbította az ólom által kiváltott sejthalált, és ez részben blokkolható volt 100 nmol l-1 staurosporinnal, egy PKC-gátlóval, vagy 1 μmol l-1 MK-801-gyel, egy NMDA-antagonistával (Jadhav és mtsai. 2000). Hasonló eredményeket figyeltek meg más vizsgálatokban is, amelyek szerint a 0,53 μmol l-1 ólom 2 óra elteltével 200%-kal növelte a PKC aktivitását, majd az aktivitás 48 órára visszaállt a kontroll szintre (Tian és mtsai. 2000). Az ólom által aktivált PKC-aktivitás jelentőségét a neuronális differenciálódással hozták összefüggésbe. Patkányok tenyésztett hippokampusz neuronjain végzett vizsgálatok arról számoltak be, hogy a PKC kalfostin C-vel történő gátlása súlyosbította a neuritok beindulásának 100 nmol l-1 ólom-klorid által okozott gátlását (Kern és Audesirk 1995), ami a PKC részvételére utal az ólom neurotoxicitásában. Ezzel a vizsgálattal ellentétben 25-100 nmol l-1 ólom serkentette az NGF által indukált neuritok kinövését PC12 sejtekben, és az extracelluláris jel-szabályozott protein kináz (ERK) aktiválódását találták az ólom stimulációban szerepet játszónak (Crumpton és mtsai. 2001; Williams és mtsai. 2000a). Ezek az ellentétes eredmények tehát azt a bonyolultságot tükrözik, amelyet az ólommérgezés több neuritkezdeményezési útvonalának és több célpontjának jelenléte jelent az idegrendszerben. A tirozin-hidroxiláz (TH) a neuronális differenciálódás fejlődési markere, és aktivitását a PKC szabályozza. A PKC gátló Ro32-0342 elnyomta az ólom által kiváltott TH aktivitást PC12 sejtekben (Tian és mtsai. 2000). Az ODC a poliamin útvonal kulcsfontosságú szabályozó enzime, amely a fejlődő és érett idegrendszer számos metabolikus folyamatában részt vesz. A születéstől az elválasztásig az anyaállat ivóvizén keresztül (0,2%-os ólom-acetát) ólomnak laktációsan kitett patkánykölykök neocortexében és kisagyában az ólomexpozíció mind az ODC, mind a PKC aktivitást csökkentette a PND 3-tól a PND 30-ig. PC12 sejteken végzett vizsgálatok azt sugallták, hogy az ODC ólom általi csillapítása az ólom által csillapított PKC-aktivitásnak köszönhető, mivel az NGF által kiváltott ODC-aktivitást a PKC-gátló staurosporin csillapította (Hilliard és mtsai. 1999). A PKC-aktivitás az ólom által kiváltott Sp1 DNS-kötő faktor transzkripciós aktivitásában is szerepet játszott, mivel a PKC-inhibitor staurosporin csökkentette az ólom által kiváltott Sp1 DNS-kötést PC12 sejtekben, amit alátámaszt az a megállapítás, hogy a Sp1 DNS-kötő aktivitás a PKC-aktivitással párhuzamosan modulálódott az ólomnak kitett patkányok hippokampuszában (Atkins és mtsai. 2003). Az Sp1-ről azt is feltételezik, hogy részt vesz az NMDA-receptor gének expressziójában (Bai és Kusiak 1995). A PKC-függő Sp1 DNS-kötésnek fontos szerepet kell játszania az ólom által modulált NMDA receptor expresszióban, bár különböző kutatócsoportok ellentmondásos eredményekről számoltak be (Cory-Slechta et al. 1997a,b; Guilarte et al. 1993; Lasley et al. 2001; Ma et al. 1997).

A vizsgálatok kimutatták, hogy a PKC aktiváció részt vett az oligodendrogliogenezis ólom-indukált késleltetésében. Az ólom által kiváltott proliferáció és differenciálódás csökkenését tenyésztett patkány OP-kban a PKC biszindolilmaleimid I-vel történő gátlása megszüntette, míg a PKC-aktiváló szer, a forbol-12,13-didecanoát hatását az ólom erősítette. Az ólom a PKC transzlokációját is okozta a citoplazmából a membránkompartmentbe anélkül, hogy a teljes sejtes PKC-aktivitás növekedett volna (Deng és Poretz 2002). Az Sp1 képes szabályozni a központi idegrendszeri mielin két fő szerkezeti alkotóelemének, az MBP-nek és a PLP-nek a génexpresszióját (Henson és mtsai. 1992; Tretiakova és mtsai. 1999). Így a PKC-függő Sp1 DNS-kötő aktivitás ésszerűen feltételezhető a PLP és MBP fejlődési profiljának ólom által kiváltott változásaiban (Zawia és Harry 1995).

Noha közvetlen bizonyíték nem bizonyította, hogy a PKC-függő Sp1 DNS-kötő aktivitás részt vesz az asztroglia ólom által szabályozott HSP70, HSP90 és GRP78 génexpressziójában (Opanashuk és Finkelstein 1995; Qian et al. 2000, 2001; Selvin-Testa és mtsai. 1997), az Sp1 és a PKC részvétele a HSP70, HSP90 és GRP78 gének expressziójában (Jacquier-Sarlin és mtsai. 1995; Rebbe és mtsai. 1989; Song és mtsai. 2001; Ting és Lee 1988) arra utal, hogy az ólom a PKC-függő Sp1 DNS-kötés szabályozásán keresztül módosíthatja ezen gének expresszióját. A PKC és a GFAP expressziója közötti korrelációt profilozták asztroglia sejtvonalakban (Brodie és mtsai. 1998; Masliah és mtsai. 1991). Azt azonban még nem sikerült igazolni, hogy az ólom által indukált GFAP-túlkifejeződés a PKC-n keresztül közvetített-e (Harry és mtsai. 1996; Selvin-Testa és mtsai. 1994; Stoltenburg-Didinger és mtsai. 1996; Waterman és mtsai. 1994). Az ólommunkásokon végzett humán vizsgálatok alátámasztották az ólom által modulált PKC-aktivitás jelentőségét az ólom neurotoxicitásában, mivel a sípcsonti ólom és az expozíció időtartama szignifikánsan összefüggött az eritrociták PKC-aktivációjával (Hwang és mtsai. 2001). Összefoglalva, a PKC valószínűleg az ólom által kiváltott idegrendszeri neurotoxicitás számos aspektusát közvetíti.

A δ-aminolevulinsav-dehidrátáz (ALAD) egy kulcsfontosságú enzim, amely katalizálja a δ-aminolevulinsav (δ-ALA) porfobilinogénné történő átalakítását a hem bioszintetikus útvonalban. Az ALAD az ólomexpozíció jól ismert molekuláris célpontja, és aktivitása 50%-kal gátolt, ha a vér ólomszintje meghaladja a 20 μg dl-1 értéket. Az ólom által kiváltott ALAD-gátlás az ALA keringő szintjének növekedését eredményezi. Ezért a vér ALAD-aktivitását és a vizelet δ-ALA-szintjét használják az ólommérgezés diagnosztizálására felnőtteknél 35 μg dl-1 feletti, gyermekeknél pedig 25-75 μg dl-1 feletti ólomszint esetén. Ezenkívül a megnövekedett keringő ALA-szint csökkenti a GABA felszabadulását a központi idegrendszerben, ami ólomneurotoxicitást okoz (Patrick 2006b). Bár az ALAD ólomexpozíció általi gátlását az eritrocitákban azonosították, az ALAD minden szövetben kifejeződik, beleértve az agyszöveteket is, és a heme nélkülözhetetlen a mitokondriumokban az ATP-termeléshez szükséges citokrómok bioszintéziséhez. Ezenkívül az ALAD-ban található CysCysHisCys cinkkötő motívumnak sokkal nagyobb az ólom iránti affinitása, a moláris abszorpciós aktivitása 16 000 mol-1 cm-1 , ami lényegesen magasabb, mint a más fehérjékben vagy enzimekben leggyakrabban előforduló cink-ujj motívum, a CysCysHisHisHis, amelynek moláris abszorpciós aktivitása 700 mol-1 cm-1 (Godwin 2001). Ezért várható, hogy az ólom gátolja az ALAD aktivitását az agyszövetekben, ami neurotoxicitáshoz vezet a központi idegrendszerben.