2.25.2.3.2(iv) Common targets in different brain cell types

Calcium homeostasis and calcium-dependent kinase cell signaling is most common lead targets in all brain cell types. 2価のカルシウムイオン（Ca2+）と2価の鉛イオン（Pb2+）は、カルシウムイオンが酸素結合を好み、鉛イオンが硫黄結合を好むという異なる化学特性を持つが、鉛のカルシウムホメオスタシスとカルシウムを介した細胞シグナリングへの影響は、鉛毒性の歴史において優先的に注目されてきた（例えば、鉛中毒における骨粗しょう症とタンパク質キナーゼC（PKC）シグナリング経路）（Goldstein 1993; Poundsら1991）。 システインに乏しいタンパク質であるGRP78に強く結合する鉛の同定（Qian et al.2000）は、鉛が非硫酸水素に富むタンパク質も標的とし得ることを示唆している。 GRP78はグルタミン酸とアスパラギン酸に富むカルシウム結合タンパク質であり（平均11.7%に対し17.2%のグルタミン酸とアスパラギン酸）（Klapper 1977）、ERに存在してカルシウム貯蔵の主要オルガネラのカルシウム緩衝に貢献している（Macer and Koch 1988）。 GRP78への鉛の結合はさらに、鉛の神経毒性において、鉛によって破壊されたカルシウムのホメオスタシスおよびカルシウム依存性の細胞シグナル伝達が主要な役割を果たすことを支持する強い証拠を提供している。

細胞シグナル伝達におけるカルシウムの重要性はよく知られている。 カルシウムは、神経細胞の分化、成長、分岐、移動、構造構成、シナプス形成、およびシナプス可塑性において重要な役割を担っている（Braun and Schulman 1995）。 カルシウムシグナルの重要性は、アストログリア間、およびアストログリアとニューロン間のコミュニケーションにおいても文書化されている（Scemes and Giaume 2006）。 直接的または間接的なカルシウム依存性タンパク質および酵素は、多くの細胞シグナル伝達経路に関与しており、カルシウムの恒常性は神経系のアポトーシスにも関与している（Alberdi et al.2005; Polster and Fiskum 2004）。 カルシウム依存性の細胞シグナル伝達は、細胞膜上のカルシウムチャネル（例：電位依存性カルシウムチャネル（VGCC））またはポンプ（例：Ca2+-ATPaseポンプ）、あるいは細胞内貯蔵庫（例：ERおよびミトコンドリア）を介して、自由カルシウムイオン細胞内濃度が変化することにより制御される。 逆に、カルシウム依存性キナーゼ/ホスファターゼによって制御されるカルシウムチャネル（例えば、VGCCやNMDA受容体チャネル）のリン酸化/脱リン酸化サイクルも細胞内カルシウム濃度を制御する（Lieberman and Mody 1994; Raman et al.1996）。 このように、鉛を含む神経毒性物質は、カルシウムのホメオスタシスに様々な影響を与え、その結果、細胞シグナル伝達が変化する可能性がある。 このテーマは詳細に検討されている（Audesirk and Tjalkens 2004）ため、このセクションでは、カルシウム依存性タンパク質または酵素の共通標的およびその他の潜在的共通標的に焦点を当てる。

PKC は、すべての脳細胞タイプの細胞シグナル伝達に関与するカルシウム媒介タンパク質キナーゼである (Braun and Schulman 1995)． 鉛は、ラット脳から部分的に精製されたジアシルグリセロール活性化カルシウムおよびリン脂質依存性PKCを刺激し、ピコモル濃度の鉛はPKC活性化においてマイクロモル濃度のカルシウムと同等であることがわかった（Longら 1994; Markovac and Goldstein 1988）。 つまり、この調節酵素は、現在の低レベルの環境暴露から予想される鉛レベルを感知することができるのである。 脳内で発見された鉛のほとんどはアストログリアに沈着するが、PKC活性を調節するのに十分な量の鉛がニューロンや他の脳細胞に到達する可能性はある。 PC12細胞の研究では、鉛のレベルが10 nmol l-1と低いとPKC活性が上昇し、10 μmol l-1以上ではPKC活性が低下することが示された。 500 μmol l-1のグルタミン酸の存在は、鉛による細胞死を悪化させ、これは、100 nmol l-1のPKC阻害剤であるスタウロスポリン、または1 μmol l-1のNMDA阻害剤であるMK-801によって部分的にブロックすることができた（Jadhav et al.2000). 同様の結果は、0.53μmol l-1の鉛が2時間後にPKC活性を200％増加させ、その後48時間までに活性がコントロールレベルに戻ったという他の研究でも見られた（Tian et al.2000）。 鉛が活性化するPKC活性の意義は、神経細胞の分化に関係していると言われている。 ラット海馬培養神経細胞からの研究では、カルフォスチンCでPKCを阻害すると、100 nmol l-1の塩化鉛による神経突起開始の阻害が悪化することが報告されており（Kern and Audesirk 1995）、鉛神経毒性におけるPKCの関与が示唆されている。 本研究とは対照的に、25-100 nmol l-1の鉛はPC12細胞のNGFによる神経突起伸長を刺激し、鉛刺激には細胞外シグナル制御プロテインキナーゼ（ERK）の活性化が関与することがわかった（Crumpton et al.2001; Williams et al.2000a ）。 したがって、これらの正反対の結果は、神経系における複数の神経突起開始経路と複数の鉛中毒の標的の存在がもたらす複雑さを反映している。 チロシン水酸化酵素（TH）は、神経細胞分化の発生マーカーであり、その活性はPKCによって制御されている。 PKC阻害剤Ro32-0342は、PC12細胞における鉛誘発TH活性を抑制した（Tianら、2000）。 ODCはポリアミン経路の重要な制御酵素であり、発達中および成熟神経系における多くの代謝過程に関与している。 出生から離乳まで母親の飲料水（0.2％酢酸鉛）を介して鉛に暴露されたラットの仔ラットの新皮質および小脳において、鉛暴露はPND 3からPND 30においてODCおよびPKC活性を共に減弱させた。 PC12細胞を用いた研究では、NGFによるODC活性がPKC阻害剤であるスタウロスポリンによって減弱したことから、鉛によるODCの減弱は鉛によって減弱したPKC活性によるものと考えられた（Hilliard et al.1999）。 PKC阻害剤であるスタウロスポリンがPC12細胞における鉛誘導性のSp1 DNA結合を減少させたことから、PKC活性も鉛誘導性の転写因子Sp1 DNA結合活性に関与しており、このことは、鉛曝露ラットの海馬におけるPKC活性と並行してSp1 DNA結合活性が調節されているという発見によって支持されている（Atkins et al.2003年）。 また、Sp1はNMDA受容体遺伝子の発現にも関与していると考えられている（Bai and Kusiak 1995）。 PKC依存的なSp1のDNA結合は、異なる研究グループから報告された論争的な結果にもかかわらず、鉛によるNMDA受容体の発現調節に重要な役割を果たすと考えられる (Cory-Slechta et al. 1997a,b; Guilarte et al. 1993; Lasley et al. 2001; Ma et al. 1997)

研究によって、PKC活性化が鉛によるオリゴデンドログル発生の遅延に関与していたことが明らかにされた。 鉛による培養ラットOPの増殖・分化の低下は、ビシンドリルマレイミドIによるPKC阻害で消失し、PKC活性化剤であるホルボール12,13-ジデカン酸の効果は鉛で増強された。 鉛はまた、細胞内のPKC活性を上昇させることなく、PKCを細胞質から膜コンパートメントに移動させた (Deng and Poretz 2002)。 Sp1は、中枢神経系ミエリンの主要な構造成分であるMBPとPLPの遺伝子発現を制御することができる（Hensonら1992；Tretiakovaら1999）。 したがって、PKC依存性のSp1 DNA結合活性は、鉛によって誘発されるPLPとMBPの発生プロファイルの変化に関係していると合理的に推定される（Zawia and Harry 1995）。

PKC依存性のSp1 DNA結合活性が鉛によって制御されるHSP70、HSP90、GRP78遺伝子発現に関係しているという直接的証拠はないが（Opanashuk and Finkelstein 1995; Qian et al. 2000, 2001; Selvin-Testa et al. 1997）、HSP70, HSP90, GRP78遺伝子発現におけるSp1とPKCの関与（Jacquier-Sarlin et al. 1995; Rebbe et al. 1989; Song et al. 2001; Ting and Lee 1988）は、PKCによるSp1DNA結合制御を介して鉛がこれらの遺伝子発現を調節し得ることを示唆している。 PKCとGFAP発現の相関は、アストログリア細胞株でプロファイルされた（Brodieら、1998；Masliahら、1991）。 しかし、鉛によるGFAPの過剰発現がPKCを介して行われたかどうかは、まだ検証されていない (Harry et al. 1996; Selvin-Testa et al. 1994; Stoltenburg-Didinger et al. 1996; Waterman et al. 1994)。 鉛労働者のヒトの研究では、脛骨の鉛と曝露期間が赤血球の PKC 活性化と有意に関連していたことから、鉛の神経毒性における鉛による PKC 活性の重要性が支持された (Hwang et al. 2001)。 要約すると、PKC はおそらく神経系における鉛誘発神経毒性の多くの側面を媒介する。

δ-アミノレブリン酸デヒドラターゼ（ALAD）は、ヘム生合成経路において、δ-アミノレブリン酸（δ-ALA）からポルフォビリノーゲンへの変換を触媒する重要な酵素である。 ALADは鉛曝露の分子標的としてよく知られており、その活性は血中鉛濃度が20μg dl-1を超えると50％阻害される。 鉛による ALAD の阻害は、ALA の循環レベルの上昇をもたらす。 したがって、血中 ALAD 活性および尿中 δ-ALA 濃度は、血中鉛濃度が 35μg dl-1 を超える成人および 25-75μg dl-1 の小児の鉛中毒の診断に使用される。 さらに、ALA の循環レベルの上昇は、中枢神経系における GABA の放出を減少させ、鉛の神経毒性を引き起 こす(Patrick 2006b)。 鉛曝露による ALAD の阻害は赤血球で確認されているが、ALAD は脳組織を含むすべての組織で発現しており、ヘムはミトコンドリアでの ATP 産生に必要なチトクロムの生合成に必須である。 さらに、ALADのCysCysHisCys亜鉛結合モチーフは鉛に対して非常に高い親和性を持ち、モル吸光活性は16 000 mol-1 cm-1と、他のタンパク質や酵素で最も一般的な亜鉛フィンガーモチーフであるCysCysHisHisが700 mol-1 cm-1 モル吸光活性よりもかなり高い (Godwin 2001)。 したがって、鉛は脳組織のALAD活性を阻害し、中枢神経系の神経毒性につながることが予想される

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