2.25.2.3.2(iv) Common targets in different brain cell types

Calcium homeostasis and calcium-dependent kinase cell signaling zijn de meest voorkomende lood targets in alle brain cell types. Hoewel tweewaardige calciumionen (Ca2+) en tweewaardige loodionen (Pb2+) verschillende chemische eigenschappen hebben, waarbij calciumionen de voorkeur geven aan zuurstofbinding en loodionen de voorkeur geven aan zwavelbinding, zijn de effecten van lood op de calciumhomeostase en de calciumgemedieerde celsignalering bij voorkeur toegespitst op de geschiedenis van de loodtoxiciteit (b.v. osteoporose bij loodvergiftiging en proteïne kinase C (PKC) signaleringsroutes) (Goldstein 1993; Pounds et al. 1991). De identificatie van lood dat sterk gebonden is aan GRP78, een cysteïne-arm eiwit (Qian et al. 2000), suggereert dat lood zich ook kan richten op niet-sulfhydryl-rijke eiwitten. GRP78 is een glutaminezuur- en asparaginezuur-rijk calciumbindend eiwit (17,2% glutaminezuur en asparaginezuur vergeleken met de gemiddelde 11,7%) (Klapper 1977) en het bevindt zich in het ER en draagt bij aan de calciumbuffering in het ER, een belangrijk organel voor calciumopslag (Macer en Koch 1988). Binding van lood aan GRP78 levert verder sterk bewijs voor de belangrijke rol van een door lood verstoorde calciumhomeostase en calciumafhankelijke celsignalering in de neurotoxiciteit van lood.

Het belang van calcium in celsignalering is welbekend. Calcium speelt een belangrijke rol bij neuronale differentiatie, groei, vertakking, migratie, structurele organisatie, synapsvorming, en synaptische plasticiteit (Braun en Schulman 1995). Het belang van calcium signalering is ook gedocumenteerd in de communicatie tussen astroglia, en tussen astroglia en neuronen (Scemes en Giaume 2006). Directe of indirecte calcium-afhankelijke eiwitten en enzymen zijn betrokken bij vele celsignaleringsroutes en calcium homeostase is ook betrokken bij apoptose van het zenuwstelsel (Alberdi et al. 2005; Polster en Fiskum 2004). Calcium-afhankelijke celsignalering wordt gereguleerd door veranderingen in de intracellulaire concentratie van vrije calciumionen via calciumkanalen (bv. voltage-gated calcium kanalen (VGCCs)) of pompen (bv. Ca2+-ATPase pomp) op de plasmamembraan of intracellulaire opslagplaatsen (bv. ER en mitochondriën). Omgekeerd regelen fosforylatie-/defosforylatiecycli van calciumkanalen (b.v. VGCC en NMDA receptorkanalen), gereguleerd door calciumafhankelijke kinasen/fosfatasen, ook de intracellulaire calciumconcentraties (Lieberman en Mody 1994; Raman et al. 1996). Neurotoxische stoffen, waaronder lood, kunnen dus op vele manieren de calciumhomeostase beïnvloeden, hetgeen zal resulteren in veranderingen in de celsignalering. Dit onderwerp is uitvoerig besproken (Audesirk en Tjalkens 2004), en daarom zal deze paragraaf worden toegespitst op gemeenschappelijke doelwitten van calciumafhankelijke eiwitten of enzymen en andere potentiële gemeenschappelijke doelwitten.

PKC is een calciumgemedieerd eiwitkinase dat betrokken is bij celsignalering in alle typen hersencellen (Braun en Schulman 1995). Lood stimuleert diacylglycerol-geactiveerde calcium- en fosfolipide-afhankelijke PKC, gedeeltelijk gezuiverd uit rattenhersenen, en picomolaire concentraties van lood bleken gelijkwaardig te zijn aan micromolaire concentraties van calcium bij PKC-activering (Long e.a. 1994; Markovac en Goldstein 1988). Dit regulerende enzym kan dus loodniveaus waarnemen die bij de huidige lage milieublootstellingen te verwachten zijn. Hoewel het meeste lood dat in de hersenen wordt aangetroffen in astroglia wordt afgezet, is het mogelijk dat voldoende lood bij neuronen en andere typen hersencellen terechtkomt om de PKC-activiteit te moduleren. Studies van PC12-cellen toonden aan dat loodniveaus van slechts 10 nmol l-1 de PKC-activiteit verhoogden, terwijl niveaus van 10 μmol l-1 of meer de PKC-activiteit verminderden. De aanwezigheid van glutamaat bij 500 μmol l-1 verergerde de door lood geïnduceerde celdood en deze kon gedeeltelijk worden geblokkeerd door 100 nmol l-1 staurosporine, een PKC-remmer, of 1 μmol l-1 MK-801, een NMDA-antagonist (Jadhav et al. 2000). Vergelijkbare resultaten werden ook waargenomen in andere studies, waaruit bleek dat lood bij 0,53 μmol l-1 de PKC-activiteit na 2 uur met 200% deed toenemen, waarna de activiteit na 48 uur weer terugkeerde naar het controleniveau (Tian et al. 2000). Het belang van door lood geactiveerde PKC-activiteit is in verband gebracht met neuronale differentiatie. Studies van gekweekte rattenhippocampale neuronen meldden dat remming van PKC met calphostine C de remming van neurietinitiatie veroorzaakt door 100 nmol l-1 loodchloride verergerde (Kern en Audesirk 1995), wat wijst op een betrokkenheid van PKC bij de neurotoxiciteit van lood. In tegenstelling tot deze studie stimuleerde lood met 25-100 nmol l-1 de NGF-geïnduceerde neurietuitgroei in PC12-cellen, en de activering van extracellulair signaal-gereguleerd proteïnekinase (ERK) bleek betrokken te zijn bij de stimulering door lood (Crumpton e.a., 2001; Williams e.a., 2000a). Deze tegengestelde resultaten weerspiegelen dus de complexiteit van de aanwezigheid van meerdere neurietinitiatiewegen en meerdere doelwitten van loodvergiftiging in het zenuwstelsel. Tyrosine hydroxylase (TH) is een ontwikkelingsmarker van neuronale differentiatie en zijn activiteit wordt gereguleerd door PKC. De PKC-remmer Ro32-0342 onderdrukt de door lood geïnduceerde TH-activiteit in PC12-cellen (Tian et al. 2000). ODC is een belangrijk regulerend enzym van het polyaminepad dat betrokken is bij talrijke metabolische processen in het zich ontwikkelende en volwassen zenuwstelsel. In de neocortex en het cerebellum van rattenpups die vanaf de geboorte tot het spenen via het drinkwater van het moederdier aan lood (0,2% loodacetaat) werden blootgesteld, verminderde de blootstelling aan lood zowel de ODC- als de PKC-activiteiten bij PND 3 tot PND 30. Onderzoek in PC12-cellen suggereerde dat de verzwakking van ODC door lood te wijten was aan een door lood verzwakte PKC-activiteit, omdat de door NGF geïnduceerde ODC-activiteit werd verzwakt door de PKC-remmer staurosporine (Hilliard et al. 1999). PKC-activiteit was ook betrokken bij de door lood geïnduceerde transcriptiefactor Sp1 DNA-bindende activiteit, omdat de PKC-remmer staurosporine de door lood geïnduceerde Sp1 DNA-binding in PC12-cellen verminderde, hetgeen werd ondersteund door de bevinding dat Sp1 DNA-bindende activiteit parallel met PKC-activiteit werd gemoduleerd in de hippocampus van aan lood blootgestelde ratten (Atkins et al. 2003). Sp1 wordt ook verondersteld betrokken te zijn bij NMDA receptor genexpressie (Bai en Kusiak 1995). PKC-afhankelijke Sp1 DNA-binding zou een belangrijke rol moeten spelen in de door lood gemoduleerde NMDA-receptorexpressie, hoewel er controversiële resultaten zijn gerapporteerd door verschillende onderzoeksgroepen (Cory-Slechta et al. 1997a,b; Guilarte et al. 1993; Lasley et al. 2001; Ma et al. 1997).

Studies hebben aangetoond dat PKC-activering betrokken was bij lood-geïnduceerde vertraging van oligodendrogliogenese. Door lood geïnduceerde afname van de proliferatie en differentiatie in gekweekte OP’s van ratten werd opgeheven door remming van PKC met bisindolylmaleimide I, terwijl het effect van de PKC-activerende stof forbol-12,13-didecanoaat door lood werd versterkt. Lood veroorzaakte ook de translocatie van PKC van het cytoplasma naar het membraancompartiment zonder een toename van de totale cellulaire PKC-activiteit (Deng en Poretz 2002). Sp1 kan de genexpressie reguleren van MBP en PLP, twee belangrijke structurele bestanddelen van myeline in het centrale zenuwstelsel (Henson et al. 1992; Tretiakova et al. 1999). Aldus wordt PKC-afhankelijke Sp1 DNA-bindende activiteit redelijkerwijs verondersteld in de lood-geïnduceerde veranderingen van de ontwikkelingsprofielen van PLP en MBP (Zawia en Harry 1995).

Hoewel geen direct bewijs aantoonde dat PKC-afhankelijke Sp1 DNA-bindende activiteit betrokken was bij de door lood gereguleerde genexpressie van HSP70, HSP90, en GRP78 in astroglia (Opanashuk en Finkelstein 1995; Qian et al. 2000, 2001; Selvin-Testa et al. 1997), de betrokkenheid van Sp1 en PKC in HSP70, HSP90, en GRP78 genexpressie (Jacquier-Sarlin et al. 1995; Rebbe et al. 1989; Song et al. 2001; Ting en Lee 1988) impliceren dat lood de expressie van deze genen zou kunnen moduleren via PKC-afhankelijke Sp1 DNA-bindende regulatie. Een correlatie tussen PKC en GFAP expressie werd geprofileerd in astrogliale cellijnen (Brodie et al. 1998; Masliah et al. 1991). Er moet echter nog worden nagegaan of de door lood geïnduceerde GFAP-overexpressie door PKC werd gemedieerd (Harry et al. 1996; Selvin-Testa et al. 1994; Stoltenburg-Didinger et al. 1996; Waterman et al. 1994). Menselijke studies van loodarbeiders ondersteunen het belang van door lood gemoduleerde PKC-activiteit in de neurotoxiciteit van lood, omdat het lood in het scheenbeen en de blootstellingsduur significant geassocieerd waren met erytrocytaire PKC-activering (Hwang et al. 2001). Samenvattend, PKC medieert waarschijnlijk vele aspecten van lood-geïnduceerde neurotoxiciteit in het zenuwstelsel.

Het δ-aminolevulinezuur dehydratase (ALAD) is een sleutelenzym dat de omzetting katalyseert van δ-aminolevulinezuur (δ-ALA) in porphobilinogeen in de heembiosyntheseweg. ALAD is een bekend moleculair doelwit van loodblootstelling en zijn activiteit wordt met 50% geremd wanneer het loodgehalte in het bloed 20 μg dl-1 overschrijdt. Door lood geïnduceerde ALAD-remming resulteert in een verhoogd circulerend ALA-niveau. Daarom worden de ALAD-activiteit in het bloed en de δ-ALA-spiegel in de urine gebruikt om de diagnose loodvergiftiging te stellen bij volwassenen met een loodgehalte van meer dan 35 μg dl-1 in het bloed en bij kinderen met 25-75 μg dl-1. Bovendien vermindert het verhoogde circulerende niveau van ALA de afgifte van GABA in het centrale zenuwstelsel, waardoor loodneurotoxiciteit ontstaat (Patrick 2006b). Hoewel de remming van ALAD door blootstelling aan lood wordt vastgesteld in erytrocyten, komt ALAD tot expressie in alle weefsels, inclusief hersenweefsel, en is heem essentieel voor de biosynthese van cytochromen die nodig zijn voor de ATP-productie in de mitochondriën. Bovendien heeft het CysCysHisCys zinkbindend motief in ALAD een veel hogere affiniteit voor lood met een molaire absorptieactiviteit van 16 000 mol-1 cm-1, aanzienlijk hoger dan het meest voorkomende zinkvingermotief, CysCysHisHis, met een molaire absorptieactiviteit van 700 mol-1 cm-1 in andere eiwitten of enzymen (Godwin 2001). Daarom kan worden verwacht dat lood de ALAD-activiteit in hersenweefsels remt, wat leidt tot neurotoxiciteit in het centrale zenuwstelsel.