2.25.2.3.2(iv) Alvos comuns em diferentes tipos de células cerebrais

Calcium homeostasis and calcium-dependent kinase cell signaling are the most common lead targets in all brain cell types. Embora os íons cálcio divalentes (Ca2+) e os íons chumbo divalentes (Pb2+) tenham propriedades químicas diferentes, onde os íons cálcio favorecem a ligação ao oxigênio e os íons chumbo preferem a ligação ao enxofre, os efeitos do chumbo na homeostase do cálcio e na sinalização celular mediada pelo cálcio têm sido preferencialmente focados na história da toxicidade do chumbo (por exemplo, osteoporose no envenenamento por chumbo e nas vias de sinalização da proteína cinase C (PKC)) (Goldstein 1993; Pounds et al. 1991). A identificação do chumbo fortemente ligado ao GRP78, uma proteína pobre em cisteína (Qian et al. 2000), sugere que o chumbo também pode ter como alvo proteínas não sulfatadas ricas em hidratos de carbono. O GRP78 é uma proteína rica em ácido glutâmico e ácido aspártico aglutinante de cálcio (17,2% de ácido glutâmico e ácido aspártico comparado com a média de 11,7%) (Klapper 1977) e reside nas ER e contribui para o tamponamento do cálcio nas ER, um importante organelo para o armazenamento de cálcio (Macer e Koch 1988). A ligação do chumbo ao GRP78 fornece ainda fortes evidências para apoiar o papel principal da homeostase do cálcio com chumbo e da sinalização celular dependente do cálcio na neurotoxicidade do chumbo.

O significado do cálcio na sinalização celular é bem conhecido. O cálcio desempenha papéis significativos na diferenciação neuronal, crescimento, ramificação, migração, organização estrutural, formação de sinapse e plasticidade sináptica (Braun e Schulman 1995). O significado da sinalização do cálcio também é documentado na comunicação entre astroglia, e entre astroglia e neurônios (Scemes e Giaume 2006). As proteínas e enzimas directa ou indirectamente dependentes do cálcio estão envolvidas em muitas vias de sinalização celular e a homeostase do cálcio também está envolvida na apoptose do sistema nervoso (Alberdi et al. 2005; Polster e Fiskum 2004). A sinalização celular dependente do cálcio é regulada por alterações na concentração intracelular de íons de cálcio livres através dos canais de cálcio (por exemplo, canais de cálcio em tensão (VGCCs)) ou bombas (por exemplo, bomba Ca2+-ATPase) na membrana plasmática ou armazenamentos intracelulares (por exemplo, ER e mitocôndrias). Por outro lado, os ciclos de fosforilação/defosforilação dos canais de cálcio (por exemplo, canais receptores VGCC e NMDA) regulados por kinases/fosfátases dependentes do cálcio também regulam as concentrações intracelulares de cálcio (Lieberman e Mody 1994; Raman et al. 1996). Assim, os neurotoxicantes, incluindo o chumbo, podem afectar a homeostase do cálcio de muitas maneiras, o que resultará em alterações na sinalização celular. Este assunto foi revisado em detalhes (Audesirk e Tjalkens 2004), e portanto esta seção será focada em alvos comuns de proteínas ou enzimas dependentes do cálcio e outros alvos potenciais comuns.

PKC é uma proteína quinase mediada pelo cálcio envolvida na sinalização celular em todos os tipos de células cerebrais (Braun e Schulman 1995). O chumbo estimula a ativação diacilglicerol de cálcio e fosfolipídeo dependente de PKC, parcialmente purificado do cérebro de ratos, e concentrações picomolares de chumbo foram encontradas como equivalentes a concentrações micromolares de cálcio na ativação de PKC (Long et al. 1994; Markovac e Goldstein 1988). Assim, esta enzima reguladora pode sentir os níveis de chumbo esperados das actuais exposições ambientais de baixo nível. Embora a maior parte do chumbo encontrado no cérebro seja depositado em astroglia, é possível que um número suficiente de chumbo possa chegar aos neurônios e outros tipos de células cerebrais para modular a atividade de PKC. Estudos de células PC12 indicaram que níveis de chumbo tão baixos quanto 10 nmol l-1 aumentaram a atividade de PKC, enquanto níveis iguais ou superiores a 10 μmol l-1 diminuíram a atividade de PKC. A presença de glutamato em 500 μmol l-1 exacerbou a morte celular induzida por chumbo e esta poderia ser parcialmente bloqueada por 100 nmol l-1 de estaurosporina, um inibidor de PKC, ou 1 μmol l-1 de MK-801, um antagonista de NMDA (Jadhav et al. 2000). Resultados semelhantes também foram observados em outros estudos mostrando que o chumbo a 0,53 μmol l-1 aumentou a atividade de PKC em 200% após 2 h e depois a atividade reverteu para níveis de controle em 48 h (Tian et al. 2000). A importância da atividade de PKC ativada por chumbo tem sido ligada à diferenciação neuronal. Estudos de neurônios hipocampais de ratos cultivados relataram que a inibição da PKC com calphostin C exacerbou a inibição do início do neurite causado por 100 nmol l-1 de cloreto de chumbo (Kern e Audesirk 1995), sugerindo um envolvimento da PKC na neurotoxicidade do chumbo. Ao contrário deste estudo, o chumbo a 25-100 nmol l-1 estimulou o crescimento de neurite induzido por NGF nas células PC12, e a ativação da proteína quinase extracelular regulada por sinal (ERK) foi encontrada envolvida na estimulação do chumbo (Crumpton et al. 2001; Williams et al. 2000a). Assim, esses resultados opostos refletem as complexidades colocadas pela presença de múltiplas vias de iniciação neurite e múltiplos alvos de envenenamento por chumbo no sistema nervoso. A tirosina hidroxilase (TH) é um marcador de desenvolvimento de diferenciação neuronal e sua atividade é regulada por PKC. O inibidor de PKC Ro32-0342 suprimiu a atividade induzida pelo chumbo nas células PC12 (Tian et al. 2000). O ODC é uma enzima reguladora chave do caminho da poliamina envolvida em numerosos processos metabólicos no sistema nervoso maduro e em desenvolvimento. No neocórtex e no cerebelo de filhotes de ratos lactação expostos ao chumbo através da água potável da mãe (0,2% de acetato de chumbo) desde o nascimento até o desmame, a exposição ao chumbo atenuou as atividades de ODC e PKC no PND 3 até o PND 30. Estudos em células PC12 sugeriram que a atenuação do ODC pelo chumbo foi devida à atividade do PKC atenuado porque a atividade do ODC induzido pela NGF foi atenuada pelo inibidor de PKC estaurosporina (Hilliard et al. 1999). A atividade de PKC também esteve envolvida no fator transcripcional induzido pelo chumbo Sp1 porque o inibidor PKC estaurosporina diminuiu a ligação do DNA Sp1 induzido pelo chumbo nas células PC12, o que foi apoiado pela descoberta de que a atividade de ligação do DNA Sp1 foi modulada em paralelo com a atividade de PKC no hipocampo de ratos expostos ao chumbo (Atkins et al. 2003). Acredita-se também que Sp1 esteja envolvido na expressão do gene receptor NMDA (Bai e Kusiak 1995). A ligação de DNA Sp1 dependente de PKC deve desempenhar um papel importante na expressão do receptor NMDA modificado por chumbo, embora resultados controversos tenham sido relatados por diferentes grupos de pesquisa (Cory-Slechta et al. 1997a,b; Guilarte et al. 1993; Lasley et al. 2001; Ma et al. 1997).

Estudos revelaram que a ativação de PKC estava envolvida no atraso da oligodendrogliogênese induzida por chumbo. A diminuição da proliferação e diferenciação induzida pelo chumbo em OPs de ratos cultivados foi abolida pela inibição da PKC com bisindolilmaleimida I, enquanto o efeito do agente ativador da PKC forbol-12,13-didecanoato foi potencializado pelo chumbo. O chumbo também causou a translocação de PKC do citoplasma para o compartimento da membrana sem um aumento na atividade celular total de PKC (Deng e Poretz 2002). Sp1 pode regular a expressão gênica de MBP e PLP, dois componentes estruturais principais do sistema nervoso central mielina (Henson et al. 1992; Tretiakova et al. 1999). Assim, a atividade de ligação do DNA Sp1 dependente de PKC é razoavelmente presumida nas alterações induzidas pelo chumbo nos perfis de desenvolvimento de PLP e MBP (Zawia e Harry 1995).

Embora nenhuma evidência direta tenha demonstrado que a atividade de ligação do DNA Sp1 dependente de PKC estivesse envolvida na HSP70, HSP90 e GRP78 regulada pelo chumbo na astroglia (Opanashuk e Finkelstein 1995; Qian et al. 2000, 2001; Selvin-Testa et al. 1997), os envolvimentos de Sp1 e PKC na expressão dos genes HSP70, HSP90 e GRP78 (Jacquier-Sarlin et al. 1995; Rebbe et al. 1989; Song et al. 2001; Ting e Lee 1988) implicam que o chumbo poderia modular a expressão destes genes através da regulação de DNA vinculado a Sp1 dependente de PKC. Uma correlação entre a expressão de PKC e GFAP foi perfilada em linhas de células astrogliais (Brodie et al. 1998; Masliah et al. 1991). Entretanto, resta verificar se a superexpressão de GFAP induzida por chumbo foi mediada pela PKC (Harry et al. 1996; Selvin-Testa et al. 1994; Stoltenburg-Didinger et al. 1996; Waterman et al. 1994). Estudos em humanos de trabalhadores com chumbo apoiaram a importância da atividade de PKC modulada por chumbo na neurotoxicidade do chumbo porque o chumbo da tíbia e a duração da exposição foram significativamente associados à ativação do eritrócito PKC (Hwang et al. 2001). Em resumo, a PKC provavelmente medeia muitos aspectos da neurotoxicidade induzida pelo chumbo no sistema nervoso.

A δ-aminolevulinic acid dehydratase (ALAD) é uma enzima chave que catalisa a conversão de δ-aminolevulinic acid (δ-ALA) em porphobilinogênio na via heme biosintética. O ALAD é um conhecido alvo molecular de exposição ao chumbo e sua atividade é inibida em 50% quando os níveis de chumbo no sangue excedem 20 μg dl-1. A inibição do ALAD induzida pelo chumbo resulta num aumento do nível de ALAD em circulação. Assim, a actividade do ALAD sanguíneo e o nível urinário δ-ALA são usados para diagnosticar envenenamento por chumbo em adultos com níveis de chumbo no sangue superiores a 35 μg dl-1 e em crianças com 25-75 μg dl-1. Além disso, o aumento do nível circulatório de ALA diminui a liberação de GABA no sistema nervoso central, causando neurotoxicidade do chumbo (Patrick 2006b). Embora a inibição do ALAD pela exposição ao chumbo seja identificada nos eritrócitos, o ALAD é expresso em todos os tecidos, incluindo os do cérebro, e o heme é essencial para a biossíntese dos citocromos necessários para a produção de ATP nas mitocôndrias. Além disso, o motivo CysCysHisCys de ligação de zinco no ALAD tem uma afinidade muito maior com o chumbo, com uma actividade de absorção molar de 16 000 mol-1 cm-1, consideravelmente superior ao motivo mais comum do dedo de zinco, CysCysHisHis, com uma actividade de absorção molar de 700 mol-1 cm-1 noutras proteínas ou enzimas (Godwin 2001). Portanto, pode-se esperar que o chumbo inibe a atividade ALAD nos tecidos do cérebro, levando a neurotoxicidade no sistema nervoso central.