2.25.2.3.2.2(iv) Ținte comune în diferite tipuri de celule cerebrale

Homeostazia calciului și semnalizarea celulară cu kinaze dependente de calciu sunt cele mai comune ținte principale în toate tipurile de celule cerebrale. Deși ionii divalenți de calciu (Ca2+) și ionii divalenți de plumb (Pb2+) au proprietăți chimice diferite, în care ionii de calciu favorizează legarea de oxigen, iar ionii de plumb preferă legarea de sulf, efectele plumbului asupra homeostaziei calciului și a semnalizării celulare mediate de calciu s-au concentrat în mod preferențial în istoricul toxicității plumbului (de exemplu, osteoporoza în intoxicația cu plumb și căile de semnalizare a proteinei kinazei C (PKC)) (Goldstein 1993; Pounds et al. 1991). Identificarea legăturii puternice a plumbului cu GRP78, o proteină săracă în cisteină (Qian et al. 2000), sugerează că plumbul poate viza, de asemenea, proteinele bogate în nesulfhidrilă. GRP78 este o proteină de legare a calciului bogată în acid glutamic și acid aspartic (17,2 % acid glutamic și acid aspartic față de media de 11,7 %) (Klapper 1977) și locuiește în ER și contribuie la tamponarea calciului în ER, un organit major pentru stocarea calciului (Macer și Koch 1988). Legarea plumbului de GRP78 oferă în continuare dovezi puternice pentru a susține rolul major al homeostaziei calciului perturbate de plumb și al semnalizării celulare dependente de calciu în neurotoxicitatea plumbului.

Semnificația calciului în semnalizarea celulară este bine cunoscută. Calciul joacă roluri semnificative în diferențierea neuronală, creșterea, ramificarea, migrația, organizarea structurală, formarea sinapselor și plasticitatea sinaptică (Braun și Schulman 1995). Importanța semnalizării calciului este, de asemenea, documentată în comunicarea dintre astroglii și dintre astroglii și neuroni (Scemes și Giaume 2006). Proteinele și enzimele dependente direct sau indirect de calciu sunt implicate în multe căi de semnalizare celulară, iar homeostazia calciului este, de asemenea, implicată în apoptoza sistemului nervos (Alberdi et al. 2005; Polster și Fiskum 2004). Semnalizarea celulară dependentă de calciu este reglată de modificări ale concentrației intracelulare de ioni de calciu liberi prin intermediul canalelor de calciu (de exemplu, canalele de calciu cu voltaj (VGCC)) sau al pompelor (de exemplu, pompa Ca2+-ATPază) de pe membrana plasmatică sau al depozitelor intracelulare (de exemplu, ER și mitocondriile). În schimb, ciclurile de fosforilare/defosforilare ale canalelor de calciu (de exemplu, VGCC și canalele receptorilor NMDA) reglementate de kinazele/fosfatazele dependente de calciu reglează, de asemenea, concentrațiile intracelulare de calciu (Lieberman și Mody 1994; Raman și colab. 1996). Astfel, neurotoxicele, inclusiv plumbul, pot afecta homeostazia calciului în mai multe moduri, ceea ce va duce la modificări ale semnalizării celulare. Acest subiect a fost analizat în detaliu (Audesirk și Tjalkens 2004) și, prin urmare, această secțiune se va concentra pe țintele comune ale proteinelor sau enzimelor dependente de calciu și pe alte potențiale ținte comune.

PKC este o proteinkinază mediată de calciu implicată în semnalizarea celulară în toate tipurile de celule cerebrale (Braun și Schulman 1995). Plumbul stimulează PKC dependentă de calciu și de fosfolipide, activată de diacetilglicerol, parțial purificată din creierul de șobolan, iar concentrațiile picomolare de plumb s-au dovedit a fi echivalente cu concentrațiile micromolare de calciu în activarea PKC (Long și colab. 1994; Markovac și Goldstein 1988). Așadar, această enzimă de reglare poate sesiza nivelurile de plumb așteptate în cazul expunerilor actuale de nivel scăzut în mediu. Deși cea mai mare parte a plumbului găsit în creier se depune în astroglie, este posibil ca o cantitate suficientă de plumb să ajungă la neuroni și la alte tipuri de celule cerebrale pentru a modula activitatea PKC. Studiile efectuate pe celule PC12 au indicat că nivelurile de plumb de până la 10 nmol l-1 au crescut activitatea PKC, în timp ce nivelurile de 10 μmol l-1 sau mai mari de 10 μmol l-1 au scăzut activitatea PKC. Prezența glutamatului la 500 μmol l-1 a exacerbat moartea celulară indusă de plumb și acest lucru a putut fi parțial blocat de 100 nmol l-1 de staurosporină, un inhibitor PKC, sau de 1 μmol l-1 de MK-801, un antagonist NMDA (Jadhav et al. 2000). Rezultate similare au fost, de asemenea, observate în alte studii care au arătat că plumbul la 0,53 μmol l-1 a crescut activitatea PKC cu 200% după 2 ore și apoi activitatea a revenit la nivelurile de control după 48 de ore (Tian et al. 2000). Semnificația activității PKC activate de plumb a fost legată de diferențierea neuronală. Studiile efectuate pe neuronii hipocampali de șobolan în cultură au raportat că inhibarea PKC cu calphostin C a exacerbat inhibiția inițierii neuronilor cauzată de 100 nmol l-1 de clorură de plumb (Kern și Audesirk 1995), sugerând o implicare a PKC în neurotoxicitatea plumbului. Spre deosebire de acest studiu, plumbul la 25-100 nmol l-1 a stimulat creșterea neuronilor indusă de NGF în celulele PC12, iar activarea proteinei kinaza reglată de semnalul extracelular (ERK) s-a dovedit a fi implicată în stimularea cu plumb (Crumpton și colab. 2001; Williams și colab. 2000a). Astfel, aceste rezultate opuse reflectă complexitatea reprezentată de prezența căilor multiple de inițiere a neuronilor și a țintelor multiple ale otrăvirii cu plumb în sistemul nervos. Tirozina hidroxilază (TH) este un marker de dezvoltare a diferențierii neuronale, iar activitatea sa este reglată de PKC. Inhibitorul PKC Ro32-0342 a suprimat activitatea TH indusă de plumb în celulele PC12 (Tian et al. 2000). ODC este o enzimă de reglare cheie a căii poliaminelor, implicată în numeroase procese metabolice din sistemul nervos în curs de dezvoltare și maturitate. În neocortexul și cerebelul puilor de șobolan expuși prin lactație la plumb prin apa de băut a mamei (0,2% acetat de plumb) de la naștere până la înțărcare, expunerea la plumb a atenuat atât activitatea ODC, cât și activitatea PKC de la PND 3 până la PND 30. Studiile efectuate pe celule PC12 au sugerat că atenuarea ODC de către plumb se datorează activității PKC atenuate de plumb, deoarece activitatea ODC indusă de NGF a fost atenuată de inhibitorul PKC staurosporină (Hilliard et al. 1999). Activitatea PKC a fost, de asemenea, implicată în activitatea de legare la ADN a factorului de transcripție Sp1 indusă de plumb, deoarece inhibitorul PKC staurosporină a diminuat legarea la ADN a factorului Sp1 indusă de plumb în celulele PC12, ceea ce a fost susținut de constatarea că activitatea de legare la ADN a factorului Sp1 a fost modulată în paralel cu activitatea PKC în hipocampul șobolanilor expuși la plumb (Atkins et al. 2003). Se crede, de asemenea, că Sp1 este implicat în expresia genei receptorilor NMDA (Bai și Kusiak 1995). Legarea Sp1 de ADN dependentă de PKC ar trebui să joace un rol important în expresia receptorului NMDA modulată de plumb, chiar dacă au fost raportate rezultate controversate de către diferite grupuri de cercetare (Cory-Slechta et al. 1997a,b; Guilarte et al. 1993; Lasley et al. 2001; Ma et al. 1997).

Studiile au arătat că activarea PKC a fost implicată în întârzierea indusă de plumb a oligodendrogliogenezei. Scăderea indusă de plumb a proliferării și diferențierii în OPs de șobolan cultivate a fost abolită prin inhibarea PKC cu bisindolilmaleimida I, în timp ce efectul agentului activator PKC forbol-12,13-didecanoat a fost potențat de plumb. Plumbul a provocat, de asemenea, translocarea PKC din citoplasmă în compartimentul membranar fără o creștere a activității PKC celulare totale (Deng și Poretz 2002). Sp1 poate regla expresia genetică a MBP și PLP, doi constituenți structurali majori ai mielinei din sistemul nervos central (Henson et al. 1992; Tretiakova et al. 1999). Astfel, activitatea de legare a ADN-ului Sp1 dependentă de PKC este presupusă în mod rezonabil în alterarea indusă de plumb a profilurilor de dezvoltare a PLP și MBP (Zawia și Harry 1995).

Deși nici o dovadă directă nu a demonstrat că activitatea de legare a ADN-ului Sp1 dependentă de PKC a fost implicată în expresia genelor HSP70, HSP90 și GRP78 reglată de plumb în astroglia (Opanashuk și Finkelstein 1995; Qian și colab. 2000, 2001; Selvin-Testa et al. 1997), implicarea Sp1 și PKC în expresia genelor HSP70, HSP90 și GRP78 (Jacquier-Sarlin et al. 1995; Rebbe et al. 1989; Song et al. 2001; Ting și Lee 1988) implică faptul că plumbul ar putea modula expresia acestor gene prin reglarea legăturii la ADN a Sp1 dependentă de PKC. O corelație între expresia PKC și GFAP a fost profilată în liniile celulare astrogliale (Brodie et al. 1998; Masliah et al. 1991). Cu toate acestea, rămâne de verificat dacă supraexprimarea GFAP indusă de plumb a fost mediată prin PKC (Harry et al. 1996; Selvin-Testa et al. 1994; Stoltenburg-Didinger et al. 1996; Waterman et al. 1994). Studiile efectuate la oameni care au lucrat cu plumb au susținut importanța activității PKC modulate de plumb în neurotoxicitatea plumbului, deoarece plumbul din tibie și durata expunerii au fost asociate în mod semnificativ cu activarea PKC eritrocitară (Hwang et al. 2001). În concluzie, PKC mediază probabil multe aspecte ale neurotoxicității induse de plumb în sistemul nervos.

Acidul δ-aminolevulinic dehidrataza (ALAD) este o enzimă cheie care catalizează conversia acidului δ-aminolevulinic (δ-ALA) în porfobilinogen în calea biosintezei hemului. ALAD este o țintă moleculară binecunoscută a expunerii la plumb, iar activitatea sa este inhibată cu 50% atunci când nivelurile de plumb din sânge depășesc 20 μg dl-1. Inhibarea ALAD indusă de plumb are ca rezultat creșterea nivelului circulant de ALA. Astfel, activitatea ALAD din sânge și nivelul δ-ALA urinar sunt utilizate pentru a diagnostica intoxicația cu plumb la adulții cu niveluri de plumb în sânge care depășesc 35 μg dl-1 și la copii cu 25-75 μg dl-1. În plus, nivelul circulant crescut de ALA scade eliberarea de GABA în sistemul nervos central, provocând neurotoxicitatea plumbului (Patrick 2006b). Deși inhibarea ALAD de către expunerea la plumb este identificată în eritrocite, ALAD este exprimată în toate țesuturile, inclusiv în țesuturile cerebrale, iar hema este esențială pentru biosinteza citocromilor necesari pentru producerea de ATP în mitocondrii. În plus, motivul de legare a zincului CysCysHisCys din ALAD are o afinitate mult mai mare pentru plumb, cu o activitate de absorbție molară de 16 000 mol-1 cm-1, considerabil mai mare decât cel mai comun motiv de deget de zinc, CysCysHisHis, cu o activitate de absorbție molară de 700 mol-1 cm-1 în alte proteine sau enzime (Godwin 2001). Prin urmare, este de așteptat ca plumbul să inhibe activitatea ALAD în țesuturile cerebrale, ceea ce duce la neurotoxicitate în sistemul nervos central.

.