2.25.2.3.2(iv) Gemensamma mål i olika hjärncellstyper

Kalciumhomeostas och kalciumberoende kinascellsignalering är de vanligaste huvudmålen i alla hjärncellstyper. Även om divalenta kalciumjoner (Ca2+) och divalenta blyjoner (Pb2+) har olika kemiska egenskaper, där kalciumjoner föredrar syrebindning och blyjoner föredrar svavelbindning, har blyets effekter på kalciumhomeostas och kalciummedierad cellsignalering företrädesvis fokuserats i historien om blytoxicitet (t.ex. osteoporos vid blyförgiftning och proteinkinas C (PKC)-signaleringsvägar) (Goldstein 1993; Pounds et al. 1991). Identifieringen av bly som är starkt bundet till GRP78, ett cysteinfattigt protein (Qian et al. 2000), tyder på att bly också kan rikta in sig på icke-sulfhydrylrika proteiner. GRP78 är ett kalciumbindande protein som är rikt på glutaminsyra och asparaginsyra (17,2 % glutaminsyra och asparaginsyra jämfört med genomsnittet på 11,7 %) (Klapper 1977) och det finns i ER och bidrar till kalciumbuffringen i ER, en viktig organell för kalciumlagring (Macer och Koch 1988). Blybindning till GRP78 ger ytterligare starka bevis för att stödja den viktiga roll som störd kalciumhomeostas och kalciumberoende cellsignalering spelar för blyets neurotoxicitet.

Kalciums betydelse för cellsignalering är välkänd. Kalcium spelar viktiga roller vid neuronal differentiering, tillväxt, förgrening, migration, strukturell organisation, synapsbildning och synaptisk plasticitet (Braun och Schulman 1995). Kalciumsignaleringens betydelse är också dokumenterad i kommunikationen mellan astroglia och mellan astroglia och neuroner (Scemes och Giaume 2006). Direkta eller indirekta kalciumberoende proteiner och enzymer är involverade i många cellsignalvägar och kalciumhomeostas är också involverad i apoptos i nervsystemet (Alberdi et al. 2005; Polster och Fiskum 2004). Kalciumberoende cellsignalering regleras av förändringar i den intracellulära koncentrationen av fria kalciumjoner genom kalciumkanaler (t.ex. spänningsstyrda kalciumkanaler (VGCC)) eller pumpar (t.ex. Ca2+-ATPas-pumpen) på plasmamembranet eller intracellulära lager (t.ex. ER och mitokondrier). Omvänt reglerar fosforylering/defosforyleringscykler av kalciumkanaler (t.ex. VGCC- och NMDA-receptorkanaler) som regleras av kalciumberoende kinaser/fosfataser också de intracellulära kalciumkoncentrationerna (Lieberman och Mody 1994; Raman et al. 1996). Neurotoxiska ämnen, inklusive bly, kan således påverka kalciumhomeostasen på många olika sätt, vilket kommer att resultera i förändringar i cellsignalering. Detta ämne har granskats i detalj (Audesirk och Tjalkens 2004), och därför kommer detta avsnitt att fokusera på gemensamma måltavlor för kalciumberoende proteiner eller enzymer och andra potentiella gemensamma måltavlor.

PKC är ett kalciummedierat proteinkinas som är involverat i cellsignalering i alla hjärncelltyper (Braun och Schulman 1995). Bly stimulerar diacylglycerolaktiverat kalcium- och fosfolipidberoende PKC, delvis renat från råtthjärna, och picomolära koncentrationer av bly visade sig vara likvärdiga med mikromolära koncentrationer av kalcium vid PKC-aktivering (Long et al. 1994; Markovac och Goldstein 1988). Detta reglerande enzym kan alltså känna av blynivåer som förväntas från nuvarande låga miljöexponeringar. Även om det mesta av det bly som finns i hjärnan deponeras i astroglia, är det möjligt att tillräckligt mycket bly kan nå fram till neuroner och andra hjärncellstyper för att modulera PKC-aktiviteten. Studier från PC12-celler visade att blynivåer så låga som 10 nmol l-1 ökade PKC-aktiviteten, medan nivåer på eller högre än 10 μmol l-1 minskade PKC-aktiviteten. Närvaron av glutamat vid 500 μmol l-1 förvärrade blyinducerad celldöd och detta kunde delvis blockeras av 100 nmol l-1 av staurosporin, en PKC-hämmare, eller 1 μmol l-1 av MK-801, en NMDA-antagonist (Jadhav et al. 2000). Liknande resultat observerades även i andra studier som visade att bly vid 0,53 μmol l-1 ökade PKC-aktiviteten med 200 % efter 2 timmar, varefter aktiviteten återgick till kontrollnivåer efter 48 timmar (Tian et al. 2000). Betydelsen av blyaktiverad PKC-aktivitet har kopplats till neuronal differentiering. Studier från odlade hippocampala neuroner från råttor rapporterade att inhibering av PKC med calphostin C förvärrade den hämning av neuritinitiering som orsakades av 100 nmol l-1 av blyklorid (Kern och Audesirk 1995), vilket tyder på en inblandning av PKC i bly neurotoxicitet. I motsats till denna studie stimulerade bly vid 25-100 nmol l-1 NGF-inducerad neuritutväxt i PC12-celler, och aktivering av extracellulärt signalreglerat proteinkinas (ERK) visade sig vara involverad i bly-stimuleringen (Crumpton et al. 2001; Williams et al. 2000a). Dessa motsatta resultat återspeglar således den komplexitet som uppstår på grund av förekomsten av flera neuritinitieringsvägar och flera mål för blyförgiftning i nervsystemet. Tyrosinhydroxylas (TH) är en utvecklingsmarkör för neuronal differentiering och dess aktivitet regleras av PKC. PKC-hämmaren Ro32-0342 undertryckte blyinducerad TH-aktivitet i PC12-celler (Tian et al. 2000). ODC är ett viktigt reglerande enzym i polyaminvägen som är involverad i många metaboliska processer i det utvecklande och mogna nervsystemet. I neocortex och cerebellum hos råttungar som genom amning exponerats för bly via moderns dricksvatten (0,2 % blyacetat) från födseln till avvänjning, minskade blyexponeringen både ODC- och PKC-aktiviteterna vid PND 3 till PND 30. Studier i PC12-celler tyder på att den minskade ODC-aktiviteten på grund av bly beror på en minskad PKC-aktivitet på grund av att NGF-inducerad ODC-aktivitet minskades av PKC-hämmaren staurosporin (Hilliard et al. 1999). PKC-aktiviteten var också involverad i den blyinducerade transkriptionsfaktorn Sp1 DNA-bindningsaktivitet eftersom PKC-hämmaren staurosporin minskade den blyinducerade Sp1 DNA-bindningen i PC12-celler, vilket stöddes av upptäckten att Sp1 DNA-bindningsaktiviteten moduleras parallellt med PKC-aktiviteten i hippocampus hos blyexponerade råttor (Atkins et al. 2003). Sp1 tros också vara involverad i NMDA-receptorns genuttryck (Bai och Kusiak 1995). PKC-beroende Sp1 DNA-bindning bör spela en viktig roll i blymodulerat NMDA-receptorexpression även om kontroversiella resultat har rapporterats från olika forskargrupper (Cory-Slechta et al. 1997a,b; Guilarte et al. 1993; Lasley et al. 2001; Ma et al. 1997).

Studier har visat att PKC-aktivering var inblandad i blyinducerad fördröjning av oligodendrogliogenesen. Blyinducerad minskning av proliferation och differentiering i odlade OPs från råttor upphävdes genom hämning av PKC med bisindolylmaleimid I, medan effekten av det PKC-aktiverande medlet phorbol-12,13-didecanoat förstärktes av bly. Bly orsakade också translokation av PKC från cytoplasman till membranfacket utan att den totala cellulära PKC-aktiviteten ökade (Deng och Poretz 2002). Sp1 kan reglera genuttrycket av MBP och PLP, två viktiga strukturella beståndsdelar i det centrala nervsystemets myelin (Henson et al. 1992; Tretiakova et al. 1999). Således kan PKC-beroende Sp1 DNA-bindande aktivitet rimligen antas vara inblandad i de blyinducerade förändringarna av utvecklingsprofilerna av PLP och MBP (Zawia och Harry 1995).

Och även om inga direkta bevis visade att PKC-beroende Sp1 DNA-bindande aktivitet var inblandad i HSP70-, HSP90- och GRP78-genuttrycket som regleras av bly i astroglia (Opanashuk och Finkelstein 1995; Qian et al. 2000, 2001; Selvin-Testa et al. 1997), innebär Sp1 och PKC:s inblandning i genuttrycket av HSP70, HSP90 och GRP78 (Jacquier-Sarlin et al. 1995; Rebbe et al. 1989; Song et al. 2001; Ting och Lee 1988) att bly skulle kunna modulera uttrycket av dessa gener genom PKC-beroende Sp1 DNA-bindande reglering. En korrelation mellan PKC- och GFAP-uttryck har profilerats i astrogliala cellinjer (Brodie et al. 1998; Masliah et al. 1991). Det återstår dock att verifiera om blyinducerad överexpression av GFAP förmedlades genom PKC (Harry et al. 1996; Selvin-Testa et al. 1994; Stoltenburg-Didinger et al. 1996; Waterman et al. 1994). Studier på människor från blyarbetare stödde betydelsen av blymodulerad PKC-aktivitet vid neurotoxicitet orsakad av bly eftersom bly i skenbenet och exponeringstid var signifikant förknippade med erytrocyternas PKC-aktivering (Hwang et al. 2001). Sammanfattningsvis medierar PKC troligen många aspekter av blyinducerad neurotoxicitet i nervsystemet.

Det δ-aminolevulinsyradehydratas (ALAD) är ett nyckelenzym som katalyserar omvandlingen av δ-aminolevulinsyra (δ-ALA) till porphobilinogen i den hembiosyntetiska vägen. ALAD är ett välkänt molekylärt mål för blyexponering och dess aktivitet hämmas med 50 % när blyhalten i blodet överstiger 20 μg dl-1. Blyinducerad ALAD-hämning resulterar i en ökad cirkulerande nivå av ALA. Därför används ALAD-aktivitet i blodet och δ-ALA-nivån i urinen för att diagnostisera blyförgiftning hos vuxna med blyhalter i blodet som överstiger 35 μg dl-1 och hos barn med 25-75 μg dl-1. Dessutom minskar den ökade cirkulerande nivån av ALA frisättningen av GABA i det centrala nervsystemet, vilket orsakar blyneurotoxicitet (Patrick 2006b). Även om inhiberingen av ALAD genom blyexponering identifieras i erytrocyter, uttrycks ALAD i alla vävnader, inklusive hjärnvävnader, och heme är viktigt för biosyntesen av cytokromer som krävs för ATP-produktion i mitokondrierna. Dessutom har CysCysHisCys-zinkbindningsmotivet i ALAD en mycket högre affinitet för bly med en molär absorptionsaktivitet på 16 000 mol-1 cm-1, vilket är betydligt högre än det vanligaste zinkfingermotivet, CysCysHisHis, med en molär absorptionsaktivitet på 700 mol-1 cm-1 i andra proteiner eller enzymer (Godwin 2001). Därför kan man förvänta sig att bly hämmar ALAD-aktiviteten i hjärnvävnader, vilket leder till neurotoxicitet i det centrala nervsystemet.