Aluminium neurotoxicity and neuronal phosphorylation systems

Abstract

O alumínio é o terceiro elemento mais abundante na Terra. Uma vez que se encontra distribuído ubiquamente pelo meio ambiente e é utilizado em vários produtos e processos, a população humana está inevitavelmente exposta diariamente a este metal. De facto, o alumínio tem sido relacionado com diversas doenças neurodegenerativas como: a esclerose lateral amiotrófica, a demência de Parkinson (DP), a doença de Alzheimer (DA) e a encefalopatia relacionada com a diálise. A fosforilação de proteínas é um dos principais mecanismos reguladores intracelulares da maior parte das vias de sinalização nas células eucarióticas. Este processo dinâmico regula o estado de fosforilação e/ou a actividade das proteínas através de um balanço entre as proteínas cinases, que fosforilam, e as proteínas fosfatases (PP) que desfosforilam as proteínas. A proteína fosfatase 1 (PP1) é uma fosfatase específica para serina/treonina que está envolvida em importantes mecanismos celulares tais como o ciclo celular, contracção muscular e apoptose, entre outros. A PP1 tem três isoformas conhecidas, denominadas PP1α, PP1β e PP1γ,. O gene que codifica para a isoforma gama pode sofrer splicing alternativo originando a isoforma ubíqua PP1γ1 e a isoforma enriquecida no testículo PP1γ2. A fosforilação anormal de proteínas tem sido associada a várias patologias, incluindo cancro, diabetes e várias doenças neurodegenerativas (DP, doença de Huntington e DA). Uma das proteínas que se encontram anormalmente fosforiladas na DA são, por exemplo, os neurofilamentos (NF). Neste contexto, avaliou-se o efeito do alumínio na expressão de proteínas (PP1, NF) e realizou-se um estudo comparativo entre duas linhas celulares com características diferentes, as células PC12 e COS-1. Observou-se que o alumínio induziu um decréscimo na viabilidade celular, assim como na expressão e actividade de ambas as isoformas da PP1 em ambas as linhas celulares. Verificou-se que este efeito podia ser revertido retirando-se o alumínio. Um estudo semelhante foi ainda realizado num sistema neuronal utilizando culturas primárias de neurónios corticais. A expressão de ambas as isoformas da PP1 permaneceu inalterada após a exposição ao alumínio. No entanto, o alumínio induziu um decréscimo da expressão dos NF e da sinaptofisina, uma proteína que marca os terminais sinápticos. Por fim, estudou-se o efeito do alumínio na expressão de outras proteínas em sistemas in vitro e in vivo utilizando a tecnologia SELDI-TOF MS. Esta tecnologia permitiu detectar várias proteínas cuja expressão foi alterada devido ao alumínio. Com este trabalho pretendeu-se contribuir para um melhor conhecimento da neurotoxicidade do alumínio.

Aluminium is the third most abundant element on Earth. Aluminium is ubiquitous in the environment and is used in a variety of products and processes, thus, daily exposure of the general population to this metal is unavoidable. Indeed, aluminium has been implicated with various neurodegenerative disorders like: amyotrophic lateral sclerosis (ALS)/Parkinson’s dementia (PD) complex of Guam, Alzheimer’s disease (AD) and dialysis encephalopathy. Aluminium is known to interfere with several mechanisms of the nervous system, including alteration of cytoskeletal proteins, behavioural abnormalities, neurotransmission systems, oxidative damage, energy metabolism, second messengers, and also to induce neuronal apoptosis. Protein phosphorylation is a major intracellular regulatory mechanism of all signalling pathways in the eukaryotic cell. This dynamic process regulates the net phosphorylation state and the activity of proteins by a balance between protein kinases, which phosphorylate, and protein phosphatases (PP), which dephosphorylate proteins. Protein phosphatase 1 (PP1) is a serine/threonine specific phosphatase which is involved in the control of important cellular mechanisms such as the cell cycle, muscle contraction and apoptosis, among others. PP1 has three known isoforms termed PP1α, PP1β and PP1γ. The gene for PP1γ produces by alternative splicing a ubiquitously expressed PP1γ1 and a testis-specific PP1γ2 isoform. Abnormal protein phosphorylation has been associated with various disorders, including cancer, diabetes, and several neurodegenerative disorders (PD, Huntington’s disease and AD). Besides tau other proteins that are abnormally phosphorylated in AD are the neurofilaments (NF). In this context, the aluminium effect on the expression of proteins (PP1, NF) was evaluated. A comparative study was performed using two cell lines with different characteristics, PC12 and COS-1 cells. It was observed that aluminium induced a decrease in the cellular viability, as well as in the expression and activity of both PP1 isoforms in both cell lines. This effect was reverted following aluminium withdrawal. A similar study was also performed in a neuronal system, primary cortical neuron culture. The expression of both PP1 isoforms remained unchanged after aluminium exposure. However, aluminium induced a decrease in the expression of NF and of synaptophysin, a protein marker for synaptic terminals. Finally, the effect of aluminium on the expression of other proteins in in vitro and in vivo systems was evaluated using SELDI-TOF MS technology. In this study, several proteins with altered expression due to aluminium were detected. This work aimed to contribute to the better understanding of aluminium neurotoxicity.