Zinc adaptation and resistance to cadmium toxicity in mammalian cells. Molecular insight by proteomic analysis

To identify proteins involved in cellular adaptive responses to zinc, a comparative proteome analysis between a previously developed high zinc- and cadmium- resistant human epithelial cell line (HZR) and the parental HeLa cells has been carried out. Differentially produced proteins included co-chaperones, proteins associated with oxido-reductase activities, and ubiquitin. Biochemical pathways to which these proteins belong were probed for their involvement in the resistance of both cell lines against cadmium toxicity. Among endoplasmic reticulum stressors, thapsigargin sensitized HZR cells, but not HeLa cells, to cadmium toxicity more acutely than tunicamycin, implying that these cells heavily relied on proper intracellular calcium distribution. The similar sensitivity of both HeLa and HZR cells to inhibitors of the proteasome, such as MG-132 or lactacystin, excluded improved proteasome activity as a mechanism associated with zinc adaptation of HZR cells. The enzyme 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase was overproduced in HZR cells as compared to HeLa cells. It transforms 4-hydroxyphenylpyruvate to homogentisate in the second step of tyrosine catabolism. Inhibition of 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase decreased the resistance of HZR cells against cadmium, but not that of HeLa cells, suggesting that adaptation to zinc overload and increased 4-hydroxyphenylpyruvate removal are linked in HZR cellsComment: in press in Proteomic

Disruption of the expression of the proprotein convertase PC7 reduces BDNF production and affects learning and memory in mice

PC7 belongs to the proprotein convertase family, whose members are implicated in the cleavage of secretory precursors. The in vivo function of PC7 is unknown. Herein, we find that the precursor proBDNF is processed into mature BDNF in COS-1 cells coexpressing proBDNF with either PC7 or Furin. Conversely, the processing of proBDNF into BDNF is markedly reduced in the absence of either Furin or PC7 in mouse primary hepatocytes. In vivo we observe that BDNF and PC7 mRNAs are colocalized in mouse hippocampus and amygdala and that mature BDNF protein levels are reduced in these brain areas in PC7 KO mice but not in the hippocampus of PC1/3 KO mice. Various behavioral tests reveal that in PC7 KO mice spatial memory is intact and plasticity of responding is mildly abnormal. Episodic and emotional memories are severely impaired, but both are rescued with the tyrosine receptor kinase B agonist 7,8-dihydroxyflavone. Altogether, these results support an in vivo role for PC7 in the regulation of certain types of cognitive performance, in part via proBDNF processing. Because polymorphic variants of human PC7 are being characterized, it will be important in future studies to determine their effects on additional physiological and behavioral processes

Réponses cellulaires vis-à-vis de l'exposition au cadmium chez les animaux

Most consequences of cadmium exposure arise from the interaction of the toxic metal with a range of bio-molecules and by interference with the redox homeostasis and that of other metals. Zinc is the biologically significant metal that most closely resembles cadmium. A highly Resistant Zinc (HZR) cellular subline derived from HeLa cells was investigated for its sensitivity to Cd toxicity. Over 24 hours, half maximal lethal doses of 250 and 320 µM for Cd and Zn, respectively, whereas such values are 7 et 150 µM for HeLa cells. Toxicity and resistance mechanisms were studied. Both cell lines have a similar intracellular distribution of cadmium. However, induction of endoplasmic reticulum stress or inhibition of the proteasome decrease resistance of HZR cells to cadmium exposure. Also tyrosine catabolism, may be as a way of producing melanin, is involved in adaptation to high zinc concentrations, as witnessed by analysis of high-resolution 2Dgels. Contrary to HeLa cells, HZR cells strongly limit intracellular cadmium uptake when exposed to high concentrations, whereas zinc accumulates inside cells. The responsible pathway was found to be La-sensitive. A genome-wide analysis of the HZR transcripts was carried out under the appropriate concentrations of zinc or cadmium but no individual molecules directly responsible for handling zinc or cadmium have been identified. Nevertheless, our work has contributed to define a chronological ordering of the cellular responses to zinc or cadmium exposure, starting with external metal detection at the plasma membrane. Consequences of cadmium intoxication in mammals and especially on iron homeostasis, were also investigated. Mice were given oral doses of cadmium and consequences on iron blood parameters and the IRE (Iron responsive Element)/ IRP (Iron Regulatory Proteins) system were measured. Under conditions ensuring significant accumulation of cadmium in the main target organs, no evidence for anemia and no changes in tissue IRP activities were detected, showing that anemia is a late consequence of cadmium intoxication.Les dommages provoqués par l'exposition au cadmium proviennent de l'inactivation de diverses bio-molécules par le métal et de l'interférence du toxique avec les homéostasies redox et de métaux essentiels comme le zinc. Une lignée cellulaire dérivée de la lignée épithéliale humaine HeLa résistante au zinc (HZR) est également résistante au cadmium sur une période de 24 heures. Les mécanismes de toxicité et de résistance ont été étudiés. La localisation du cadmium intracellulaire est semblable entre les deux lignées. Toutefois, des sollicitations accrues du réticulum endoplasmique ainsi que du protéasome dans les cellules HZR affectent la prise en charge du cadmium dans ces cellules. Une adaptation catabolique concernant la tyrosine, peut-être en rapport avec la production de mélanine, a aussi été notée en analysant des gels d'électrophorèse bi-dimensionnels de haute résolution. La résistance des cellules HZR vis-à-vis du cadmium s'explique principalement par la limitation de la concentration de cadmium intracellulaire lors d'expositions massives; au contraire du zinc qui s'accumule. Cela ne se produit pas par augmentation de l'efflux de toxique, mais par inhibition de l'influx: il semble cependant que la voie d'entrée de cadmium éteinte chez les cellules HZR soit inédite puisqu'elle ne correspond pas à des systèmes moléculaires de transport de cadmium préalablement caractérisés. Pour son identification, une analyse globale du transcriptome des cellules HZR, dans des conditions variables quant à la concentration appliquée des métaux zinc et cadmium, a indiqué que le phénotype de ces cellules est sans doute défini par modification de voies de signalisation multiples. Mais la variété des cibles de ces voies n'a pas permis d'identifier précisément les molécules participant directement à la prise en charge des métaux zinc et cadmium. Ce travail a cependant conduit à une hiérarchisation de la réponse des cellules de mammifères à l'exposition au cadmium parmi les nombreux effets décrits dans la littérature. L'intoxication au cadmium peut engendrer une anémie par perturbation de l'homéostasie du fer. Au niveau cellulaire, celle-ci est principalement assurée au niveau traductionnel par le système IRP (Iron Regulatory Proteins) / IRE (Iron Responsive Element). Les effets du cadmium sur ce système ont été étudiés dans les principaux organes de souris intoxiquées, et, pour comparaison, dans les lignées cellulaires étudiées par ailleurs dans ce travail. Bien que le cadmium s'accumule dans les reins, le foie, les intestins et dans une moindre mesure la rate, aucun signe d'anémie n'a été observé et l'activité tissulaire des IRP est restée insensible au toxique dans les conditions appliquées. Par contre, l'impact du cadmium sur le système IRP/IRE diffère entre la lignée HeLa et la lignée HZR. Si, dans les cellules HeLa, le cadmium n'active pas IRP1 mais diminue sa stabilité, dans les cellules HZR, la protéine IRP1 est initialement très active mais elle est peu sensible au cadmium. Ces résultats illustrent la versatilité des réponses à un stress cadmium suivant des conditions cellulaires très précises, en accord avec la prépondérance et la diversité des voies de signalisation sensibles au stress extracellulaire révélées pour les cellules HZR

Réponses cellulaires vis-à-vis de l'exposition au cadmium chez les animaux

Most consequences of cadmium exposure arise from the interaction of the toxic metal with a range of bio-molecules and by interference with the redox homeostasis and that of other metals. Zinc is the biologically significant metal that most closely resembles cadmium. A highly Resistant Zinc (HZR) cellular subline derived from HeLa cells was investigated for its sensitivity to Cd toxicity. Over 24 hours, half maximal lethal doses of 250 and 320 µM for Cd and Zn, respectively, whereas such values are 7 et 150 µM for HeLa cells. Toxicity and resistance mechanisms were studied. Both cell lines have a similar intracellular distribution of cadmium. However, induction of endoplasmic reticulum stress or inhibition of the proteasome decrease resistance of HZR cells to cadmium exposure. Also tyrosine catabolism, may be as a way of producing melanin, is involved in adaptation to high zinc concentrations, as witnessed by analysis of high-resolution 2Dgels. Contrary to HeLa cells, HZR cells strongly limit intracellular cadmium uptake when exposed to high concentrations, whereas zinc accumulates inside cells. The responsible pathway was found to be La-sensitive. A genome-wide analysis of the HZR transcripts was carried out under the appropriate concentrations of zinc or cadmium but no individual molecules directly responsible for handling zinc or cadmium have been identified. Nevertheless, our work has contributed to define a chronological ordering of the cellular responses to zinc or cadmium exposure, starting with external metal detection at the plasma membrane. Consequences of cadmium intoxication in mammals and especially on iron homeostasis, were also investigated. Mice were given oral doses of cadmium and consequences on iron blood parameters and the IRE (Iron responsive Element)/ IRP (Iron Regulatory Proteins) system were measured. Under conditions ensuring significant accumulation of cadmium in the main target organs, no evidence for anemia and no changes in tissue IRP activities were detected, showing that anemia is a late consequence of cadmium intoxication.Les dommages provoqués par l'exposition au cadmium proviennent de l'inactivation de diverses bio-molécules par le métal et de l'interférence du toxique avec les homéostasies redox et de métaux essentiels comme le zinc. Une lignée cellulaire dérivée de la lignée épithéliale humaine HeLa résistante au zinc (HZR) est également résistante au cadmium sur une période de 24 heures. Les mécanismes de toxicité et de résistance ont été étudiés. La localisation du cadmium intracellulaire est semblable entre les deux lignées. Toutefois, des sollicitations accrues du réticulum endoplasmique ainsi que du protéasome dans les cellules HZR affectent la prise en charge du cadmium dans ces cellules. Une adaptation catabolique concernant la tyrosine, peut-être en rapport avec la production de mélanine, a aussi été notée en analysant des gels d'électrophorèse bi-dimensionnels de haute résolution. La résistance des cellules HZR vis-à-vis du cadmium s'explique principalement par la limitation de la concentration de cadmium intracellulaire lors d'expositions massives; au contraire du zinc qui s'accumule. Cela ne se produit pas par augmentation de l'efflux de toxique, mais par inhibition de l'influx: il semble cependant que la voie d'entrée de cadmium éteinte chez les cellules HZR soit inédite puisqu'elle ne correspond pas à des systèmes moléculaires de transport de cadmium préalablement caractérisés. Pour son identification, une analyse globale du transcriptome des cellules HZR, dans des conditions variables quant à la concentration appliquée des métaux zinc et cadmium, a indiqué que le phénotype de ces cellules est sans doute défini par modification de voies de signalisation multiples. Mais la variété des cibles de ces voies n'a pas permis d'identifier précisément les molécules participant directement à la prise en charge des métaux zinc et cadmium. Ce travail a cependant conduit à une hiérarchisation de la réponse des cellules de mammifères à l'exposition au cadmium parmi les nombreux effets décrits dans la littérature. L'intoxication au cadmium peut engendrer une anémie par perturbation de l'homéostasie du fer. Au niveau cellulaire, celle-ci est principalement assurée au niveau traductionnel par le système IRP (Iron Regulatory Proteins) / IRE (Iron Responsive Element). Les effets du cadmium sur ce système ont été étudiés dans les principaux organes de souris intoxiquées, et, pour comparaison, dans les lignées cellulaires étudiées par ailleurs dans ce travail. Bien que le cadmium s'accumule dans les reins, le foie, les intestins et dans une moindre mesure la rate, aucun signe d'anémie n'a été observé et l'activité tissulaire des IRP est restée insensible au toxique dans les conditions appliquées. Par contre, l'impact du cadmium sur le système IRP/IRE diffère entre la lignée HeLa et la lignée HZR. Si, dans les cellules HeLa, le cadmium n'active pas IRP1 mais diminue sa stabilité, dans les cellules HZR, la protéine IRP1 est initialement très active mais elle est peu sensible au cadmium. Ces résultats illustrent la versatilité des réponses à un stress cadmium suivant des conditions cellulaires très précises, en accord avec la prépondérance et la diversité des voies de signalisation sensibles au stress extracellulaire révélées pour les cellules HZR

Modulation du processus neurodégénératif par le TNF-a et une cytokine apparentée, la protéine TWEAK, dans les syndromes parkinsoniens

La présence d'une réaction inflammatoire dans la maladie de Parkinson semble participer aux processus neurodégénératifs. Après avoir caractérisé un modèle animal de cette pathologie, nous avons testé cette hypothèse et plus particulièrement l' implication, dans ce modèle, du facteur de nécrose tumorale (TNF-a), présent chez les patients parkinsoniens, et d'une cytokine apparentée, la protéine TWEAK. Le TNF-a ne semble pas jouer de rôle prépondérant dans les processus dégénératifs, suggérant que la réaction inflammatoire est complexe. Par contre, TWEAK et son récepteur Fn14 sont surexprimés dans le modèle animal et chez les patients parkinsoniens. Nous avons également montré "in vitro" que TWEAK induit la prolifération des astrocytes en activant un ou plusieurs membres de la famille...PARIS5-BU-Necker : Fermée (751152101) / SudocSudocFranceF

Iron regulatory protein 1 is not an early target of cadmium toxicity in mice, but it is sensitive to cadmium stress in a human epithelial cell line.

International audienceDisruption of iron homeostasis at the levels of intestinal absorption or erythropoiesis contributes to cadmium toxicity. Cellular iron homeostasis in metazoans is maintained by the iron regulatory proteins (IRPs) that regulate the synthesis of proteins involved in the transport, use, and storage of iron. The effect of cadmium intoxication on this regulatory system has been investigated in a cellular model of human epithelium. Cadmium exposure of HeLa cells did not activate the IRPs; rather, the amount of these proteins relative to that of housekeeping proteins decreased. Accordingly, the transferrin receptor mRNA level decreased upon cadmium insult. In a more integrated investigation, separate groups of mice had free access to different doses of cadmium in drinking water for 3 weeks. Cadmium accumulated in all analyzed organs, but its concentration in mouse tissues did not correlate with changes of the activity of the IRPs. The intoxicated mice did not show any sign of anemia, indicating that iron homeostasis was not immediately disrupted after the onset of cadmium accumulation. These data establish that cadmium destabilizes IRPs in mammalian cells, but that iron imbalance is not an early event of cadmium intoxication

Réponses cellulaires vis-à vis de l exposition au cadmium chez les animaux

Les conséquences de l'exposition au cadmium sont l'inactivation de diverses bio-molécules et son interférence avec les homéostasies de métaux essentiels comme le zinc. Une lignée cellulaire fortement résistante au zinc (HZR), dérivée de la lignée épithéliale HeLa est résistante au Cd. Des sollicitations accrues du réticulum endoplasmique affectent la résistance des cellules HZR. Une adaptation catabolique concernant la tyrosine, en rapport avec la production de mélanine, a aussi été notée suite aux analyses protéomiques. La résistance des cellules HZR vis-à-vis du Cd est due à la limitation de Cd intracellulaire. Cela ne se produit pas par augmentation de l'efflux de toxique, mais par inhibition de l'influx dont la voie d'entrée semble inédite. Pour son identification, une analyse globale du transcriptome des cellules HZR a indiqué la modification de multiples voies de signalisation. Le Cd peut engendrer une anémie par perturbation de l'homéostasie du fer. Au niveau cellulaire, elle est assurée au niveau traductionnel par le système IRP (Iron Regulatory Proteins)!IRE (Iron Responsive Element). Des souris intoxiquées au Cd par voie orale, n'ont pas montré d'anémie et l'activité tissulaire des IRP est restée insensible bien que le Cd se soit accumulé dans ces organes. Dans les cellules HeLa, le Cd diminue la stabilité d'IRPI au contraire des cellules HZR. Les réponses suite à un stress Cd dépendent des conditions cellulaires, en accord avec la prépondérance et la diversité des voies de signalisation sensibles au stress extracellulaire révélées pour les cellules HZR.Most consequences of cadmium exposure arise from the interaction with a range of bio-molecules and by interference with homeostasis of other metals. Zinc is the biologically metal that most closely resembles Cd. A High Resistant Zinc (HZR) cellline derived from HeLa cells was found to be resistant to Cd toxicity. The induction of endoplasmic reticulum stress decreases resistance of HZR cells to Cd exposure. Also tyrosine catabolism, may be as a way of producing melanin, is involved in adaptation to high zinc concentrations, as witnessed by proteomic analysis. The Cd resistance of HZR cells is due to the limitation of intracellular cadmium. The over-expression of major efflux pumps was not responsible for expelling Cd from HZR cells. Instead, Cd uptake was limited by a not already known Cd transporters characterized in other cell types. A genome-wide analysis of the HZR transcripts underlines a series of signalisation pathways in which the number of cellular components that are sensitive is too large to identify individual molecules directly responsible for handling zinc or Cd. ln mammals, Cd intoxication could lead to anemia. At the cellular level, iron homeostasis is regulated at the translational level by the IRE (Iron Responsive Element)! IRP (Iron Regulatory Proteins) system. Mice, orally treated with Cd, show neither anemia nor changes in tissue IRP activities, although significant accumulation of Cd in these organs. ln HeLa cells Cd decreases the IRPI stability, contrary to the HZR cells. The cellular responses to Cd depend on the cellular conditions, most probably by the interplay among the signalling cascades evidenced in the HZR transcriptomic studies.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Post-transcriptional regulation of cellular iron homeostasis in metazoans

International audienc