Signaling Mechanisms and Disrupted Cytoskeleton in the Diphenyl Ditelluride Neurotoxicity

Evidence from our group supports that diphenyl ditelluride (PhTe)2 neurotoxicity depends on modulation of signaling pathways initiated at the plasma membrane. The (PhTe)2-evoked signal is transduced downstream of voltage-dependent Ca2+ channels (VDCC), N-methyl-D-aspartate receptors (NMDA), or metabotropic glutamate receptors activation via different kinase pathways (protein kinase A, phospholipase C/protein kinase C, mitogen-activated protein kinases (MAPKs), and Akt signaling pathway). Among the most relevant cues of misregulated signaling mechanisms evoked by (PhTe)2 is the cytoskeleton of neural cells. The in vivo and in vitro exposure to (PhTe)2 induce hyperphosphorylation/hypophosphorylation of neuronal and glial intermediate filament (IF) proteins (neurofilaments and glial fibrillary acidic protein, resp.) in different brain structures of young rats. Phosphorylation of IFs at specific sites modulates their association/disassociation and interferes with important physiological roles, such as axonal transport. Disrupted cytoskeleton is a crucial marker of neurodegeneration and is associated with reactive astrogliosis and apoptotic cell death. This review focuses the current knowledge and important results on the mechanisms of (PhTe)2 neurotoxicity with special emphasis on the cytoskeletal proteins and their differential regulation by kinases/phosphatases and Ca2+-mediated mechanisms in developmental rat brain. We propose that the disrupted cytoskeletal homeostasis could support brain damage provoked by this neurotoxicant

High fat diet-induced obesity causes a reduction in brain tyrosine hydroxylase levels and non-motor features in rats through metabolic dysfunction, neuroinflammation and oxidative stress

Obesity is a health problem that has been associated with neuroinflammation, decreased cognitive functions and development of neurodegenerative diseases. Parkinson’s disease (PD) is a chronic neurodegenerative condition characterized by motor and non-motor abnormalities, increased brain inflammation, α-synuclein protein aggregation and dopaminergic neuron loss that is associated with decreased levels of tyrosine hydroxylase (TH) in the brain. Diet-induced obesity is a global epidemic and its role as a risk factor for PD is not clear. Herein, we showed that 25 weeks on a high-fat diet (HFD) promotes significant alterations in the nigrostriatal axis of Wistar rats. Obesity induced by HFD exposure caused a reduction in TH levels and increased TH phosphorylation at serine 40 in the ventral tegmental area. These effects were associated with insulin resistance, increased tumor necrosis factor-α levels, oxidative stress, astrogliosis and microglia activation. No difference was detected in the levels of α-synuclein. Obesity also induced impairment of locomotor activity, total mobility and anxiety-related behaviors that were identified in the open-field and light/dark tasks. There were no changes in motor coordination or memory. Together, these data suggest that the reduction of TH levels in the nigrostriatal axis occurs through an α-synuclein-independent pathway and can be attributed to brain inflammation, oxidative/nitrosative stress and metabolic disorders induced by obesit

Envolvimento da via PLC no mecanismo de ação do T4 sobre a fosforilação das proteínas do citoesqueleto de córtex cerebral de ratos

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Efeito da homocisteína sobre a fosforilação dos filamentos intermediários de hipocampo de ratos

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Efeito do ditelureto de difenila sobre as células neurais de ratos jovens : vias de sinalização, homeostase do citoesqueleto e neurodegeneração

O telúrio é um elemento raro usado como componente industrial de muitas ligas. Estudos in vivo e in vitro demonstraram que compostos orgânicos do telúrio são neurotóxicos, entre eles podemos destacar o ditelureto de difenila [(PhTe)2]. Os efeitos provocados por esse organotelureto nos diferentes sistemas são importantes, no entanto, os observados no SNC são particularmente marcantes. Relatos têm demonstrado que o (PhTe)2 pode causar alterações no estado de fosforilação dos filamentos intermediários (FIs) neuronais e gliais, sendo os neurônios e astrócitos importantes alvos desse neurotoxicante. Considerando que o citoesqueleto é um importante alvo de neurotoxinas, nosso trabalho estudou o efeito do (PhTe)2 sobre alguns parâmetros bioquímicos do citoesqueleto neural. Ratos submetidos a uma injeção subcutânea de (PhTe)2 apresentaram alteração na fosforilação e/ou expressão das subunidades dos neurofilamentos (NF-H, NF-M e NF-L), da GFAP e da vimentina, bem como ativação das vias das MAPK e da PKA. Essas modificações são dependentes da estrutura estudada (cerebelo ou estriado) e da idade do animal. Além disso, uma única administração de (PhTe)2 em ratos jovens provocou morte neuronal e astrogliose. Quando o (PhTe)2 é administrado nas ratas mães durante os primeiros 14 dias de lactação verificamos que ocorre uma modificação no sistema fosforilante associado aos FIs nos filhotes, novamente de uma maneira estrutura (córtex cerebral, hipocampo, estrido ou cerebelo) e idade dependente. Além disso, verificou-se que esse organocalcogênio injetado nas ratas mães também age sobre as vias das MAPK e da PKA. Estudos in vitro mostraram que esse composto orgânico do telúrio causa hipofosforilação dos FIs neuronais e gliais no córtex cerebral. Esse efeito é mediado por alteração homeostase do cálcio e do glutamato, bem como pela inibição da PKA, alteração da fosforilação da proteína DARPP-32(Thr34) e ativação da PP1. No hipocampo temos uma ativação dos receptores glutamatérgicos ionotrópicos e metabotrópicos, acarretando uma alteração na homeostase do cálcio e ativação da PKC, PKCaMII e via das MAPK, conduzindo a um aumento de fosforilação dos FIs neuronais e gliais. Nossos resultados mostraram, portanto, que o (PhTe)2 altera a homeostase do citoesqueleto cerebral e que essa modificação é dependente do desenvolvimento do animal, da estrutura cerebral estudada, bem como da maneira de contato com esse neurotoxicante. Além disso, verificou-se o envolvimento de várias vias de sinalização nas ações desencadeadas pelo composto orgânico do telúrio sobre os FIs, estando elas muitas vezes interligadas. Esses resultados podem contribuir para o melhor entendimento dos mecanismos envolvidos em uma intoxicação com compostos de telúrio, sendo que o desequilíbrio do citoesqueleto pode estar associado à neurotoxicidade desse organotelureto.Tellurium is a rare element used as a component of many industrial alloys. In vivo and in vitro studies have demonstrated that organic tellurium compounds are neurotoxic. We can highlight the organic coumpoud diphenyl ditelluride [(PhTe)2]. The effects caused by this organoteluride in different systems are important, however, the effects observed in the CNS are particularly striking. Reports have shown that (PhTe)2 can induces changes in the phosphorylation state of neuronal and glial intermediate filaments (IFs). The neurons and astrocytes are important targets of this neurotoxin. Considering that the cytoskeleton is an important target for neurotoxins, the aim of the present study was studied the effect of (PhTe)2 on some biochemical parameters of the neural cytoskeleton. Rats treated with a single subcutaneous (s.c.) injection of (PhTe)2 showed changes in the phosphorylation and / or expression of neurofilament subunit (NF-H, NF-M and NF-L), GFAP and vimentin, as well as activation of the MAPK pathway and PKA. These changes are dependent on the structure studied (cerebellum or striatum) and age of the animal. Furthermore, a single administration (PhTe)2 in young rats caused neuronal death and astrogliosis. When (PhTe)2 is administered in dams during the first 14 days of lactation we observed a change in the phosphorylating system associated with IFs in pups. This effect is dependent of the structure studied and the developmental stages of the pups. Furthermore, it was found that (PhTe)2 is administered in dams during the first 14 days of lactation also acts on the MAPK pathway and in the PKA. In vitro studies showed that the organic tellurium causes hipophosphorylation of the neuronal and glial IFs proteins in the cerebral cortex. This effect is mediated by change in calcium and glutamate homeostasis, inhibition of PKA, desphosphorylation of the protein DARPP-32 (Thr34) and activation of PP1. In the hippocampus have an activation of ionotropic and metabotropic glutamatergic receptors, causing an alteration in calcium homeostasis and activation of PKC, PKCaMII and MAPK pathway, leading to increased phosphorylation of neuronal and glial IFs. The results of this work showed that the (PhTe)2 changes cytoskeletal homeostasis in brain. This modification is dependent of the animal development, the brain structure studied, as well as the way of contact with the neurotoxin. Moreover, there is the involvement of different signaling pathways in the action of (PhTe)2 and they are often interconnected. These results may contribute to a better understanding of mechanisms involved in intoxication with tellurium compounds. The imbalance of the cytoskeleton may be associated with neurotoxicity of this organochalcogenide

Efeito do tratamento in vivo com ditelureto de difenila sobre a fosforilação das proteínas do citoesqueleto e sobre a atividade da Na+, K+-ATPase em córtex cerebral e/ou hipocampo de ratos jovens

O telúrio é um elemento raro usado na indústria eletrônica como componente industrial de muitas ligas. Tanto as formas orgânicas quando as inorgânicas do telúrio são altamente tóxicas para o SNC de roedores. Neste trabalho, nós inicialmente realizamos uma curva de dose, através de uma única administração subcutânea do composto orgânico de telúrio, ditelureto de difenila, em ratos de 15 dias de idade, estabelecendo a perda de massa corporal como critério de toxicidade do composto utilizado. A partir disso, o objetivo principal do nosso trabalho foi investigar o efeito de uma única administração subcutânea do ditelureto de difenila sobre a fosforilação dos filamentos intermediários (FI) de córtex cerebral e hipocampo de ratos Wistar jovens (15 dias de idade), 1, 3 ou 6 dias após a exposição à droga. Verificamos também a capacidade do composto orgânico de selênio, o disseleneto de difenila de reverter esse efeito. Além disso, também determinamos o efeito do tratamento in vivo com o ditelureto de difenila sobre a atividade da Na+, K+ -ATPase. Os resultados obtidos mostraram que nos dias 3 e 6 após a injeção da droga, os animais injetados com 0,3 μmol/Kg de peso corporal, ou doses maiores da neurotoxina, apresentaram uma perda significativa de massa corporal, quando comparados com os animais controles. Com base nesses dados, a concentração de 0,3 μmol/Kg de peso corporal foi escolhida para a realização dos estudos posteriores. Nesse período ocorreu também um aumento da fosforilação dos neurofilamentos (FI neuronais), da proteína glial fibrilar ácida (GFAP) e da vimentina (FI gliais), no córtex cerebral dos ratos. O efeito do ditelureto de difenila sobre a fosforilação dos FI em córtex cerebral foi acompanhado por um aumento do imunoconteúdo das proteínas NF-M, NF-L e GFAP na fração citoesquelética, sugerindo um aumento de polimerização destas proteínas. Por outro lado, o aumento do imunoconteúdo da NF-L e GFAP no homogeneizado total 3 dias após a administração do ditelureto de difenila, é compatível com um aumento de expressão dessas proteínas. Porém, 6 dias após a injeção do composto verificou-se apenas um aumento do imunoconteúdo da GFAP na fração citoesquelética, assim como da subunidade de alto peso molecular dos neurofilamentos (NFH) e da GFAP no homogeneizado total de córtex cerebral. Por outro lado, no hipocampo, ocorreu um aumento de fosforilação apenas da GFAP e da vimentina, proteínas típicas de astrócitos, sendo que esse efeito só foi observado no sexto dia após a injeção da neurotoxina. Esse efeito foi acompanhado por um aumento do imunoconteúdo da GFAP na fração citoesquelética 6 dias após a exposição ao ditelureto de difenila. O efeito sobre a fosforilação das proteínas do citoesqueleto foi completamente prevenido pelo disseleneto de difenila (5 μmol/Kg de peso corporal) injetado uma única vez, 24 h após a administração do ditelureto de difenila. Além disso, também demostramos nesse trabalho que, ele é capaz de inibir a atividade da Na+, K+ -ATPase 6 dias após a administração da droga. Nossos resultados mostraram, portanto, que o ditelureto de difenila, quando administrado de forma aguda em ratos jovens, é capaz de aumentar a expressão de proteínas de FI e de afetar o sistema fosforilante associado a essas proteínas. Os dados mostraram ainda que o aparecimento desses efeito tem uma latência de 3 a 6 dias após a injeção da toxina e indicaram que o córtex cerebral é mais sensível do que o hipocampo aos efeitos do composto orgânico do telúrio. Além disso, o ditelureto de difenila é capaz de inibir a enzima Na+, K+ - ATPase cortical, reforçando a susceptibilidade do córtex cerebral à ação desta neurotoxina. Mostramos ainda neste trabalho, que o aumento de fosforilação das proteínas de FIs pode ser prevenida pelo disseleneto de difenila Com base nos resultados obtidos, pode-se supor que as alterações no citoesqueleto e a inibição da atividade da Na+, K+ -ATPase em células corticais podem estar envolvidas com a neurotoxicidade desse composto.Tellurium is a rare element used as an industrial component of many alloys and in the electronic industry. This element also is one important intermediate and/or reagent in organic synthesis. Inorganic and organic tellurium compounds are highly toxic to the CNS of rodents. In this work we initially established the toxic dose and the time-action characteristics of diphenyl ditelluride acutely injected using body weight measurements as the end point of toxicity. Considering these findings, the aim of this work was to investigate the effect of a single subcutaneous injection of organic tellurium compounds, diphenyl ditelluride, on the intermediate filament (IF) phosphorylation in cerebral cortex and hippocampus from young Wistar rats (15 day-old), 1, 3 or 6 days after injection. We also investigated if diphenyl diselenide would be able to prevent this effect. Furthermore, we verified the effect of in vivo treatment with diphenyl ditelluride on Na+-K+-ATPase activity. Results showed that at days 3 and 6 animals injected with 0.3 μmol/Kg body weight or higher doses of diphenyl ditelluride presented loss of body mass when compared with control animals. Considering this finding, we have chosen the concentration of 0.3 μmol/Kg body weight for the next experiments. We observed an hyperphosphorylation of neurofilaments (the neuronal IF) and of glial fibrillary acidic protein (GFAP) and of vimentin (Vim) (astrocyte IFs) in cerebral cortex. The effect of diphenyl ditelluride 3 days of injection on IF phosphorylation was accompanied by an increased NF-M, NF-L and GFAP immunocontent in IF-associated cytoskeletal fraction, suggesting an increase in protein polymerization. Otherwise, the stimulated GFAP, NF-L immunoreactivity in tissue homogenate suggests an increased protein synthesis. However, 6 days after the neurotoxin administration, only GFAP immunocontent increased in IF-associated cytoskeletal fraction, while GFAP and NF-H immunoreactivity was stimulated in tissue homogenate from cerebral cortex. On the other hand, in hippocampus, we observed that astrocyte IF (GFAP and Vimentin) hyperphosphorylation was accompanied by increased immunocontent of these proteins in cytoskeletal fraction at day 6 after tellurium injection. The cortical IF hyperphosphorylation induced by diphenyl ditelluride, was totally prevented by a single subcutaneous injection of diphenyl disselenide (5μmol/kg body weigth) 24h after diphenyl ditelluride administration. We also showed that beyond the effects of the in vivo treatment with diphenyl ditelluride on the cytoskeleton of cortical cells, this neurotoxin inhibited Na+-K+-ATPase activity at day 6 after drug injection. So, our results showed that a single subcutaneous injection of (PheTe)2 in young rats is able to stimulate the phosphorylation and expression of IF proteins. Moreover, our data demonstrated that effects of diphenyl ditelluride were time- and brain structure-dependent. We also verified in this work that cerebral cortex is more susceptible than hippocampus to neurotoxin injury. In addition, the diphenyl ditelluride was also able to inhibit the Na+-K+- ATPase activity. We showed also in this work that cortical IF hyperphosphorylation induced by diphenyl ditelluride was totally prevented by diphenyl disselenide Therefore, we can suppose that the observed alterations in cytoskeleton and the inhibition of the activity Na+-K+- ATPase in cortical cells may be related with the neurotoxicity of this substance

Propionic and methylmalonic acids increase cAMP levels in slices of cerebral cortex of young rats via adrenergic and glutamatergic mechanisms

AbstractWe have previously described that propionic (PA) and methylmalonic (MMA) acids increased the in vitro phosphorylation of cytoskeletal proteins through cAMP-dependent protein kinase and glutamate. In the present study we investigated the in vitro effects of 1 mM glutamate, 2.5 mM MMA and 2.5 mM PA on cAMP levels in the slices of cerebral cortex of young rats. Results showed that PA, MMA and glutamate increased cAMP levels after 30 min of incubation, while the β-adrenergic agonist epinephrine elicited a similar effect only at a shorter incubation time. Then effects were prevented by the β-adrenergic antagonist propranolol, rather than by glutamate antagonists (AP5, CNQX and MCPG), suggesting that they were mediated by β-adrenergic receptors. In addition, glutamate antagonists per se induced increased cAMP levels; however propranolol prevented only the effect elicited by the metabotropic glutamate antagonist MCPG. Taken together, it is feasible that PA and MMA increase cAMP synthesis via a β-adrenergic/G protein coupled pathway, in a glutamate-dependent manner. Although additional studies will be necessary to evaluate the importance of these observations for the neuropathology of propionic and methylmalonic acidemias, it is possible that high brain cAMP levels may contribute to a certain extent to the neurological dysfunction of the affected individuals