Intermediate Filaments as a Target of Signaling Mechanisms in Neurotoxicity

In this chapter, we deal with the current knowledge and important results on the cytoskeletal proteins and their differential regulation by kinases/phosphatases and Ca2+‐mediated mechanisms in developmental rat brain. We focus on the misregulation of the phosphorylating system associated with intermediate filament proteins of neural cells and its relevance to cell and tissue dysfunction. Taking into account our findings, we propose that intermediate‐filament proteins are dynamic structures whose regulation is crucial for proper neural cell function. Given their relevance, they must be regulated in response to extracellular and intracellular signals. The complexity and connection between signaling pathways regulating intermediate‐filament dynamics remain obscure. In this chapter, we get light into some kinase/phosphatase cascades downstream of membrane receptors disrupting the dynamics of intermediate filaments and its association with neural dysfunction. However, intermediate filaments do not act individually into the neural cells. Our results evidence the importance of misregulated cytoskeletal crosstalk in disrupting cytoskeletal dynamics and cell morphology underlying neural dysfunction in experimental conditions mimicking metabolic diseases and nongenomic actions of thyroid hormones and as an end point in the neurotoxicity of organic tellurium

Efeito do 3,5,3' -triiodo-l-tironina nas proteínas dos filamentos intermediários de testículos de ratos durante o desenvolvimento sexual

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências da Saúde. Programa de Pós-Graduação em Farmácia.As células de Sertoli têm um importante papel no desenvolvimento e na manutenção da espermatogênese em testículos de mamíferos. A expressão de receptores funcionais para T3 no testículo e a demonstração de que este hormônio afeta as funções das células de Sertoli sugerem estas células como um modelo para o estudo da regulação hormonal das proteínas do citoesqueleto. Foram descritos vários estudos sobre os efeitos dos hormônios da tireóide na proliferação e diferenciação das células de Sertoli. Entretanto, ainda não forma descritas as ações do T3 especificamente no citoesqueleto testicular durante o desenvolvimento sexual de ratos. Os objetivos deste trabalho foram estudar a ontogenia da vimentina, o efeito dos tratamentos in vivo e in vitro com T3 no imunoconteúdo e na incorporação in vitro de 32P ortofosfato na vimentina em testículos de rato durante o desenvolvimento sexual, avaliar os efeitos do tratamento in vivo com T3 nos níveis séricos dos hormônios tireoidianos, do TSH e do triacilglicerol nas fases imatura, púbere e adulta e avaliar as alterações morfológicas causadas pelo tratamento in vivo nos túbulos seminíferos na fase imatura. Para a ontogenia do imunoconteúdo e da fosforilação da vimentina, e para os estudos de tratamento in vitro foram utilizados ratos de 15, 35 e 45 dias de idade. No estudo dos efeitos in vivo foram utilizados ratos de 8, 28 e 38 dias de idade que foram tratados com T3 80 µg/Kg de peso corporal durante 7 dias consecutivos, até atingirem os 15, 35 e 45 dias respectivamente. No dia do experimento o sangue foi coletado para as determinações dos níveis hormonais e de triacilglicerol. O tratamento in vivo com hormônio T3 produziu alterações no níveis de T3, T4, TSH e triacilglicerol condizentes com um estado de hipertireoidismo induzido. Para análise morfológica, um testículo foi fixado para microscopia óptica e o contralateral para eletrônica. A fração citoesquelética enriquecida em filamentos intermediários foi obtida, e o imunoconteúdo e a incorporação in vitro de ortofosfato radioativo forma quantificados por densitometria óptica da banda correspondente à vimentina, Os estudos morlógicos apresentaram túbulos seminíferos mantendo a integridade funcional e estrutural de epitélio seminífero com lúmen tubular formado. Nas células de Sertoli da ratos tratados, observou-se aumento na quantidade de retículo endoplasmático rugoso, aparelho de Golgi mais desenvolvido e presença de lipídeos dispersos dentro e fora das células, indicando que a célula estava com intensa atividade de síntese e processamento de proteínas e que o tratamento estimulou a maturação celular. Os resultados também demonstraram que a vimentiva é expressa ao longo do desenvolvimento sexual, onde o imunoconteúdo diminui da fase imatura para a púbere e volta a aumentar na idade adulta. Tanto o tratamento in vivo quanto in vitro com o hormônio promoveram aumento no imunoconteúdo e na fosforelação da vimentina de testículos de retos nas fases imatura e adulta do desenvolvimento sexual. Nos estudos do efeito in vitro, demonstrou-se que a dose de 0,1 µM de T3 estimulou a fosforilação sem afetar o imunoconteúdo da vimentina, enquanto a dose de 100 µM apresentou o efeito oposto. Todavia, as doses intermediárias (1 µM e 10 µM) induziram aumento na fosforilação e no imunoconteúdo da vimentina insolúvel em Triton X-100. O T3 pode estar envolvido em uma variedade de processos que regulam a organização do citoesqueleto ou com os elementos envolvidos em transdução de sinais intracelulares. Nossos resultados sugerem que durante a maturação sexual, os mecanismos de regulação hormonal são importantes no equilíbrio entre polimerização e despolimerização dos filamentos intermediários de testículos de ratos. Desse modo, os mecanismos pelos quais o T3 estimula a fosforilação e o imunoconteúdo da vimentina parecem envolver diretamente atividade de quinases e/ou fosfatases mediando vias de transdução de sinais

Mechanisms underlying the neurotoxicity induced by glyphosate-based herbicide in immature rat hippocampus: Involvement of glutamate excitotoxicity

AbstractPrevious studies demonstrate that glyphosate exposure is associated with oxidative damage and neurotoxicity. Therefore, the mechanism of glyphosate-induced neurotoxic effects needs to be determined. The aim of this study was to investigate whether Roundup® (a glyphosate-based herbicide) leads to neurotoxicity in hippocampus of immature rats following acute (30min) and chronic (pregnancy and lactation) pesticide exposure. Maternal exposure to pesticide was undertaken by treating dams orally with 1% Roundup® (0.38% glyphosate) during pregnancy and lactation (till 15-day-old). Hippocampal slices from 15 day old rats were acutely exposed to Roundup® (0.00005–0.1%) during 30min and experiments were carried out to determine whether glyphosate affects 45Ca2+ influx and cell viability. Moreover, we investigated the pesticide effects on oxidative stress parameters, 14C-α-methyl-amino-isobutyric acid (14C-MeAIB) accumulation, as well as glutamate uptake, release and metabolism. Results showed that acute exposure to Roundup® (30min) increases 45Ca2+ influx by activating NMDA receptors and voltage-dependent Ca2+ channels, leading to oxidative stress and neural cell death. The mechanisms underlying Roundup®-induced neurotoxicity also involve the activation of CaMKII and ERK. Moreover, acute exposure to Roundup® increased 3H-glutamate released into the synaptic cleft, decreased GSH content and increased the lipoperoxidation, characterizing excitotoxicity and oxidative damage. We also observed that both acute and chronic exposure to Roundup® decreased 3H-glutamate uptake and metabolism, while induced 45Ca2+ uptake and 14C-MeAIB accumulation in immature rat hippocampus. Taken together, these results demonstrated that Roundup® might lead to excessive extracellular glutamate levels and consequently to glutamate excitotoxicity and oxidative stress in rat hippocampus

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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Ações dos hormônios tireoidianos sobre o sistema reprodutor e o sistema nervoso central : vias de sinalização, mecanismos de ação e modulação do citoesqueleto

Os hormônios da tireóide (HT) têm sido descritos agindo em sítios nucleares e extranucleares, induzindo respostas celulares através de diversos mecanismos. Também tem sido reportado que as proteínas do citoesqueleto são alvos para os HT durante o desenvolvimento do testículo e do sistema nervoso. Os efeitos dos HT durante o desenvolvimento são mediados principalmente por receptores nucleares modulando a expressão gênica. Entretanto, há diversas evidências de mecanismos não genômicos dos HT associados a vias de sinalização ativadas por Ca2+ e proteínas quinases. Nesse contexto, nosso estudo investigou as ações genômicas e não genômicas dos HT em células testiculares e neurais durante o desenvolvimento. Nós inicialmente demonstramos o envolvimento de mecanismos mediados por Ca2+ na fosforilação da vimentina induzida por T3 em testículos de ratos imaturos através de mecanismos independentes da síntese de proteínas. Também observamos um acúmulo de vimentina fosforilada em testículos de ratos hipertireoideos, podendo ser conseqüência da ativação da ERK regulando o citoesqueleto. Nós ainda demonstramos um aumento no metabolismo basal através da medida do consumo de O2 e dos níveis de TBARS. Além disso, as defesas antioxidantes enzimáticas e não enzimáticas modificaram-se aparentemente de acordo com o aumento no consumo de O2. E Esses resultados corroboram com a idéia de que um aumento na geração de ROS induz estresse oxidativo e pode ser responsável pelas alterações bioquímicas envolvidas no aumento da capacidade metabólica em testículos de ratos hipertireoideos. Além disso, o hipotireoidismo inibiu a atividade das NTPDases em culturas de células de Sertoli sem alterar a expressão das NTPDases 1, 2 e 3. Os HT modificaram a atividade NTPDásica, provavelmente através de mecanismos não genômicos e, consequentemente, podem influenciar a função reprodutiva durante o desenvolvimento. Considerando-se os efeitos dos HT em células neurais, nós primeiramente demonstramos que T3 e T4 estimularam a fosforilação dos filamentos intermediários (FI) através de mecanismos GABAérgicos via PKA e PKCaMII em córtex cerebral de ratos de 10 dias de idade. A dependência de PKA, PKC e canais de Ca2+ tipo-L e -T também foi evidenciada no efeito dos HT sobre a captação de 45Ca2+. Surpreendentemente, em córtex cerebral de ratos de 15 dias de idade, apenas o T4 estimulou a fosforilação dos FIs. Os mecanismos envolvidos na ação do T4 sobre o citoesqueleto dependem da ativação de um receptor acoplado a proteínas Gi, além da participação da PLC, PKC, MAPK, PKCaMII e níveis intracelulares de Ca2+. Estes dados demonstram que o T4 tem importantes funções fisiológicas modulando o citoesqueleto de células neurais durante o desenvolvimento. Nós também demonstramos a reorganização e a fosforilação do citoesqueleto induzidas por HT em células de glioma C6 e astrócitos, e a participação da via de sinalização da RhoA mediando a ação hormonal. Concluindo, nossos resultados evidenciaram ações genômicas e não genômicas dos HT promovendo a fosforilação dos FI, reorganização do citoesqueleto, influxo de Ca2+ e modulação da atividade das NTPDases via mecanismos mediados por Ca2+ e proteínas quinases. Estes resultados podem contribuir para o melhor entendimento dos mecanismos envolvidos nas desordens observadas no hipo e hipertireoidismo durante o desenvolvimento e maturação do cérebro e do testículo.Thyroid hormones (TH) have been shown to act at nuclear and extra nuclear sites, inducing cell responses by several mechanisms. It has also been reported that cytoskeletal proteins are a target for TH during hormone-induced differentiation and development of nervous system and testicular cells. The developmental effects of TH are mainly mediated by nuclear receptors regulating gene expression. However, there are increasing evidences of nongenomic mechanisms of TH associated with kinase- and Ca2+-activated signaling pathways. In this context, our study investigated the genomic and nongenomic actions of TH on testicular and neural cells from developing rats. We first described the involvement of Ca2+-mediated mechanisms on vimentin phosphorylation induced by T3 in immature rat testis. This effect was demonstrated to be independent of protein synthesis. Furthermore, we observed an accumulation of phosphorylated vimentin in hyperthyroid rat testes, which could be a consequence of the extracellular-regulated kinase (ERK) activation regulating the cytoskeleton. We also demonstrate increased basal metabolic rate, measured by tissue oxygen consumption, as well as, increased TBARS levels. Moreover, the enzymatic and non-enzymatic antioxidant defences were modified apparently to respond according to the augmented oxygen consumption. These results support the idea that an increase in mitochondrial ROS generation, underlying cellular oxidative damage, is a side effect of hyperthyroid-induced biochemical changes by which rat testis increase their metabolic capacity. In addition, hypothyroidism inhibited NTPDase activity in Sertoli cell cultures from young rats without alter the expression of NTPDase 1, 2 and 3. Our findings also demonstrate that TH modifies the NTPDase activities, probably via non-genomic mechanisms and consequently may influence the reproductive function throughout development. Concerning the effect of TH on neural cells, we first demonstrate that T3 and T4 stimulate the intermediate filament (IF) phosphorylation through PKA, PKCaMII and GABAergic mechanisms in cerebral cortex of 10 day-old rats. The dependence of PKA, PKC, L- and T-type Ca2+ channels were also evidenced on the effect of TH on 45Ca2+ uptake. Surprisingly, in cerebral cortex of 15 day-old rats, only T4 stimulate IF phosphorylation. The mechanisms underlying the action of T4 involve the activation of a Gi-protein coupled receptor. Moreover, we showed the participation of PLC, PKC, MAPK, PKCaMII and intracellular Ca2+ levels mediating the effects of T4 on the cytoskeleton. These findings demonstrate that T4 have important physiological roles modulating the cytoskeleton of neural cells during development. We further demonstrate that TH induce cytoskeleton reorganization and phosphorylation in C6 glioma cells and astrocytes and the participation of RhoA signaling pathway mediating this action. In conclusion, our results evidence genomic and nongenomic actions of TH promoting IF phosphorylation, cytoskeletal reorganization, Ca2+ influx and modulation of NTPDase activity by Ca2+- and kinase-mediated mechanisms. These results may contribute to a better knowledge of the mechanisms involved in the disorders observed in hyper and hypothyroidism during brain and testis maturation and development

Ações dos hormônios tireoidianos sobre o sistema reprodutor e o sistema nervoso central : vias de sinalização, mecanismos de ação e modulação do citoesqueleto

Os hormônios da tireóide (HT) têm sido descritos agindo em sítios nucleares e extranucleares, induzindo respostas celulares através de diversos mecanismos. Também tem sido reportado que as proteínas do citoesqueleto são alvos para os HT durante o desenvolvimento do testículo e do sistema nervoso. Os efeitos dos HT durante o desenvolvimento são mediados principalmente por receptores nucleares modulando a expressão gênica. Entretanto, há diversas evidências de mecanismos não genômicos dos HT associados a vias de sinalização ativadas por Ca2+ e proteínas quinases. Nesse contexto, nosso estudo investigou as ações genômicas e não genômicas dos HT em células testiculares e neurais durante o desenvolvimento. Nós inicialmente demonstramos o envolvimento de mecanismos mediados por Ca2+ na fosforilação da vimentina induzida por T3 em testículos de ratos imaturos através de mecanismos independentes da síntese de proteínas. Também observamos um acúmulo de vimentina fosforilada em testículos de ratos hipertireoideos, podendo ser conseqüência da ativação da ERK regulando o citoesqueleto. Nós ainda demonstramos um aumento no metabolismo basal através da medida do consumo de O2 e dos níveis de TBARS. Além disso, as defesas antioxidantes enzimáticas e não enzimáticas modificaram-se aparentemente de acordo com o aumento no consumo de O2. E Esses resultados corroboram com a idéia de que um aumento na geração de ROS induz estresse oxidativo e pode ser responsável pelas alterações bioquímicas envolvidas no aumento da capacidade metabólica em testículos de ratos hipertireoideos. Além disso, o hipotireoidismo inibiu a atividade das NTPDases em culturas de células de Sertoli sem alterar a expressão das NTPDases 1, 2 e 3. Os HT modificaram a atividade NTPDásica, provavelmente através de mecanismos não genômicos e, consequentemente, podem influenciar a função reprodutiva durante o desenvolvimento. Considerando-se os efeitos dos HT em células neurais, nós primeiramente demonstramos que T3 e T4 estimularam a fosforilação dos filamentos intermediários (FI) através de mecanismos GABAérgicos via PKA e PKCaMII em córtex cerebral de ratos de 10 dias de idade. A dependência de PKA, PKC e canais de Ca2+ tipo-L e -T também foi evidenciada no efeito dos HT sobre a captação de 45Ca2+. Surpreendentemente, em córtex cerebral de ratos de 15 dias de idade, apenas o T4 estimulou a fosforilação dos FIs. Os mecanismos envolvidos na ação do T4 sobre o citoesqueleto dependem da ativação de um receptor acoplado a proteínas Gi, além da participação da PLC, PKC, MAPK, PKCaMII e níveis intracelulares de Ca2+. Estes dados demonstram que o T4 tem importantes funções fisiológicas modulando o citoesqueleto de células neurais durante o desenvolvimento. Nós também demonstramos a reorganização e a fosforilação do citoesqueleto induzidas por HT em células de glioma C6 e astrócitos, e a participação da via de sinalização da RhoA mediando a ação hormonal. Concluindo, nossos resultados evidenciaram ações genômicas e não genômicas dos HT promovendo a fosforilação dos FI, reorganização do citoesqueleto, influxo de Ca2+ e modulação da atividade das NTPDases via mecanismos mediados por Ca2+ e proteínas quinases. Estes resultados podem contribuir para o melhor entendimento dos mecanismos envolvidos nas desordens observadas no hipo e hipertireoidismo durante o desenvolvimento e maturação do cérebro e do testículo.Thyroid hormones (TH) have been shown to act at nuclear and extra nuclear sites, inducing cell responses by several mechanisms. It has also been reported that cytoskeletal proteins are a target for TH during hormone-induced differentiation and development of nervous system and testicular cells. The developmental effects of TH are mainly mediated by nuclear receptors regulating gene expression. However, there are increasing evidences of nongenomic mechanisms of TH associated with kinase- and Ca2+-activated signaling pathways. In this context, our study investigated the genomic and nongenomic actions of TH on testicular and neural cells from developing rats. We first described the involvement of Ca2+-mediated mechanisms on vimentin phosphorylation induced by T3 in immature rat testis. This effect was demonstrated to be independent of protein synthesis. Furthermore, we observed an accumulation of phosphorylated vimentin in hyperthyroid rat testes, which could be a consequence of the extracellular-regulated kinase (ERK) activation regulating the cytoskeleton. We also demonstrate increased basal metabolic rate, measured by tissue oxygen consumption, as well as, increased TBARS levels. Moreover, the enzymatic and non-enzymatic antioxidant defences were modified apparently to respond according to the augmented oxygen consumption. These results support the idea that an increase in mitochondrial ROS generation, underlying cellular oxidative damage, is a side effect of hyperthyroid-induced biochemical changes by which rat testis increase their metabolic capacity. In addition, hypothyroidism inhibited NTPDase activity in Sertoli cell cultures from young rats without alter the expression of NTPDase 1, 2 and 3. Our findings also demonstrate that TH modifies the NTPDase activities, probably via non-genomic mechanisms and consequently may influence the reproductive function throughout development. Concerning the effect of TH on neural cells, we first demonstrate that T3 and T4 stimulate the intermediate filament (IF) phosphorylation through PKA, PKCaMII and GABAergic mechanisms in cerebral cortex of 10 day-old rats. The dependence of PKA, PKC, L- and T-type Ca2+ channels were also evidenced on the effect of TH on 45Ca2+ uptake. Surprisingly, in cerebral cortex of 15 day-old rats, only T4 stimulate IF phosphorylation. The mechanisms underlying the action of T4 involve the activation of a Gi-protein coupled receptor. Moreover, we showed the participation of PLC, PKC, MAPK, PKCaMII and intracellular Ca2+ levels mediating the effects of T4 on the cytoskeleton. These findings demonstrate that T4 have important physiological roles modulating the cytoskeleton of neural cells during development. We further demonstrate that TH induce cytoskeleton reorganization and phosphorylation in C6 glioma cells and astrocytes and the participation of RhoA signaling pathway mediating this action. In conclusion, our results evidence genomic and nongenomic actions of TH promoting IF phosphorylation, cytoskeletal reorganization, Ca2+ influx and modulation of NTPDase activity by Ca2+- and kinase-mediated mechanisms. These results may contribute to a better knowledge of the mechanisms involved in the disorders observed in hyper and hypothyroidism during brain and testis maturation and development

Long-Term Effects of Perinatal Exposure to a Glyphosate-Based Herbicide on Melatonin Levels and Oxidative Brain Damage in Adult Male Rats

Concerns have been raised regarding the potential adverse health effects of the ubiquitous herbicide glyphosate. Here, we investigated long-term effects of developmental exposure to a glyphosate-based herbicide (GBH) by analyzing serum melatonin levels and cellular changes in the striatum of adult male rats (90 days old). Pregnant and lactating rats were exposed to 3% GBH (0.36% glyphosate) through drinking water from gestational day 5 to postnatal day 15. The offspring showed reduced serum melatonin levels (43%) at the adult age compared with the control group. The perinatal exposure to GBH also induced long-term oxidative stress-related changes in the striatum demonstrated by increased lipid peroxidation (45%) and DNA/RNA oxidation (39%) together with increased protein levels of the antioxidant enzymes, superoxide dismutase (SOD1, 24%), glutamate-cysteine ligase (GCLC, 58%), and glutathione peroxidase 1 (GPx1, 31%). Moreover, perinatal GBH exposure significantly increased the total number of neurons (20%) and tyrosine hydroxylase (TH)-positive neurons (38%) in the adult striatum. Mechanistic in vitro studies with primary rat pinealocytes exposed to 50 mu M glyphosate demonstrated a decreased melatonin secretion partially through activation of metabotropic glutamate receptor 3 (mGluR3), while higher glyphosate levels (100 or 500 mu M) also reduced the pinealocyte viability. Since decreased levels of the important antioxidant and neuroprotector melatonin have been associated with an increased risk of developing neurodegenerative disorders, this demonstrates the need to consider the melatonin hormone system as a central endocrine-related target of glyphosate and other environmental contaminants

Rapid responses to reverse T₃ hormone in immature rat Sertoli cells: calcium uptake and exocytosis mediated by integrin.

There is increasing experimental evidence of the nongenomic action of thyroid hormones mediated by receptors located in the plasma membrane or inside cells. The aim of this work was to characterize the reverse T₃ (rT₃) action on calcium uptake and its involvement in immature rat Sertoli cell secretion. The results presented herein show that very low concentrations of rT₃ are able to increase calcium uptake after 1 min of exposure. The implication of T-type voltage-dependent calcium channels and chloride channels in the effect of rT₃ was evidenced using flunarizine and 9-anthracene, respectively. Also, the rT₃-induced calcium uptake was blocked in the presence of the RGD peptide (an inhibitor of integrin-ligand interactions). Therefore, our findings suggest that calcium uptake stimulated by rT₃ may be mediated by integrin αvβ₃. In addition, it was demonstrated that calcium uptake stimulated by rT₃ is PKC and ERK-dependent. Furthermore, the outcomes indicate that rT₃ also stimulates cellular secretion since the cells manifested a loss of fluorescence after 4 min incubation, indicating an exocytic quinacrine release that seems to be mediated by the integrin receptor. These findings indicate that rT₃ modulates the calcium entry and cellular secretion, which might play a role in the regulation of a plethora of intracellular processes involved in male reproductive physiology