Comparaison des mécanismes de toxicité redox du cadmium, du cuivre et du zinc : place des métallothionéines et de p53

Abstract

DNA damage induced by cadmium (Cd) come not only from various antioxidant molecules inactivation, but also from the interference of this metal with other systems involved an alteration of essential metals homeostasis such as zinc (Zn) and copper (Cu). To understand the involvement of oxidative stress in the mechanisms of toxicity induced by metals, we analyzed their impact on antioxidant balance (biomarkers of oxidative stress, the major antioxidant enzymes activities, synthesis of other antioxidants factors such as metallothionein and glutathione) of two cellular lines, a cell line derived from human keratinocytes and immortalized by p53 gene mutation (HaCaT), and a line issue of rat glioblastoma (C6). Our results are in favour of prooxidant effects. The results showed that the 3 metals affect the cells redox status. This is revealed by an increased of oxidized glutathione level (GSSG), MDA level, inducing DNA damage, and not only a decrease in protein thiols groups (SH) levels, glutathione (GSH) level, but also glutathione peroxidase (GPx), catalase (CAT), glutathione reductase (GRase) and superoxide dismutases (SODs) activities. The metals impact on the antioxidant enzymes activities is accompanied by an increase in free radicals concentrations such as the hydroxyl radical, which can initiates lipid peroxidation; proteins, GSH oxidation and DNA damage.Unlike other metals, Cd up 50 µM has a relatively low toxicity in HaCaT cells. This resistance is mainly explained by the presence of metallothionein (MTs) in basal state on the one hand and a synthesis of GSH and MTs induced by Cd on the other hand. The MT expression induced by Cd, Cu or Zn and MTs nuclear translocation suggests DNA protection role of these MTs against oxidative damage. The expression of MTs is regulated not only by a synthesis metals-induced but also by the GSH and p53 protein levels whose mutation has an impact on intracellular MTs levels and impact on HaCaT resistance to Cd.These studies indicate that the imbalance between inhibition of antioxidants activities and synthesis of other factors such as GSH and MTs is strongly involved in metals toxicities. This imbalance is the cause of the oxidative stress increasing and explains the C6 cells sensitivity and high mortality induced by Cd. In these C6 cells, the antioxidant enzymes activities, GSH and MTs levels decrease at 20 μM Cd and 475 µM Cu. This decrease is accompanied by an increased cell death. The cell death obtained after incubation with Cd, Cu or Zn is dose-dependent and very different between C6 and HaCaT lines. Indeed, HaCaT cells in the presence of Cd and Cu have a nonapoptotic death while C6 cells, incubated with Cd, die via a p53-dependent apoptosis.Les dommages engendrés par l'exposition au cadmium (Cd) proviennent non seulement de l'inactivation de diverses molécules antioxydantes mais aussi de l'interférence du métal avec d'autres systèmes impliqués dans la régulation de l'homéostasie redox et de l'homéostasie de métaux essentiels comme le zinc (Zn) et le cuivre (Cu). Afin de mieux comprendre l'implication du stress oxydant dans les mécanismes de toxicité induits par ces métaux de transition, nous avons analysé leur impact sur la balance antioxydante (biomarqueurs de stress oxydant, activités des principales enzymes antioxydantes, synthèse d'autres facteurs antioxydants comme les métallothionéines, le glutathion intracellulaire) de deux lignées cellulaires ; une lignée cellulaire dérivée de kératinocytes humains et immortalisée par mutation du gène p53 (HaCaT); ainsi qu'une lignée issue du glioblastome de rat (C6). Nos résultats sont en faveur d'un effet globalement pro-oxydant. Ils montrent que les 3 métaux affectent le statut redox des cellules. Ceci est révélé par une augmentation du taux de glutathion oxydé (GSSG), du taux de MDA, des lésions de l'ADN, et une décroissance non seulement du taux des thiols protéiques (SH), de glutathion (GSH) mais aussi des activités glutathion peroxydase (GPx), catalase (CAT), glutathion réductase (GRase) et des superoxydes dismutases (SODs). L'impact des métaux sur les activités des enzymes antioxydantes s'accompagne d'une augmentation de la quantité de radicaux libres comme le radicale hydroxyle qui peut initier la peroxydation lipidique, ainsi que l'oxydation des protéines, du GSH et de l'ADN.Contrairement aux autres métaux, le Cd présente une toxicité relativement faible dans les cellules HaCaT pour des concentrations inférieures ou égales à 50 µM. Cette résistance s'explique principalement par la présence des métallothionéines (MTs) à l'état basal d'une part et par une synthèse induite par le Cd du GSH et des MTs d'autre part. L'induction des MTs par le Cd, le Cu ou le Zn et leur redistribution nucléaire fait de ces protéines un acteur prépondérant dans la protection du génome contre les dommages oxydatifs. L'expression des MTs est régulée non seulement par une synthèse induite par les métaux mais aussi par le GSH et la protéine p53 dont la mutation a un impact sur le taux intracellulaire de MTs et sur la résistance des HaCaT au Cd. Ces études indiquent que le déséquilibre entre l'inhibition des activités antioxydantes et la synthèse des facteurs comme le GSH et les MTs est très impliqué dans la toxicité des métaux. C'est ce déséquilibre qui est à l'origine de l'augmentation du stress oxydant et qui explique la sensibilité et la forte mortalité des cellules C6 induite par le Cd. En effet dans ces cellules, les activités des enzymes antioxydantes et les taux de GSH et de MTs diminuent dès 20 µM. Cette diminution s'accompagne d'une mort cellulaire accrue. La mort cellulaire obtenue après incubation avec le Cd, le Cu ou le Zn est dose-dépendante et très différente entre les lignées C6 et HaCaT. En effet, les cellules HaCaT en présence de Cd ou de Cu présentent une mort non apoptotique alors que les cellules C6, incubées avec le Cd, meurent par une voie apoptotique p53-dépendante