Cellular responses toward cadmium exposure in mammals
Réponses cellulaires vis-à-vis de l'exposition au cadmium chez les animaux
Résumé
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.