Direction des sciences du vivant

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) a principalement été utilisée dans ce travail pour évaluer si l'acclimatation à de fortes concentrations en zinc provoquait une résistance vis-à-vis du cadmium. C'est le cas sur une période de 24 heures, puisque la concentration engendrant 50% de mortalité est de 250 µM pour le cadmium et de 320 µM pour le zinc. Pour les cellules HeLa, ces valeurs sont de 7 et 150 µM, respectivement.
Les mécanismes de toxicité et de résistance ont été étudiés. Bien que la production d'espèces réactives de l'oxygène et le besoin en glutathion soient plus importants pour les cellules HZR, l'ADN et le protéome de ces cellules ne sont pas plus oxydés que ceux des cellules HeLa. 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.
Des pistes pour son identification ont été recherchées par une analyse globale du transcriptome des cellules HZR dans des conditions variables quant à la concentration appliquée des métaux zinc et cadmium. Ces études ont 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 par le système IRP (Iron Regulatory Proteins) / IRE (Iron Responsive Element) qui agit sur la traduction de protéines importantes dans la gestion du fer. 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.

Most consequences of cadmium exposure arise from the interaction of the toxic metal with a range of bio-molecules and by interference with the homeostasis of other metals (Ca, Zn, Fe…). Zinc is the biologically significant metal that most closely resembles cadmium. A highly Resistant Zinc (HZR) subline derived from HeLa cells was investigated for its sensitivity to Cd toxicity.
Viability of HZR was very high, with 24 h-lethal doses at half maximum of 250 and 320 µM for Cd and Zn, respectively. Corresponding values were 7 and 150 µM for HeLa cells. HZR implement specific mechanisms to limit the intracellular Cd. This contrasts with Zn that accumulates in HZR cells. In previous work, zinc role in oxidative stress and in apoptosis pathways was examined. Its anti-oxidative properties have been evidenced and implied the metallothioneins expression. Zinc owns an ambiguous role because, as cadmium, zinc is able to interfere with iron fixation sites. The release of iron in intracellular medium may trigger oxidative stress.
Cells exposed to cadmium may display oxidative DNA damage under various conditions. Cadmium exposed cells were analysed with the Comet assay and they were subjected to the accurate and sensitive HPLC-EC assay to determine the level of 8-oxodGua. At a given sub-lethal cadmium concentration, DNA damage is higher in HeLa cells as compared to HZR cells, but no significant differences were seen. Similarly, no differences were for the concentration of 8-oxodGua.
Therefore, decreased DNA damage is not a contributing mechanism to HZR resistance to high cadmium concentrations. Furthermore DNA of HZR and HeLa cells is fairly well protected from high cadmium exposure as weak levels of oxidized bases were found after 24 hours.
Iron homeostasis is assured in post-transcriptionnal level in mammals by IRE (Iron responsive Element)/ IRP (Iron Regulatory Proteins). IRP1 is a bifunctional protein; in iron-replete cells, IRP1 contains a [4Fe-4S] cluster and it functions as cytosolic aconitase, interconverting citrate and isocitrate, whereas when the Fe-S cluster is absent, IRP1 apoprotein binds IREs with high affinity. Unlike IRP1, IRP2 undergoes iron-dependent degradation in iron-replete cells.
The effects of cadmium on iron homeostasis were studied in mice and in Hela and HZR epithelial cell lines.
Finally the differences of intracellular cadmium concentration between both cell lines were investigated. Increased expression of major efflux pumps was not responsible for expelling Cd from HZR cells. Instead, Cd uptake was limited. The responsible pathway is La-sensitive, and it does not appear identical with known Cd transporters. Further identification of this pathway is underway.