The role of intercellular communication and oxidative metabolism in the propagation of ionizing radiation-induced biological effects

Abstract

Les interactions coordonnées des processus moléculaires et biochimiques sont probablement impliquées dans la réponse au stress cellulaire induit par des rayonnements ionisants de transfert d'énergie linéaire (TEL) différent. Ici, nous avons étudié le rôle des jonctions de type gap et le métabolisme oxydatif dans la modulation de la mort cellulaire et la réparation des dommages potentiellement létaux (PLDR) dans des cultures a confluences de fibroblastes humains AG1522. Ces cultures ont été exposées à des protons d'énergie 1 GeV (TEI.r-0,2 keV/μm), des rayons y de 137Cs (TEL-0,9 keV/μm), des particules a. d'241 Am (TEL-122 keV/μm) ou des ions fer d'énergie 1 GeV/u (TEL-151 keV/μm) et à des doses où toutes les cellules exposées sont irradiées. Comme attendu, les particules a et les ions fer ont été plus à même d'induire la mort cellulaire que les protons et les rayons y. Le maintien des cellules à confluence pendant plusieurs heures après irradiation aux rayons y et aux protons favorise la survie cellulaire et diminue les dommages chromosomiques. En revanche, le fait de maintenir dans un état de confluence des cellules traversées par des particules a. pour des temps donnés différents aboutit à un accroissement de la mort cellulaire, ce qui a été associé à une augmentation des lésions de l'ADN, à l'oxydation des protéines et à la peroxydation lipidique. D'autre part, l'inhibition des jonctions gap par l'acide 18-a-glycyrrhétinique ou la diminution de l'expression de la protéine connexine 43, protéine constitutive des canaux jonctionnels de ces cellules, ont un effet protecteur contre les effets toxiques des radiations. Une sur-régulation des protections antioxydantes par une surexpression anormale de la glutathion peroxydase protège les cellules contre les effets toxiques lorsque celles-ci sont analysées peu après l'exposition. Toutefois, cela n'a pas atténué la diminution de la survie lors du maintien de cellules à l'état de confluence. L'ensemble de ces données indiquent que les dommages induits par les particules a. résultent du stress oxydant et que ces effets toxiques sont amplifiés par la communication intercellulaire dans les heures suivant l'irradiation. Cependant, la (les) molécule(s) transmise(s) n'est probablement pas un substrat de la glutathion peroxydase.

Abstract: Coordinated interactions of specific molecular and biochemical processes are likely involved in the cellular responses to stresses induced by different ionizing radiations with distinctive linear energy transfer (LET) properties. Here, we investigated the roles and mechanisms of gap junction intercellular communication and oxidative metabolism in modulating cell killing and repair of potentially lethal damage (PLDR) in confluent AG1522 human fibroblasts exposed to 1 GeV protons (LET~0.2 keV/[mu]m), [superscript 137]Cs [gamma] rays (LET~0.9 keV/[mu]m), [superscript 241]Am [alpha] particles (LET~122 keV/[mu]m) or 1 GeV/u iron ions (LET~151 keV/[mu]m) at doses by which all cells in the exposed cultures are irradiated. As expected, [alpha]-particles and iron ions were more effective than protons and [gamma] rays at inducing cell killing. Holding [gamma]- or proton-irradiated cells in the confluent state for several hours after irradiation promoted increased survival and decreased chromosomal damage. However, maintaining [alpha]-particle or iron ion-irradiated cells in the confluent state for various times prior to subculture resulted in increased rather than decreased lethality, and was associated with persistent DNA damage and increased protein oxidation and lipid peroxidation. Inhibiting gap junction communication with 18-[alpha]-glycyrrhetinic acid or by knockdown of connexin43, a constitutive protein of junctional channels in these cells, protected against the toxic effects expressed in these cells during confluent holding. Up-regulation of antioxidant defense by ectopic over-expression of glutathione peroxidase, protected against cell killing by [alpha]-particles when cells were analyzed shortly after exposure. However, it did not attenuate the decrease in survival during confluent holding. Together, these findings indicate that the damaging effect of [alpha] particles results in oxidative stress, and the toxic effects in the hours following irradiation are amplified by intercellular communication, but the communicated molecule(s) is unlikely to be a substrate of glutathione peroxidase. To further understand the role of GJIC, we tested the effect of specific connexin channel permeabilities on radiation-induced cell killing and induction of DNA damage. We used human adenocarcinoma (HeLa) cells in which specific connexins can be expressed in the absence of endogenous connexins. When exposed to protons, [gamma] rays, [alpha] particles, or iron ions, connexin26 and connexin43 channels mediated the propagation of toxic effects among irradiated cells; in contrast, connexin32 channels conferred protective effects. Collectively, these studies provide a novel mechanistic understanding of the molecular events that mediate the fate of cell populations exposed to different types of ionizing radiation. They show that the LET of the radiation significantly impacts these events. The enhancement of cell killing in the hours after exposure of tumor cells to high charge and high energy particles and or [alpha] particles support the use of these particles in cancer radiotherapy. Characterization of the molecules that are communicated through junctional channels from tumor to normal cells would help formulate countermeasures to protect normal tissues during radiotherapy. Future in vivo research would contribute to validating these concepts.