De androgeen receptor

Iedereen is wel bekend met het mannelijk geslachtshormoon testosteron, die zijn effecten uitoefent via de androgeen receptor (AR). Veel minder weet men echter over de details van de AR. In dit artikel zal daarom specifiek de AR worden belicht, tot in groot detail. Het zal wat moeilijker (en minder praktisch relevant) zijn dan de meeste artikelen die ik schrijf, doch hoop ik enkele die-hards die het naadje van de kous willen weten hiermee tegemoet te komen.

Introductie

De AR is een zogeheten type I kernreceptor. Kernreceptoren zijn intracellulaire receptoren (gelegen binnenin de cel), i.t.t. celmembraanreceptoren. En in het specifiek zijn de type I kernreceptoren in ongebonden staat gelegen in het cytoplasma, i.t.t. bijv. type II kernreceptoren die, ongeacht hun bindingsstaat, zich in de celkern bevinden. Kenmerkend aan de liganden van dit soort receptoren is dat zij hydrofoob zijn en dus langs het celmembraan kunnen diffunderen om bij hun receptor te komen.

Verder kenmerken type I kernreceptoren zich doordat zij actieve homodimeren (dimeer van twee dezelfde receptoren) vormen. Gevormde heterodimeren (dimeer van twee verschillende receptoren) zijn inactief of remmend voor transcriptie.

De structuur van kernreceptoren kan uitgebeeld worden in diens domeinen. Kernreceptoren bestaan uit een vijftal domeinen, te weten:

1. N-terminal domein, ook wel de A/B domeinen
2. DNA-bindend domein (DBD), ook wel het C domein
3. Het hinge domein, ook wel het D domein
4. Het ligand-bindend domein (LBD), ook wel het E domein
5. C-terminal domein, ook wel het F domein

Het N-terminal domein is het meest variabel onder de verscheidene kernreceptoren (slecht geconserveerd). Dit domein bevat de belangrijke transactivatie functie genaamd de activatie functie 1 (AF-1), die bestaat uit twee transcriptie activatie eenheden (TAU-1 en TAU-5) die verantwoordelijk zijn voor de transcriptie activiteit van de AR [2]. AF-1 is onafhankelijk van de aanwezigheid van een ligand. Verder zijn er veel locaties aanwezig op dit domein die gefosforyleerd kunnen worden, en zo de activiteit van AF-1 beïnvloeden.

Het DNA bindend domein (DBD) is i.t.t. het C-terminal domein wel sterk geconserveerd. Het domein is, zoals de naam ook doet vermoeden, verantwoordelijk voor binding met het DNA. Uniek aan kernreceptoren is dat zij twee zinkvingers bevatten in het DBD t.o.v. andere eiwitten die aan het DNA binden [4]. Het DBD herkent een zeer specifieke sequentie, gelegen in de promoter of enhancer regios van het betreffende gen. Zo’n specifieke sequentie heet een Hormone Response Element (HRE). In het kader van de androgeen receptor spreek je van een Androgen Response Element (ARE). AREs zijn palindrome sequenties (de AR bindt als homodimeer aan het DNA). In het genoom zijn inmiddels enkele honderden AREs geïdentificeerd [5].

Het hinge domein is gelegen tussen het LBD en DBD en fungeert als ‘scharnier’ (vandaar de benaming). Hierdoor kan het DBD roteren en verder bevat het ook het nucleaire localisatie signaal (NLS) die dient om de receptor langs het kernmembraan te krijgen. Een NLS is een aminozuur sequentie die herkent wordt door een draageiwit in het kernmembraan, die het complex erlangs transporteert. Dit is echter niet het enige aanwezige NLS, gezien verwijdering van dit NLS nog steeds transport langs het kernmembraan toelaat. Dit wijst er op dat er tenminste nog een NLS aanwezig is die zichzelf blootstelt bij binding van een ligand [6].

Het LBD bestaat uit twaalf alfa-helices (de meest voorkomende secundaire structuur van eiwitten, tezamen met beta-sheets). Deze helices zijn globular (globe; als een bol) gevormd, waardoor in het centrum een hydrofobe ruimte ontstaat. Deze ruimte is waar de ligand bindt. Binding van een ligand zorgt voor een comformationele verandering in de receptor; alfa-helix 12 verschuift wat. Deze verschuiving is zeer belangrijk voor recruitering van cofactoren [8]. Verder bevat het LBD de transactivatie functie AF-2, deze is i.t.t. AF-1 wel ligand afhankelijk.

Zodra een ligand (e.g. testosteron) bindt aan het LBD van de AR vormen deze samen het receptor-ligandcomplex. Het complex transloceert naar de celkern, waar het als een homodimeer bindt aan de ARE met het DBD. Verscheidene relevante cofactoren worden gerecruiteerd en transcriptie wordt in gang gezet.

Androgeen receptor en spierhypertrofie

Een van de effecten op spierhypertrofie staat los van transcriptie door de AR, maar is wel onherroepelijk verbonden aan de AR. Een theorie die mij voor het eerst bereikte via Peter van Mol die mij stukken van Karl Hoffman toestuurde. Karl Hoffman was een briljante man die natuurkunde doceerde aan Boston University en een autodidact was op vele gebieden, waaronder biochemie. Helaas heb ik nooit kennis met hem mogen maken…

Zoals eerder vermeld kan de androgeen receptor alleen als homodimeer transcriptie initiëren; heterodimeren zijn inactief of remmen zelfs in sommige gevallen transcriptie. Dit is ook gemeengoed voor de overige type I kernreceptoren, waaronder de glucocorticoid receptor (GR). De theorie luidt dat de AR heterodimeren met de GR kan vormen en zodoende dus transcriptie van de GR remt [9]. Even kort door de bocht werkt de glucocorticoid receptor katabool; inhibitie hiervan zou dus netto de eiwitsynthese stimuleren.

Bij een studie met ratten werd gekeken hoe testosteron de katabole effecten van dexamethason (DEX; een glucocorticoid steroïde) tegenging [10]. De auteurs vonden dat testosteron de door DEX geïnduceerde downregulatie van IGF-I expressie in spierweefsel voorkwam. Verder bepaalden de auteurs dat het de desfosforylatie van Akt en p70S6K tegenging en de fosforylatie van GSK-3beta bevorderde. Akt (een kinase) is een upstream regulator van mTORC1, en p70S6K (ook een kinase) ligt downstream van mTORC1 en wordt hierdoor gefosforyleerd (en zodoende geactiveerd). mTORC1 is een signaal integrator van aminozuren, energie, groeifactoren en mechanische stress en dicteert de eiwitsynthese. Androgenen hebben dus een positief effect op de canonieke IGF-1/Akt/mTORC1 pathway. In hoeverre deze effecten te relateren zijn aan bovenstaande theorie van de vorming van heterodimeren, dan wel displacement van liganden voor de GR, of een effect gemedieerd via transactivatie van de AR, is onduidelijk.

Een andere studie onderzocht ook Akt signalering in spierweefsel onder invloed van een androgeen (nandrolon) [11]. De auteurs vonden dat Akt/mTORC1 activatie werd verhoogd onder invloed van het androgeen, en FoxO3a werd onderdrukt. Deze laatste behoort tot de FoxO transcriptiefactoren, die via ubiquitine ligases (e.g. Atrogin1/MAFbx en MuRF1) proteolyse bevordert. Verder vonden de auteurs dat al bij lage concentraties testosteron (5 nM), onafhankelijk van Akt, mTOR activatie verhoogt.

Niet-genomische effecten

De traditionele denkwijze van hoe men dacht dat steroiden, en ook androgenen, hun effecten uitoefenden was dat dit ging zoals via het eerder geschreven mechanisme: de ligand bindt aan de kernreceptor, er vindt translocatie naar de celkern plaats, het complex bindt aan het DNA en transcriptie wordt geïnitieerd. Echter werd deze denkwijze aan het wankelen gebracht toen men observeerden dat steroïden ook zeer snel (in de orde van seconden/minuten) reacties in een cel teweeg bracht. Dit is veel sneller dan je zou verwachten als het via gen transcriptie gemedieerd zou zijn. Een van deze studies, uitgevoerd door Lieberherr en Grosse, toonde aan dat androgenen binnen enkele seconden een stijging in intracellulair calcium, IP3 en DAG veroorzaakte [13]. Calcium, IP3 en DAG zijn belangrijke second messengers die op hun beurt weer de activiteit van downstream kinases reguleren. De calcium kan afkomstig zijn van buiten de cel via calcium kanalen of via vrijlating uit het endoplasmatisch reticulum, de IP3 en DAG worden gevormd na het cleaven van PIP2 (een fosfolipide aanwezig in het plasmamembraan) door fosfolipase C. IP3 bindt aan zijn receptor op het membraan van het endoplasmatisch reticulum, waar het de vrijlating van calcium veroorzaakt. DAG activeert protein kinase C (PKC) die evenzo een rol speelt bij de calcium gemedieerde pathways.

Doorgaans worden deze effecten gemedieerd via G-protein coupled receptoren (GPCRs). Ook in dit geval leek dit zo te zijn; niet alle effecten worden dus gemedieerd via de AR. Deze studie werd uitgevoerd in osteoblasten, maar ook in andere celtypen is eenzelfde effect waargenomen.

Een paper die uitgebreid deze niet-genomische effecten van androgenen behandelt is geschreven door Foradori et al. [14].

Ook in een recente paper uit 2010 werd er gevonden dat androgenen een snelle response uitlokte in spierweefsel, meer specifiek op maximale isometrische kracht [15]. Er werd in deze studie dihydrotestosteron (DHT) gebruikt, dit is een niet-aromatiserende androgene steroide (kan dus niet converteren naar een oestrogeen), waarmee oestrogene effecten worden uitgesloten (al heeft DHT dan weer wel een metaboliet die aan de oestrogeen receptor kan binden). DHT zorgde voor een positief effect op maximale isometrische kracht van fast-twitch vezels en een negatief effect op de maximale isometrische kracht van slow-twitch vezels. Ook werd gemeten dat het de MAPK pathway activeerde. Deze pathway, waar de kinase ERK1/2 wordt gefosforyleerd (en zodoende geactiveerd) is o.a. een upstream regulator van mTORC1, maar daarnaast fosforyleert het ook de myosin light chain kinases die op hun beurt weer de regulatory myosin light chain fosforyleert, wat het effect op de maximale isometrische kracht verklaart. Het lijkt er dus op dat androgenen via een receptor anders dan de reguliere AR, ook een snel positief effect hebben op krachtprestaties (alleszins in fast-twitch vezels). Dit heeft belangrijke implicaties voor o.a. doping gebruik.

Conclusie

De androgeen receptor is een type I kernreceptor die als homodimeer gen expressie reguleert na binding van een ligand. De binding van een ligand zorgt voor de translocatie naar de celkern vanuit het cytoplasma waarna het complex bindt aan het DNA met het DBD. Vervolgens vindt er recruitering van relevante cofactoren plaats. Uitgebreide artikelen die dit behandelen zijn geschreven door Heemers en Tindall [16], en Heinlein en Chang [17]. Deze effecten die door gen expressie plaatsvinden zijn genomische effecten.

Ook vinden er niet-genomische effecten plaats die, i.t.t. de genomische effecten snel plaatsvinden en niet via gen expressie tot uiting komen. Sterker nog, ze worden tenminste ten delen gemedieerd via een GPCR i.p.v. de traditionele AR. Tot deze niet-genomische effecten behoort o.a. een positief effect op maximale isometrische kracht van fast-twitch vezels.

Referenties

1. Aranda, Ana, and Angel Pascual. “Nuclear hormone receptors and gene expression.” Physiological reviews 81.3 (2001): 1269-1304.
2. Jenster, Guido, et al. “Identification of two transcription activation units in the N-terminal domain of the human androgen receptor.” Journal of Biological Chemistry 270.13 (1995): 7341-7346.
3. Anbalagan, Muralidharan, et al. “Post-translational modifications of nuclear receptors and human disease.” Nuclear Receptor Signaling 10 (2012).
4. Mangelsdorf, David J., et al. “The nuclear receptor superfamily: the second decade.” Cell 83.6 (1995): 835-839.
5. Horie-Inoue, Kuniko, et al. “Identification and functional analysis of consensus androgen response elements in human prostate cancer cells.” Biochemical and biophysical research communications 325.4 (2004): 1312-1317.
6. MacLean, Helen E., Garry L. Warne, and Jeffrey D. Zajac. “Localization of functional domains in the androgen receptor.” The Journal of steroid biochemistry and molecular biology 62.4 (1997): 233-242.
7. He, Bin, et al. “Structural basis for androgen receptor interdomain and coactivator interactions suggests a transition in nuclear receptor activation function dominance.” Molecular cell 16.3 (2004): 425-438.
8. Matsumoto, Takahiro, et al. “The androgen receptor in health and disease.” Annual review of physiology 75 (2013): 201-224.
9. Chen, Sei-yu, et al. “Androgen and Glucocorticoid Receptor Heterodimer Formation A POSSIBLE MECHANISM FOR MUTUAL INHIBITION OF TRANSCRIPTIONAL ACTIVITY.” Journal of Biological Chemistry 272.22 (1997): 14087-14092.
10. Yin, Hui-Nan, et al. “Regulation of signaling pathways downstream of IGF-I/insulin by androgen in skeletal muscle of glucocorticoid-treated rats.” The Journal of Trauma and Acute Care Surgery 66.4 (2009): 1083-1090.
11. White, James P., et al. “Testosterone regulation of Akt/mTORC1/FoxO3a signaling in skeletal muscle.” Molecular and cellular endocrinology (2012).
12. Schiaffino, Stefano, and Cristina Mammucari. “Regulation of skeletal muscle growth by the IGF1-Akt/PKB pathway: insights from genetic models.” Skelet Muscle 1.4 (2011): 232-6.
13. Lieberherr, M., and B. Grosse. “Androgens increase intracellular calcium concentration and inositol 1, 4, 5-trisphosphate and diacylglycerol formation via a pertussis toxin-sensitive G-protein.” Journal of Biological Chemistry 269.10 (1994): 7217-7223.
14. Foradori, C. D., M. J. Weiser, and R. J. Handa. “Non-genomic actions of androgens.” Frontiers in neuroendocrinology 29.2 (2008): 169-181.
15. Hamdi, M. M., and G. Mutungi. “Dihydrotestosterone activates the MAPK pathway and modulates maximum isometric force through the EGF receptor in isolated intact mouse skeletal muscle fibres.” The Journal of physiology 588.3 (2010): 511-525.
16. Heemers, Hannelore V., and Donald J. Tindall. “Androgen receptor (AR) coregulators: a diversity of functions converging on and regulating the AR transcriptional complex.” Endocrine reviews 28.7 (2007): 778-808.
17. Heinlein, Cynthia A., and Chawnshang Chang. “Androgen receptor (AR) coregulators: an overview.” Endocrine reviews 23.2 (2002): 175-200.