Østrogeners molekylære virkemekanismer

Mange stoffer har østrogenlignende effekter, men både styrken og arten af det respons, en given ligand fremkalder, afhænger af en række modificerende faktorer. Der er to varianter af østrogenreceptoren, som binder ligander med forskellig affinitet, og som adskiller sig med hensyn til deres evne til at initiere ekspression fra forskellige gener. Desuden udtrykkes de to receptorsubtyper i forskellig grad i forskellige vævs- og celletyper. Samtidig inducerer hver ligand ved binding til receptorerne unikke konformationsændringer. Den antagne konformation er afgørende for efterfølgende interaktion med kofaktorer, andre transkriptionsfaktorer og DNA og dermed også for transkriptionsinitieringen og det efterfølgende cellulære respons. Derudover spiller også forekomsten af henholdsvis koaktivatorer og korepressorer samt eventuelle membranbundne receptorer en rolle i østrogenrensponset, ligesom fosforylering og den lokale kromatinstruktur kan have betydning.

Østrogener har betydning for udviklingen af nogle af de mest udbredte maligne sygdomme i den vestlige verden, blandt andet mamma- og endometriecancer. Østrogenmangel spiller en væsentlig rolle i udviklingen af osteoporose, mens dens betydning for demens og ikke mindst iskæmisk hjertesygdom fortsat er kontroversiel. Langtidsbehandling med ekvine østrogener og medroxyprogesteronacetat blev således i Women's Health Initiative [1] vist at føre til en knap 30% øget forekomst af akut myokardieinfarkt. Uønskede østrogenlignende stoffer i omgivelserne er samtidig en kilde til vedvarende bekymring og diskussion i offentligheden.

I denne artikel fokuseres der på de molekylære mekanismer bag specielt de eksogene østrogeners virkning. En forståelse heraf er en forudsætning for udviklingen af specifikt virkende medikamenter og for vurdering af risikoen ved industrielle østrogener og fytoøstrogener (planteøstrogener). Det gælder generelt, at observationerne er stærkt afhængige af den valgte cellulære model og dermed også genstand for betydelig kontrovers.

Endogene østrogener

De vigtigste endogene østrogener og deres samspil med østrogenreceptorerne (ER) er omtalt i dette nummer af Ugeskrift for Læger [1]. De dele af kompleksiteten, der er vigtigst for forståelsen af de varierende effekter, forskellige ligander kan fremkalde, er samlet i Figur 1 .

Farmakologisk påvirkning af østrogenreceptoren

Fælles for de eksogene agonister og antagonister gælder naturligvis, at de kan binde til østrogenreceptorerne og derigennem udløse eller blokere biologiske virkninger. Effekten varierer imidlertid i natur afhængig af, hvilken ligand der er tale om. Ligander med varierende struktur inducerer således forskellige konformationsændringer i receptoren [2], og de respektive konformationer har betydning for receptorens interaktion med kofaktorproteiner og DNA og dermed det cellulære respons.

Positionen af receptorens helix 12 er central for kofaktorrekruttering [3]. Helix 12 er placeret henover den ligandbindende lomme (LBD), når det endogene østrogen E2 er bundet til receptoren. Her danner den en overflade, hvortil koaktivatorer kan binde [3].

Når antagonister binder til ER-α , flyttes helix 12 således, at den interagerer med den hydrofobe koaktivatorbindende lomme, hvorved koaktivatorer forhindres i at binde [3]. Positionen af helix 12 kan muligvis forudsige, om en ligand er agonist eller antagonist [4].

Der er dog undtagelser, idet konformationen efter binding af fytoøstrogenet genistein til ER-β ikke befinder sig i den kendte agonistformation, på trods af at genistein virker delvist agonistisk [4]. Helix 12 indtager her en mellemposition. At positionen af helix 12 ikke kun er forskellig, når antagonister og agonister er bundet til receptoren, men også når forskellige agonister er bundet, understreger blot, at hver ligand har en unik biologisk profil [3].

Nogle ligander udviser endvidere forskellig bindingsaffinitet for de to receptorsubtyper [5]. E2 binder således lige godt til ER-α og ER-β , mens raloxifen binder fem gange bedre til ER-α end til ER-β og genistein omvendt binder 50 gange bedre til ER-β end til ER-α [5].

Lægemidler

Den biologiske effekt af selective estrogen receptor modulators (SERM) varierer, som betegnelsen antyder, mellem forskellige væv. En række stoffer med østrogenvirkning har klare receptor- og postreceptorselektive karakteristika, men i det følgende vil vi reservere betegnelsen SERM til lægemidler, hvis dominerende virkning i nogle væv er østrogenantagonistisk og i andre østrogenagonistisk (Tabel 1 ).

Tamoxifen har været brugt til behandling af brystcancer i mere end 30 år [3]. I behandlingen udnyttes tamoxifens antagonistiske effekt i receptorpositivt brystvæv [6]. Derimod virker stoffet østrogenagonistisk på knoglevæv. Over for endometriet er virkningen proliferativ. Sidstnævnte kan medføre uønskede virkninger og risici, og blandt andet derfor har der været behov for udvikling af SERM med en anden virkningsprofil [6].

Raloxifen er et nyere SERM, som anvendes i forbindelse med behandling og forebyggelse af osteoporose, hvor stoffets østrogenagonistvirkning på knoglevæv udnyttes. Raloxifen har frakturforebyggende effekt hos kvinder med lavt knoglemineralindhold [7]. Det virker E2 -antagonistisk i mammae, men er modsat tamoxifen ikke en agonist over for endometriet [8]. Til gengæld har raloxifen ikke de samme positive østrogenagonistiske effekter i hjernen som tamoxifen [2]. Både raloxifen og tamoxifen øger forekomsten af hedeture [8].

Fulvestrant, også kaldet ICI 182.780 (se nedenfor) er en indirekte hæmmer af de cellulære effekter af østrogen og gestagen og er et alternativ til tamoxifen. I modsætning til tamoxifen stimulerer fulvestrant ikke endometriet. Samtidig blokeres imidlertid E2 's positive virkninger på knogle-, nerve- og karsystemet. No gle mammatumorer udvikler resistens over for tamoxifen, mens de fortsat responderer på fulvestrant.

Interaktion med ER

SERM (raloxifen og tamoxifen) binder i samme polære lomme af ER's LBD som E2 , men SERMernes sidekæde stikker ud fra ligandbindingslommen og forskubber positionen af helix 12, så den ikke er placeret over den ligandbindende lomme [9]. Det har betydning for, hvilke kofaktorer SERM-ER-komplekserne kan rekruttere. Konformationsændringen ved ligandbinding har også betydning for, hvilke aktiveringsdomæner receptoren kan virke igennem, og dermed hvilke interaktioner de indgår i med andre transkriptionsfaktorer og DNA. ER har to aktiveringsdomæner, AF-1 og AF-2 [1]. SERM fungerer antagonistisk i alle sammenhænge, hvor aktiveringsdomænet AF-2 kræves. I sammenhænge, hvor receptorens andet aktiveringsdomæne, AF-1, spiller hovedrollen, har tamoxifen delvis agonistisk effekt [10], mens der er usikkerhed om, hvorvidt raloxifen kan stimulere gentranskription gennem AF-1 [3].

Interaktion mellem SERM-ER-komplekset og DNA

I et humant molekylær biologisk assay udtrykkende et luciferaserapportergen, virker tamoxifen delvist agonistisk via ER-α , mens effekten via ER-β er antagonistisk [10]. I den klassiske mekanisme for østrogenvirkning synes ER-α i dette modelsystem at kunne stimuleres både af rene agonister, SERM-præparater og liganduafhængige mekanismer, mens ER-β dels kun kan stimuleres til et østrogent cellulært respons af rene agonister og dels reducerer den østrogenvirkning, som transmitteres gennem den mere transkriptionelt aktive ER-α -receptor [10].

Ud over at SERM-ER-komplekset kan binde direkte til DNA, kan det også aktivere transkriptionen indirekte via transkriptionsfaktor-komplekserne AP-1 og Sp-1 [8].

Samspil med kofaktorproteiner

Tabel 1 illustrerer, at vævsspecificiteten af SERM ikke kan forklares alene ved fordelingen af ER-subtyper. Derimod har kofaktorsammensætningen og aktiviteten betydning for, om SERM'erne virker agonistisk eller antagonistisk. SERM'erne kan således både rekruttere koaktivatorer og korepressorer til ER, og den relative ekspression af disse er for eksempel vist at påvirke tamoxifens evne til at aktivere receptoren [8].

Nogle af koaktivatorerne interagerer med ER, både når E2 og tamoxifen er ligander. Andre rekrutteres specifikt, når tamoxifen er ligand [8]. Når E2 er ligand, er koaktivatorer i SRC-familien blandt andet vist at interagere med en del af AF-2 i ER, der ikke synes at være tilgængelig, når tamoxifen er ligand. Andre dele af tamoxifen-ER-komplekset må således i nogle tilfælde være involveret i interaktionen med kofaktorproteinerne [8] (Tabel 2 ).

Fulvestrants interaktion med ER

Fulvestrant har som tamoxifen og raloxifen en meget lang sidekæde, som ved binding til ER giver anledning til en markant konformationsændring i receptoren [6, 10].

Konformationsændringen er forskellig fra ændringerne ved binding af både E2 og SERM og indebærer øget omsætning og nedsat nuklear transport af ER, foreneligt med en virkning af fulvestrant som nedregulator af ER. Den antiøstrogene virkning af fulvestrant synes at bero på et sekundært tab af ER, som kræver ligandbinding og gentranskription. I nyere undersøgelser har man også påvist antigestagene virkninger af fulvestrant gennem blokade af gestageners evne til at inducere vascular endothelial growth factor (VEGF), som er af betydning for angiogenese i maligne tumorer [11].

Den kliniske virkningsprofil for de enkelte ligander for østrogenreceptorerne kan således langtfra forudsiges alene ud fra affiniteten mellem ligand og receptor, men afhænger også af, hvilke konformationsændringer der finder sted i receptoren, i hvilket indbyrdes forhold og i hvilken tilstand de to ER-subtyper er til stede i den pågældende celle, hvilke koaktivatorer og korepressorer der findes i cellen, og i hvilken grad de er aktiveret ved fosforylering eller andre modifikationer. Det er ikke overraskende, at de medikamenter, som i dag er til rådighed, ikke er så vævs- og cellepecifikke, som man kunne ønske.

Industrielle østrogener

I en række af de produkter, vi omgiver os med til hverdag, findes syntetisk fremstillede stoffer, som mistænkes for at have østrogenlignende effekter. I dyreeksperimentelle studier har man påpeget, at der findes omstændigheder, hvor udsættelse for hormonforstyrrende stoffer i fosterlivet og den tidlige barndom synes at kunne udløse genitale udviklingsanomalier, nedsat fertilitet og testikelcancer [12, 13]. Det skal understreges, at forskellige modelsystemer har givet anledning til modstridende angivelser af den østrogene potens, og at der aktuelt foregår en standardisering af assays for hormonforstyrrende effekter [14].

Bisphenol A

Bisphenol A er et af de mest potente industrielle østrogener. Stoffet findes i mange produkter, da det er den monomer, polykarbonatplastikmaterialer er opbygget af [15]. Mennesker eksponeres for stoffet gennem mad og drikke på dåse samt gennem visse tandfyldninger [16, 17].

Bisphenol A's binding til ER

I affinitetsforsøg, hvor E2 's affinitet for receptorerne sættes til 100, er den relative bindingsaffinitet for ER-α fundet at være henholdsvis 0,073 og 0,01, mens den for ER-β er henholdsvis 0,75 og 0,01 [18, 19].

Bisphenol A's rekruttering af kofaktorproteiner

Ligesom ER-E2 -komplekset kan ER-bisphenol-A-komplekset interagere med koaktivatorer af SRC-familien. Sammenlignet med E2 er denne interaktion meget svag. Når E2 's interaktion med koaktivatorerne sættes til 100, er den relative rekrutteringsevne af SRC-2 < 0,0001 for ER-α og 0,05 for ER-β [19]. Rekrutteringen af kofaktorer varierer dog, afhængigt af hvilken DNA-sekvens receptorligandkomplekset er bundet til [20].

Bisphenol A's stimulering af genekspression

I et forsøg med stimulering af et rapportergen gennem et velkendt østrogenresponselement (ERE) i DNA er den maksimalt opnåede stimulering med bisphenol A omkring 55% af E2 's maksimale gennem ER-β og cirka 70% af E2 's maksimale gennem ER-α [21]. Halvdelen af den maksimale aktivering opnås ved en koncentration på 400 nM bisphenol A gennem ER-α , og 500 nM gennem ER-β . Dette kan sammenlignes med henholdsvis 12 nM og 25 nM for E2 i samme forsøg [21]. Responset afhænger ikke alene af liganden, men også i høj grad af ERE-sekvensen [20]. Det er ikke klart, om Bisphenol A virker gennem andre molekylære mekanismer end E2 . I in vivo-studier a f genekspression i uterus hos rotter regulerer bisphenol A tre af seks undersøgte gener i samme retning som E2 . To af generne reguleres slet ikke af bisphenol A, og det sidste, som opreguleredes af E2 , nedreguleredes af bisphenol A [22]. I nyere in vitro-studier af humane brystkræftceller [23] finder man imidlertid opregulering af såvel klassiske som artificielle rapportergener, svarende til hvad der ses for E2 . Her kræves dog mikromolære bisphenolkoncentrationer for at inducere effekter sammenlignelige med virkningen af E2 i nanomolære koncentrationer [23].

Biologisk betydning

Til trods for, at bisphenols A's bindingsaffiniteter er meget små i forhold til E2 's, formår stoffet alligevel at aktivere transkription fra ERE-regulerede rapportergener [15]. Dette sker dog kun med en tusindedel af E2 's effektivitet, hvilket taler imod, at der skulle kunne udløses en egentlig biologisk effekt [15]. Trods dette er der påvist varig påvirkning af den reproduktive modning og funktion hos mus ved intrauterin udsættelse for, hvad der synes at være miljørelaterede koncentrationer af bisphenol A [24]. Det er vanskeligt at vurdere den patofysiologiske relevans af dette og andre industrielle østrogener, da der savnes oplysninger om serumkoncentrationer hos mennesket, og risikoen må forventes at være større ved eksponering i fosterlivet og hos børn før puberteten [13, 25].

Fytoøstrogener

Fytoøstrogener produceres af planter og er ikkesteroide stoffer med østrogenlignende effekter [4]. Nogle epidemiologiske data peger på, at stort indtag af fytoøstrogener i føden kan beskytte mod bryst-, prostata- og coloncancer samt osteoporose [2]. Vi vil her alene omtale et af de mest potente fytoøstrogener, isoflavonet genistein.

Genistein findes i kløver samt i sojabønner [2]. Stoffet binder til både ER-α og ER-β , men affiniteten for ER-β er klart størst [5]. Selv om genistein har en lav affinitet for ER i sammenligning med E2 , er stoffet ved høje koncentrationer (10-100 nM) i stand til at inducere et respons, der er sammenligneligt med E2 's [15]. Halvdelen af den maksimale aktivitet opnås ved 20 nM gennem ER-α (sammenlignet med 0,005 nM for E2 ), og ved 6 nM gennem ER-α (0,05 nM for E2 ) [15]. Disse data er baseret på den inducerede transkription fra konsensus-ERE-sekvenser indsat i humane, embryonale nyreceller. Sammenholdes resultatet med genisteinmængder i serum op mod mikromolære koncentrationer efter sojarige måltider [26], skulle man forvente biologiske virkninger, der oversteg effekten af endogene østrogener selv hos yngre kvinder. I nyere danske undersøgelser [27] har man i studier af E2 -afhængig genekspression i humane brystkræftceller påvist, at der kræves en koncentration på 10 μ M af genistein for at opnå en effekt svarende til effekten af blot 100 pM østradiol. Med dette potensforhold kan kostens indhold af genistein kun forventes at have en mulig biologisk virkning hos postmenopausale kvinder og måske hos mænd. Diskrepansen mellem disse fund understreger igen, at virkningen af en given ligand er en funktion ikke blot af koncentrationen, men også af cellens art og repertoire af koaktivatorer og -repressorer.

Samspil

Mennesker og dyr udsættes for en blanding af stoffer i føde og omgivelser. Dette er interessant i flere sammenhænge. Ved behandling med SERM eller antiøstrogener vil de eksogene stoffer således forekomme sammen med endogene ligander til ER. Tilsvarende vil industrielle østrogener og fytoøstrogener være til stede sammen med endogene østrogener og farmaka. Det er vist, at en blanding af eksogene østrogener, heriblandt bisphenol A og genistein kan virke additivt [28]. Dette er et komplicerende element i vurderingen af betydningen af industrielle østrogener, hvorfor der må udvikles modeller til at tage højde for den samlede virkning af stoffer, der hver for sig har svage østrogene og antiøstrogene effekter [29]. Dette kompliceres yderligere af, at en binding til ER kan give ophav til en række effekter afhængigt af bindingsaffiniteter for receptorsubtyperne og konformationsændringen i ER. Endelig virker industrielle østrogener også på andre dele af hormonsystemet, blandt andet androgenreceptoren samt steroid hormonsyntese og metabolisme. Sådanne kombinerede effekter kunne resultere i synergistiske effekter in vivo. Mange af stofferne er således i skrivende stund alene undersøgt in vitro, hvilket dog under visse forhold synes at kunne underestimere effekten in vivo. Et eksempel på dette er bisphenol A, som er 1.000-5.000 gange mindre potent end E2 in vitro, men viser sig at være meget effektivt i stimulering af prolaktinfrigivelse fra hypofysen hos rotter in vivo [15].

Afsluttende bemærkninger

Et bedre overblik over østrogenlignende stoffers virkning kræver ideelt set en fuldstændig afdækning af det vævsspecifikke udtryk af både nukleære ER, kofaktorproteiner og eventuelle membranbundne E2 -receptorer. Herunder er en identificering og komplet karakterisering af kendte og endnu ikke beskrevne receptorer samt kofaktorproteiner påkrævet. Der savnes desuden en klarlægning af, hvor stor en rolle vækstfaktorernes påvirkning af ER samt interaktioner med transkriptionsfaktorer spiller i det samlede østrogenrespons. Derudover må man afdække, hvordan liganderne påvirker andre af E2 's signalveje, herunder interaktioner med membranbundne receptorer. Dette vil både give indsigt i, hvilke gener og cellulære respons østrogener kan inducere og øge forståelsen for de specifikke effekter i diverse væv.

En sådan indsigt vil åbne mulighed for selektivt at modulere de enkelte celletypers reaktion på østrogener, hvilket er afgørende for den fortsatte udvikling af medikamenter til behandling af blandt andet maligne sygdomme og osteoporose. Samtidig vil det være med til at afdække betydningen af østrogenlignende stoffer i omgivelserne. Vurderingen af risikoen vanskeliggøres ikke alene af antallet af potentielt hormonforstyrrende stoffer, der mangler at blive undersøgt, men også af modstridende resultater mellem modelsystemer og mangelfulde oplysninger om graden af og tidspunktet for human eksponering, samt kendskab til serum- og vævskoncentrationer.

Summary

The molecular mechanisms of oestrogens: clinical aspects, industrial estrogens and phytoestrogens

Ugeskr Læger 2004;166:1220-1224

Many substances have oestrogenous effects, but both the strength and the character of the response induced by a certain ligand depend on a range of modifying factors. There are two variants of the oestrogen receptor, which bind different ligands with variable affinities and which differ in their ability to initiate expression from different genes. Moreover, the two receptor subtypes are expressed to different degrees in different tissues and cell types. At the same time, ligands induce unique changes in receptor conformation upon binding. The induced conformation is pivotal in the interaction with co-factors, as well as other transcription factors and DNA, and th