Østrogeners molekylære virkemekanismer

Østrogenernes molekylære virkemekanismer er mere komplicerede end tidligere antaget. Dels er der to varianter af østrogenreceptoren med forskellig indflydelse på genekspressionen, og dels udtrykkes de to receptorsubtyper i forskellig grad i forskellige vævs- og celletyper. Desuden binder ER-ligand-komplekset ikke kun til klassiske østrogenresponselementer i DNA, men også direkte til andre sekvenser samt indirekte til DNA gennem separate transkiptionsfaktorkomplekser. Endelig findes både koaktivatorer og korepressorer, hvis rekruttering varierer afhængigt af ligand, DNA-sekvens og celletype, og som ved rekruttering til ER kan modulere receptorernes videre funktion. Samtidig kan receptorernes funktion moduleres ved fosforylering og andre former for aktivering, og slutteligt har østrogenerne også nongenome effekter. Det vil sige, at de kan igangsætte intracellulære signaltransduktionsveje ved interaktion med membranbundne eller cytosoliske proteiner. Der er således endnu langt til et fuldt overblik over østrogeners molekylære virkemekanismer, som vil muliggøre design af egentlige vævs- og cellespecifikt virkende østrogenmodulatorer.

De vigtigste endogene østrogener hos mennesket er østradiol (E2 ), østron og østriol. E2 er det endogene østrogen, der forekommer i størst koncentration hos ikkegravide præmenopausale kvinder, binder stærkest til østrogenreceptorerne og er mest biologisk aktivt [1].

E2 produceres hos kvinder primært af ovariernes granulosaceller, mens østron og østriol hovedsagelig dannes ved omdannelse af E2 i leveren [1]. Derudover er der både hos mænd og kvinder en omdannelse af androgener til østrogener i de perifere væv [2].

Østrogener påvirker vækst og differentiering, ligesom de spiller en betydelig patogenetisk rolle for nogle sygdomme og en terapeutisk rolle for andre. I takt med udviklingen af stadig mere specifikt virkende østrogenagonister og -antagonister har østrogens virkningsmekanismer vist sig at være mere komplicerede og nuancerede end dem, som forudsiges af den klassiske model for virkningen af et steroidhormon.

Den klassiske model er, at østrogener binder sig til den intracellulære østrogenreceptor, ER, hvorefter receptor-ligand-komplekset transporteres til kernen, dimeriserer og binder til kofaktorproteiner samt specielle østrogenresponselementer (ERE). ERE er cis-virkende enhancere i målgeners regulatoriske områder. Herfra aktiveres det generelle transkriptionsapparat, hvorved der sker en op- eller nedregulering af genekspressionen [3]. Reguleringen er som nævnt langt mere kompleks, og i det følgende vil vi derfor give en kortfattet intro-duktion til de seneste års nye viden om østrogeners molekylære virkningsmekanismer.

ER-α og ER-β

Østrogenreceptorerne tilhører familien af kernehormonreceptorer, der har omkring 150 medlemmer [1]. I dag kendes to subtyper af østrogenreceptoren, ER-α og ER-β samt flere forskellige splejsningsvarianter af disse, og begge receptorsubtyper er klonet fra mange forskellige arter [2]. Strukturerne af de to subtyper er ikke helt ens, og de stammer fra transkripter fra to distinkte gener [1]. ER-α er lokaliseret til den lange arm af kromosom 6 og ER-β til q 22-24 på kromosom 14 [1].

Domæner og homologi

Receptorernes opbygning er skitseret i Figur 1 . Der er fem strukturelle domæner (A/B, C, D, E og F), hvis homologi er meget varierende. A/B-domænet indeholder en aktiveringsfunktion, AF-1, som i ER-α er meget aktiv i stimulering af ekspressionen fra en række rapportergener [2]. Kun 18% af aminosyrerne i dette domæne er identiske med det tilsvarende domæne i ER-β , som helt mangler et fungerende AF-1-domæne [4].

I C-domænet findes det DNA-bindende domæne (DBD). Det indeholder blandt andet to zinkfingerdomæner, som er vigtige for dimerisering af receptorerne og for interaktion med DNA efter dimerisering [2].

E-domænet indeholder det ligandbindende domæne (LBD), som medierer ligandbinding, dimerisering, translokation til kernen og transaktivering af genekspression. En del af LBD udgøres af aktiveringsfunktion 2, AF-2, hvis struktur og funktion ændres ved ligand-binding [2]. AF-2 indeholder en α -helix (helix 12), som er essentiel for ligandafhængig transkriptionsaktivering og interaktion med koaktivatorer [3]. 50-60% af aminosyrerne i LBD er identiske i ER-α og ER-β [4]. Forskellene er altså i særdeleshed i AF-1, men også i AF-2 relativt store. Da netop disse domæner spiller en stor rolle i kofaktorrekruttering og interaktion med andre transkriptionsfaktorer, ses også en forskel på receptorsubtyperne i disse funktioner og dermed også i den efterfølgende transkriptionsaktivering [5]. For E2 -ER-α -komplekset gælder det således, at både AF-2 og AF-1 bidrager til den overordnede aktivering, og at den relative aktivitet af hver af disse er afhængig af celletypen [5]. I E2 -ER-β -komplekset mangler
AF-1-funktionen, og AF-2 medierer transkriptionsinitierin-gen alene [5].

Knockoutmus er et eksempel på, at der findes receptorspecifikke fænotyper. Hos ER-α -knockoutmus er således hverken hanmus eller hunmus fertile, og begge, men især hanmusene, har markant lavere knogletæthed end vildtypen. Dette stemmer overens med fundet af svær mandlig osteoporose ved fravær af ER [2]. Hos ER-β -knockoutmus er hunmusene også infertile, mens hanmusene er fertile. Dobbelt knockout af både ER-α og ER-β fører hos hunmusene til maskulinisering af ovarierne og hos hanmusene til nedsat sædproduktion og sædkvalitet [1].

Vævspecifikt udtryk af ER-α og ER-β

Distributionen af receptorsubtyperne er undersøgt ved hjælp af blandt andet in situ hybridisering, realtid-polymerasekæderekation (RT-PCR) og Northern blotting (Tabel 1 ). Flertallet af undersøgte væv udtrykker både ER-α og ER-β . Dette gælder ovarier, testis, hjerne, mammae, uterus og lungevæv. Ved immunhistokemiske undersøgelser har man identificeret hippocampus, hepatocytter, tarmens bægerceller og det uterine kirtelepitelium som områder med dominans af ER-α , mens ER-β er den dominerende receptortype i neuroner og cerebellare gliaceller, lungeepitel, villusceller, thyroidea og adrenale glomerulosaceller [6]. I knoglevæv er begge receptorsubtyper lokaliseret, og også her udtrykkes de i forskellig grad i de forskellige celletyper. Ekspressionen er demonstreret mest overbevisende i knoglevæv fra nyfødte, hvor ER-α dominerer i kortikal knogle, mens ER-β er stærkt udtrykt i trabekulær knogle [10]. Forholdene i det udvoksede skelet er ikke kendt i detaljer.

Den varierende ekspression giver mulighed for mere eller mindre cellespecifik modulering af østrogenresponset i det omfang, der kan udvikles stoffer, som udelukkende virker gennem den ene receptortype. Blandt andet i udvikling af medikamenter til behandling af brystcancer stræber man efter en sådan specificitet.

Det skal imidlertid pointeres, at det ikke kun er fordelingen af receptorsubtyperne, der spiller en rolle for vævsspecificiteten. Også fosforyleringsgraden af receptoren, forekomsten af kofaktorer og andre transkriptionsfaktorer, den lokale kromatinstruktur og fordelingen af eventuelle membranbundne receptorer har betydning for østrogenresponset.

Interaktion mellem ER og E2

Ud over at binde de endogene østrogener kan ER interagere med mange både steroide og ikkesteroide ligander [11], og det er observeret, at ligander med varierende struktur inducerer forskellige konformationsændringer i receptoren [1]. Ved krystalstrukturanalyser har man vist, at der i det ligandbindende domæne i både ER-α og ER-β findes 12 helixer. Helixerne danner en bindingslomme, som er fuldstændigt adskilt fra omgivelserne [11].

ER-α binder E2 diagonalt i lommen mellem helix 11, 3 og 6. Ved binding af E2 til ER-α er den amfipatiske helix 12 placeret over den ligandbindende lomme [12]. Den hydrofobe side af helixen vender indad og interagerer ikke direkte med E2 , men danner et låg over hormonet [11]. Den modsatte side, som vender udad, udgøres af ladede aminosyrer og danner den overflade, hvortil kofaktorproteiner rekrutteres [12]. Ved at forsegle den ligandbindende lomme, danner helix 12 således samtidig en fuldt funktionel AF-2, der er i stand til at interagere med koaktivatorer [11].

Efter ligandbinding sker der en dimerisering af receptorerne, og heterodimerisering af ER-α og ER-β observeres i celletyper, hvor begge receptorsubtyper udtrykkes. Dette udvider receptorernes mulige virkemekanismer [13]. I celler, hvor begge subtyper udtrykkes, kan den kombinerede effekt således adskille sig fra de effekter, man observerer, når receptorerne udtrykkes hver for sig [14]. ER-β synes således at kunne undertrykke ER-α via et repressordomæne, der primært er aktivt ved lave cellulære koncentrationer af E2 , og ER-β menes derigennem at fungere som regulator af ER-α -aktivitet [5].

Eksistensen af splejsningsvarianter af receptorerne, som også er i stand til at heterodimerisere, øger kompleksiteten af interaktionerne yderligere [14]. Den fysiologiske betydning af heterodimerisering mellem ER-α , ER-β samt splejsningsvarianter af disse er ikke klarlagt.

Direkte interaktion mellem ER-E2 -komplekset og DNA

Konsensussekvensen, som dimerer af ER binder til, er dyadesymmetrien 5'GGTCAnnnTGACC3' [1]. De fleste bindingssteder er dog varianter af denne, direkte repeats eller enkeltstående halve dyadesymmetrier [15].

Indirekte interaktion mellem ER-E2 -komplekset og DNA

ER kan også interagere med andre transkriptionsfaktorer og dermed modulere genekspressionen uden direkte interaktion med DNA.

Det gælder blandt andet transkriptionsfaktoren Sp1. Sp1-sites findes både sammen med halve dyadesymmetrier med forskellige sekvenser og med hele dyadesymmetrier [15]. I visse tilfælde kan ER endda virke gennem Sp1-sites alene uden tilstedeværelse af hele eller halve ERE [15]. Både ER-α og ER-β kan binde direkte til Sp1, hvilket øger Sp1's binding til DNA. Kun ER-α -E2 -komplekset øger imidlertid transkriptionen ved interaktion med denne transkriptionsfaktor. Det kan hænge sammen med, at AF-1-domænet i ER-α er vigtigt for aktivering af Sp1, og at dette domæne netop ikke er funktionelt i ER-β [15].

Et andet eksempel er E2 -ER-kompleksets samspil med AP-1. Også her gælder det, at E2 -ER-α , men ikke E2 -ER-β stimulerer transkriptionen [3, 16], og at stimulering gennem ER-α kræver fuldt funktionelle AF-1- og AF-2-domæner [3].

Ud over Sp1- og AP-1-sites er ER også vist at kunne virke gennem andre responselementer, blandt andet quinonreduktasegenets elektrofile responselement [17].

Påvirkning af andre transkriptionsfaktorer

ER kan også påvirke transkriptionen af visse gener uden interaktion med DNA. For eksempel hæmmer E2 den transkriptionelle aktivitet af GATA-1, en transkriptionsfaktor med stor betydning for udviklingen af erytrocytter og megakaryocytter.

E2 -ER interagerer også med transkriptionsfaktorerne NF-IL6 og C/EBP samt med DNA-bundet NF-κ B, hvorved ekspressionen af IL-6 hæmmes. Dette er observeret i osteoblaster og knoglemarvsceller og menes at være en del af forklaringen på østrogens positive effekter på knogletæthed [4].

E2 's rekruttering af kofaktorproteiner

Konformationen af ER ændres, når E2 binder til receptoren. Helix 12 i LBD placeres som omtalt over den ligandbindende lomme og danner en overflade, hvortil kofaktorproteiner rekrutteres [2]. De mest velundersøgte af disse er koaktivatorer, som dels acetylerer, dels metylerer histoner, hvilket giver adgang til en øget transkription af målgenerne. Det gælder blandt andet histon-acetyltransferaserne SRC/p160-familien, CBP/p300 og pCAF, samt methyltransferasen CARM1. Derudover er der en række kofaktorproteiner, man endnu ikke kender effekten og betydningen af, deriblandt også nogle med negativ koregulatorisk funktion. Eksempler på vævsspecifikt udtrykte kofaktorproteiner er koaktivatoren ERAP140, som interagerer med begge receptortyper og præferentielt udtrykkes i cerebrum, cerebellum og nyrevæv [18], og PGC-1-relateret østrogenreceptor-koaktivator (PERC) som udtrykkes i størst mængde i hjerte- og skeletmuskulatur og øger det ER-α -medierede respons over for tamoxifen [19]. Også koaktivatoren SRC-3 udtrykkes tilsyneladende vævsspecifikt [20] med de største mængder i mammae, ovarier, testes og hypofyse. Der er forskel på receptorsubtypernes kofaktorrekruttering [2]. SRC-3 binder for eksempel bedre til ER-α end til ER-β . Dette kunne skyldes, at AF-1- og AF-2-domænerne samarbejder om rekrutteringen i ER-α , mens AF-1 som nævnt ikke fungerer på samme måde i ER-β [2]. Rekrutteringen til ER-α og ER-β påvirkes også af interaktionen med DNA. Forskellige ERE-sekvenser inducerer således forskellige kofaktorrekrutteringer, selv om liganden og receptorsubtypen er den samme [21]. Mekanismen bag dette synes at være en konformationsændring i receptorens AF-2-domæne induceret af ERE-sekvensen [21]. Denne forskel i rekruttering giver udslag i forskellig aktivering af gentranskriptionen.

Generelt synes kofaktorproteinerne at være vigtige for transkriptionsaktiveringen. Mutationer i AF-2 fører for eksempel til transkriptionelt inaktive ER [4]. Samtidig fører en mutation i starten af helix 12 til konstitutivt aktive receptorer og liganduafhængig associering med koaktivatorer [4].

Membranreceptormedieret effekt

Ud over de allerede beskrevne aktiveringsmekanismer menes E2 også at kunne mediere cellulære effekter gennem membranbundne receptorer. Sådanne signalveje synes at være for hurtige fysiologiske respons på E2 , som ikke umiddelbart kan forklares ved signalveje, der involverer genregulering [22].

Dette åbner muligheden for, at et E2 -respons også forekommer i celler uden de nukleære receptorer. Hvor stor en betydning disse signalveje har for det samlede østrogenrespons vides dog ikke, og forekomsten og funktionen af membranbundne E2 -receptorer er i nogen grad stadig kontroversiel.

Aktivering af ER

ER aktiveres ikke alene ved binding af ligand. Også fosforylering og andre liganduafhængige aktiveringsveje kan påvirke receptoren. Dette gælder specielt ER-α , hvor fosforylering blandt andet er vist at påvirke ligandbinding, dimerisering, interaktion med kofaktorer og binding til DNA [23]. Fosforylering af ER-β er ikke observeret i samme grad, hvilket kunne hænge sammen med, at fosforyleringen oftest sker i AF-1.

Fosforyleringen induceres ved binding af E2 , men kan også ske liganduafhængigt blandt andet medieret af proteinkinase A og C [2] samt vækstfaktorerne epidermal vækstfaktor (EGF), insulin, IGF-1 og TGF-β . Heregulin, interleukin 2 og dopamin er også vist at kunne aktivere ER-α , men om fosforylering er involveret er ikke afklaret [3]. Også cyklin A og D er vist at kunne aktivere ER, og mens cyklin A fosforylerer AF-1-domænet, er forsforylering ikke involveret i cyklin D's aktivering [2].

E2 's målgener

Som tidligere beskrevet binder ER-E2 -komplekset med højest affinitet til konsensusdyadesymmetrier, men det kan også binde til enkeltstående eller kombinationer af halve dyadesymmetrier samt sådanne i kombination med for eksempel Sp1- eller AP-1-sites. Ved at gennemgå det humane genom og kortlægge promoterregioner, der indeholder ovenstående sekvenser, kan man i et vist omfang få en ide om, hvilke gener E2 kunne regulere. Hvor stærk denne regulering er, afhænger imidlertid af en række faktorer, herunder receptorsubtypen. Både gennem ERE-, Sp1- og AP-1-sites, er ER-α 's og ER-β 's aktiveringsevne således forskellig. Her spiller også den specifikke celle- og vævskontekst ind. Det gælder blandt andet ekspressionen af kofaktorproteiner, kromatinstrukturen samt fosforylering af ER. Desuden kan det som nævnt ikke udelukkes, at gener uden de ovennævnte sekvenser også påvirkes af E2 via interaktioner med andre transkriptionsfaktorer og gennem membranbundne receptorer.

Da binding til DNA således ikke nødvendigvis er lig aktivering, og gener uden de kendte bindingssites også kan aktiveres af E2 , er ganske omfattende studier nødvendige, hvis man ønsker at karakterisere det samlede cellulære respons.

I SAGE- og microarray -analyser af cancercellelinjer ses især en opregulering af gener med forbindelse til cellecyklus, DNA-syntese og mitogenaktivitet som respons på E2 . Blandt disse gener er cathepsin D, E2F1, bcl2 , c-fos, c-myc, IGF-1-adenosin-deaminase, pS2, IGF-bindingsprotein 4 og retinoic acid receptor α 1 [24-26].

Disse undersøgelser giver et indblik i, hvilke grupper af gener der opreguleres af E2 i cancercellelinjer. En del af disse gener er som nævnt relateret til cellens vækst og deling og opreguleres også af andre stoffer med mitogeneffekt, hvorfor geners direkte regulering af østrogen må antages kun sikkert at kunne estimeres inden celledeling indtræder. Endelig er der identificeret en række gener, hvis ekspression tydeligt opreguleres i forsøgene, men hvis biologiske betydning ikke kendes [24, 27, 28].

På vej mod en bedre forståelse af østrogeners biologiske effekter er en fuldstændig afdækning af det vævsspecifikke udtryk af både kofaktorproteiner, eventuelle membranbundne E2 -receptorer samt de nukleære ER afgørende. Herunder er en identificering og komplet karakterisering af kendte og endnu ikke beskrevne receptorer samt kofaktorproteiner påkrævet. Endelig savnes der også en klarlægning af, hvor stor en rolle vækstfaktorernes påvirkning af ER samt interaktioner med Sp1- og AP-1-sites og andre transkriptionsfaktorer spiller i det samlede østrogenrespons.

En sådan indsigt vil gøre det klart, hvilke muligheder der er for selektivt at modulere de enkelte celletypers reaktion på østrogener.