Molecular Mechanisms of Androgen Receptor Interactions

The androgen receptor (AR) mediates the effects of the male sex-steroid hormones (androgens), testosterone and 5?-dihydrotestosterone. Androgens are critical in the development and maintenance of male sexual characteristics. AR is a member of the steroid receptor ligand-inducible transcription factor family. The steroid receptor family is a subgroup of the nuclear receptor superfamily that also includes receptors for the active forms of vitamin A, vitamin D3, and thyroid hormones. Like all nuclear receptors, AR has a conserved modular structure consisting of a non-conserved amino-terminal domain (NTD), containing the intrinsic activation function 1, a highly conserved DNA-binding domain, and a conserved ligand-binding domain (LBD) that harbors the activation function 2. Each of these domains plays an important role in receptor function and signaling, either via intra- and inter-receptor interactions, interactions with specific DNA sequences, termed hormone response elements, or via functional interactions with domain-specific proteins, termed coregulators (coactivators and corepressors). Upon binding androgens, AR acquires a new conformational state, translocates to the nucleus, binds to androgen response elements, homodimerizes and recruits sequence-specific coregulatory factors and the basal transcription machinery. This set of events is required to activate gene transcription (expression). Gene transcription is a strictly modulated process that governs cell growth, cell homeostasis, cell function and cell death. Disruptions of AR transcriptional activity caused by receptor mutations and/or altered coregulator interactions are linked to a wide spectrum of androgen insensitivity syndromes, and to the pathogenesis of prostate cancer (CaP). The treatment of CaP usually involves androgen depletion therapy (ADT). ADT achieves significant clinical responses during the early stages of the disease. However, under the selective pressure of androgen withdrawal, androgen-dependent CaP can progress to an androgen-independent CaP. Androgen-independent CaP is invariably a more aggressive and untreatable form of the disease. Advancing our understanding of the molecular mechanisms behind the switch in androgen-dependency would improve our success of treating CaP and other AR related illnesses. This study evaluates how clinically identified AR mutations affect the receptor s transcriptional activity. We reveal that a potential molecular abnormality in androgen insensitivity syndrome and CaP patients is caused by disruptions of the important intra-receptor NTD/LBD interaction. We demonstrate that the same AR LBD mutations can also disrupt the recruitment of the p160 coactivator protein GRIP1. Our investigations reveal that 30% of patients with advanced, untreated local CaP have somatic mutations that may lead to increases in AR activity. We report that somatic mutations that activate AR may lead to early relapse in ADT. Our results demonstrate that the types of ADT a CaP patient receives may cause a clustering of mutations to a particular region of the receptor. Furthermore, the mutations that arise before and during ADT do not always result in a receptor that is more active, indicating that coregulator interactions play a pivotal role in the progression of androgen-independent CaP. To improve CaP therapy, it is necessary to identify critical coregulators of AR. We screened a HeLa cell cDNA library and identified small carboxyl-terminal domain phosphatase 2 (SCP2). SCP2 is a protein phosphatase that directly interacts with the AR NTD and represses AR activity. We demonstrated that reducing the endogenous cellular levels of SCP2 causes more AR to load on to the prostate specific antigen (PSA) gene promoter and enhancer regions. Additionally, under the same conditions, more RNA polymerase II was recruited to the PSA promoter region and overall there was an increase in androgen-dependent transcription of the PSA gene, revealing that SCP2 could play a role in the pathogenesis of CaP.

Androgeenireseptori (AR) on miessukuhormonien (androgeenien) eli testosteronin ja 5?-dihydrotestosteronin vaikutusten välittäjä. Androgeenit ovat välttämättömiä miehisten sukupuoliominaisuuksien kehittymiseen ja ylläpitoon. AR kuuluu steroidireseptorien muodostamaan tumareseptorien alaryhmään, ja reseptori aktivoituu hormonin sitoutumisen seurauksena. Tumareseptorien rakenteet ovat samankaltaisia. Ne koostuvat toiminnallisesti ja rakenteellisesti itsenäisistä yksiköistä. AR:n aminopäässä oleva alue (NTD) on kullekin reseptorille tunnusomainen, ja siinä sijaitsee ns. sisäinen aktivaatiotekijä (activation function 1). Sen vieressä on lajikehityksen aikana erittäin hyvin säilynyt DNA:ta sitova alue, ja proteiinin karboksyylipäässä on hormonia sitova alue (LBD), jossa sijaitsee reseptorin toinen aktivaatiotekijä (activation function 2). Kaikilla reseptorin eri osa-alueilla on oma tärkeä toiminnallinen tehtävänsä. Ne välittävät reseptorin sisäisiä ja reseptorien välisiä vuorovaikutuksia, sitoutumista spesifisiin DNA-jaksoihin (hormonin vaste-elementtehin) ja vuorovaikutuksia muiden säätelijäproteiinien kanssa. Hormonin sitoutuminen androgeenireseptoriin muuttaa sen avaruusrakennetta, minkä seurauksena reseptori kulkeutuu tumaan, sitoutuu siellä geenien androgeenivaste-elementteihin, pariutuu toisen reseptorimolekyylin kanssa ja saa aikaan spesifisten säätelijäproteiinien kertymisen transkription aloituskompleksin läheisyyteen. Tämä tapahtumasarja vaaditaan, jotta geenien transkriptio käynnistyisi. Geenien transkriptio ohjaa solun kasvua, tasapainotilan ylläpitoa, toimintaa ja kuolemaa, ja se on siksi erittäin tarkasti säädelty tapahtuma. Reseptorin mutaatiot ja/tai muuntuneet vuorovaikutukset säätelijäproteiinien kanssa voivat johtaa laajaan kirjoon androgeenivaikutuksen puutetiloja ja tukea eturauhassyövän kehitystä. Eturauhassyövän hoitoon käytetään usein androgeenivaikutuksen estämistä, joka on tehokas hoitomuoto taudin alkuvaiheessa. Androgeenien poistamisesta aiheutuvan selektiopaineen alla käy usein kuitenkin niin, että alun perin androgeeneista riippuvainen syöpä muuttuu androgeeneista riippumattomaksi. Tällainen androgeeneista riippumaton syöpä on lähes poikkeuksetta aggressiivinen ja huonosti hoidettavissa. Laajempi ymmärrys niistä molekyylitason mekanismeista, jotka liittyvät androgeeniriippuvuuden muutoksiin, parantaisivat merkittävästi mahdollisuuksia hoitaa eturauhassyöpää ja muita sairauksia, joiden kehittyminen on AR:n säätelemä. Tämä tutkimus selvitti kliinisesti havaittujen AR-mutaatioiden vaikutuksia reseptorin toimintaan. Totesimme useiden mutaatioiden johtavan androgeenireseptorin NTD:n ja LBD:n välille muodostuvien sisäisten vuorovaikutusten häiriintymiseen. Osoitimme myös, että hormonia sitovan alueen mutaatiot estävät paitsi reseptorin sisäisiä vuorovaikutuksia myös p160-koaktivaattoriproteiinin (GRIP1) sitoutumisen reseptoriin. Tulostemme mukaan 30 %:lla potilaista, joilla on pitkälle edennyt ja hoitamaton paikallinen eturauhassyöpä, on somaattisia (syöpäkudoksessa syntyneitä) AR-geenin mutaatioita, jotka saattavat johtaa AR:n aktiivisuuden nousuun. AR:n toimintaa aktivoivat mutaatiot ovat sellaisia, jotka voivat muokata syöpäkudoksen antiandrogeeniriippuvuutta. Potilaalle annettu antiandrogeenihoito voi olla syy siihen, että mutaatiot kertyvät tietylle reseptorialueille. Ennen hoidon alkua tai vasta hoidon kuluessa syntyvät mutaatiot eivät aina johda reseptorin toiminnan aktivoitumiseen. Tämä viittaa siihen, että myös koregulaattoriproteiineilla on tärkeä rooli androgeeneista riippumattoman eturauhassyövän kehittymisessä. AR:n kanssa vuorovaikuttavien säätelijäproteiinien tunnistaminen on eturauhassyövän biologian paremman ymmärtämisen kannalta tärkeätä. Seuloimme HeLa-soluista valmistetun cDNA-kirjaston ja tunnistimme proteiinin nimeltä "small carboxy-terminal phosphatase 2" (SCP2). SCP2 on proteiinifosfataasi, jonka on todettu defosforyloivan RNA-polymeraasi II:n aminopään toistojaksoa. SCP2 vuorovaikuttaa AR:n NTD-alueen kanssa ja vaimentaa reseptorin aktiivisuutta. Kun vähensimme endogeenisen SCP2 proteiinin määrää eturauhasesta peräisin olevissa syöpäsoluissa, AR:n sitoutuminen PSA (prostate specific antigen) -geenin säätelyalueille lisääntyi moninkertaisesti. Samoissa olosuhteissa myös RNA-polymeraasi II:n määrä PSA-promoottorialueella kasvoi, ja androgeenista riippuvainen PSA-geenin transkriptio aktivoitui. SCP2 proteiini on näin ollen tärkeä androgeenivaikutuksen säätelijä, ja sen pitoisuuden muutoksilla voi olla merkitystä eturauhassyövän biologiassa.