Androgen receptor in transcriptional regulation and carcinogenesis

Androgens control a variety of developmental processes that create the male phenotype and are important for maintaining male fertility and normal functions of tissues and organs that are not directly involved in procreation. Androgen receptor (AR) that mediates the biological actions of androgens is a member of the nuclear receptor superfamily of ligand-inducible transcription factors. Although AR was cloned over 15 years ago, the mechanisms by which it regulates gene expression are not well understood. A growing body of in vitro experimental evidence suggests that a complex network of proteins is involved in the androgen-dependent transcriptional regulation. However, the process of AR-dependent transcriptional regulation under physiological conditions is largely elusive. In the present study, a series of experiments were performed, including quantitative chromatin immunoprecipitation (ChIP) assays, to investigate AR-mediated transcription process using living prostate cancer cells. Our results show that the loading of AR and recruitment of coactivators and RNA polymerase II (Pol II) to both the promoter and enhancer of AR target genes are a transient and cyclic event that in addition to hyperacetylation, also involves dynamic changes in methylation, phosphorylation of core histone H3 in androgen-treated LNCaP cells. The dynamics of testosterone (T)-induced loading of AR onto the proximal promoters of the genes clearly differed from that loaded onto the distal enhancers. Significantly, more holo-AR was loaded onto the enhancers than the promoters, but the principal Pol II transcription complex was assembled on the promoters. By contrast, the pure antiandrogen bicalutamide (CDX) complexed to AR elicited occupancy of the PSA promoter, but was unable to load onto the PSA enhancer and was incapable of recruiting Pol II, coactivators and following changes of covalent histone modifications. The partial antagonist cyproterone acetate (CPA) and mifepristone (RU486) were capable of promoting AR loading onto both the PSA promoter and enhancer at a comparable efficiency with androgen in LNCaP cells expressing mutant AR. However, CPA- and RU486-bound AR not only recruited Pol II and coactivator p300 and GRIP1 onto the promoter and enhancer, but also recruited the corepressor NCoR onto the promoter as efficiently as CDX. In addition, we demonstrate that both proteasome and protein kinases are implicated in AR-mediated transcription. Even though proteasome inhibitor MG132 and protein kinase inhibitor DRB (5, 6-Dichlorobenzimidazole riboside) can block ligand-dependent accumulation of PSA mRNA with same efficiency, their use results in different molecular profiles in terms of the formation of AR-mediated transcriptional complex. Collectively, these results indicate that transcriptional activation by AR is a complicated process, which includes transient loading of holo-AR and recruitment of Pol II and coregulators accompanied by a cascade of distinct covalent histone modifications; This process involves both the promoter and enhancer elements, as well as other general components of the cell machineries e.g. proteasome and protein kinase; The pure antiandrogen CDX and the partial antagonist CPA and RU486 exhibit clearly different profiles in terms of their ability to induce the formation of AR-dependent transcriptional complexes and the histone modifications associated with the target genes in human prostate cancer cells. Finally, by using quantitative RT-PCR to compare the expression of sixteen AR co-regulators in prostate cancer cell lines, xenografts, and clinical prostate cancer specimens we suggest that AR co-regulators protein inhibitor of activated STAT1 (PIAS1) and steroid receptor coactivator 1(SRC1) could be involved in the progression of prostate cancer.

Kirjallisuuskatsaus: Eturauhassyövän androgeeniresponsiiviset in vivo -mallit; Kokeellinen osa: Bioluminesenssiin perustuvan ortotooppisen eturauhassyöpämallin optimointi

Eturauhassyöpä on yksi yleisimmistä syövistä länsimaissa. Eturauhassyöpä on yleensä hitaasti kehittyvä tauti. Edetessään se voi kuitenkin muuntua aggressiivisemmaksi ja aiheuttaa metastaaseja, jotka ovat pääasiallisena syynä taudin kuolleisuuteen. Androgeenit ovat merkittäviä tekijöitä eturauhassyövän patogeneesissä ja eturauhassyöpäkudos on useimmiten riippuvainen androgeeneista. Tämän vuoksi hoidon tavoitteena on estää niiden eritys kirurgisella tai kemiallisella kastraatiolla ja/tai estää androgeenien vaikutus antiandrogeeneilla. Eturauhassyöpää sekä sen hoitoon tarkoitettuja uusia lääkehoitomahdollisuuksia tutkitaan kiivaasti. Eturauhassyövän tutkimiseen on kehitetty lukematon määrä erilaisia in vivo -malleja. Koska eturauhassyöpä on yleensä androgeeneille herkkä, kuvaavat androgeeniresponsiiviset eläinmallit ihmisen tautia parhaiten. Eturauhassyövän mallintamiseen in vivo voidaan käyttää eri eläinlajeja, mutta hiiri on ylivoimaisesti käytetyin mallieläin. Immuunipuutteisiin hiiriin voidaan aiheuttaa kasvaimia inokuloimalla ihmisen kasvainsoluja tai osia ihmisen kasvaimista. Ortotooppisesti eturauhaseen inokuloitavat kasvainmallit mallintavat eturauhassyövässä esiintyvää syöpäsolujen ja stroomasolujen välistä epänormaalia vuorovaikutusta. Muuntogeeniset hiirimallit ovat yhä yleisempiä eturauhassyövän tutkimuksessa. Muuntogeenisilla malleilla voidaan mallintaa taudin kehittymistä ja sen etenemistä kokonaisuudessaan parhaiten. Eturauhasessa olevaa kasvainta ja sen kasvua on vaikea seurata ilman prostataspesifisen antigeenin (PSA) pitoisuuden mittausta tai erityisiä kuvantamistekniikoita. Tällaisia menetelmiä, kuten optista kuvantamista, käytetään yhä enemmän hyödyksi erilaisissa eturauhassyövän in vivo -malleissa. Tutkielman kokeellisen osan tavoitteena oli optimoida bioluminesenssiin perustuva optinen kuvantamismenetelmä androgeeniresponsiivisessa LNCaP-luc2-solulinjassa ortotooppisessa eturauhassyöpämallissa. Bioluminesenssikuvantaminen perustuu kasvainsolujen ilmentämän lusiferaasin katalysoimaan reaktioon, jossa entsyymin substraatti, lusiferiini, hapettuu ja tuottaa näkyvää valoa. Lisäksi tavoitteena oli tutkia lääkehoitojen ja kastraation vasteita mallissa. Bioluminesenssiin perustuvalla kuvantamisella oli mahdollista seurata eturauhaskasvainten kasvua noninvasiivisesti, reaaliaikaisesti ja toistuvasti. Bioluminesenssikuvantamisen avulla kasvainten kvantitointi oli nopeampaa kuin ultraäänikuvantamisen avulla, ja kasvainten kasvua oli myös mahdollista seurata useammin kuin seerumin PSA-mittausten avulla. Bioluminesenssikuvantamisen todettiin korreloivan paremmin PSA-pitoisuuden kanssa kuin kasvaimen todelliseen kokoon lopetushetkellä. Seerumin PSA-pitoisuus korreloi kuitenkin bioluminesenssimittausta paremmin eturauhaskasvaimen kokoon tässä kokeessa. Kasvainten oletettua suurempaa kokoa voidaan pitää todennäköisimpänä syynä sille, ettei lääkehoitojen tai kastraation todettu vaikuttavan kasvainten kasvuun bioluminesenssikuvantamisella mitattuna. Bioluminesenssikuvantaminen ei sovellu suurille eikä nekroottisille kasvaimille, sillä kuvantamismenetelmä toimii vain elävillä soluilla. Bioluminesenssikuvantamisen hyödyntämisen kannalta oleellista tässä mallissa on myös lusiferiini-injektion onnistuminen. Jatkotutkimuksia tarvitaan edelleen mallin validoimiseksi mm. lääkehoitojen vasteiden osoittamiseksi.