Signalisation par les récepteurs des œstrogènes : mécanismes de reconnaissance de l’ADN et nouvelles approches pharmacologiques d’inhibition

Malgré les progrès des traitements des cancers du sein, ceux-ci demeurent la seconde cause de mortalité par cancer au Canada. Parmi les gènes associés aux cancers du sein, le récepteur des œstrogènes ERα est exprimé dans plus de 70% des tumeurs mammaires, qui prolifèrent en réponse aux œstrogènes, faisant de lui une cible de choix. ERα est un facteur de transcription ligand-dépendant, liant des éléments de réponse PuGGTCAnnnTGACCPy. Afin d’examiner la capacité des récepteurs nucléaires à reconnaitre de nouveaux motifs ADN, des mutants aux capacités de liaison modifiées ont été générés. Parmi les quatre résidus interagissant avec l’ADN, R211 ne peut pas être modifiée sans perdre complètement la liaison du récepteur à l’ADN. Néanmoins, les mutations combinées de plusieurs acides aminés contactant les bases de l’ERE ont généré des récepteurs capables de reconnaitre de nouveaux motifs, tout en conservant des niveaux de transactivation efficaces. L’utilisation potentielle des récepteurs nucléaires comme outils de thérapie génique hormono-dépendant, repose sur la prédiction des motifs de liaison efficaces. Étant donné son importance dans la carcinogenèse mammaire, ERα est une cible cruciale des thérapies anti-néoplastiques. L’anti-œstrogène total, ICI, induit la dégradation de ERα et l’arrêt de la croissance des cellules tumorales mammaires ERα-positives. De plus, la nouvelle drogue anti-tumorale HDACi, SAHA, module la voie de signalisation des œstrogènes et possède des propriétés prometteuses en association avec d’autres traitements anti-tumoraux. En effet, le co-traitement ICI et SAHA a un impact synergique sur l’inhibition de la prolifération des cellules mammaires tumorales ERα-positives. Cette synergie repose sur la coopération des effets de ICI et SAHA pour réduire les niveaux protéiques de ERα et bloquer la progression du cycle cellulaire via la modulation de la transcription des gènes cibles des œstrogènes. En fait, les fortes doses de HDACis masquent rapidement et complètement la signalisation transcriptionnelle des œstrogènes. De plus, les gènes cibles primaires des œstrogènes, contenant des EREs, présentent la même régulation transcriptionnelle en réponse aux fortes doses de SAHA ou du co-traitement, avec des doses utilisables en clinique de ICI et SAHA. En fait, ICI mime l’impact des fortes doses de SAHA, en dégradant ERα, potentialisant ainsi la répression de la transcription ERE-dépendante par SAHA. Finalement, la synergie des effets de ICI et SAHA pourrait augmenter l’efficacité des traitements des tumeurs mammaires.

Modulation de l'expression et de l'activité de la NADPH P450 réductase chez le lapin.

L’activité catalytique du cytochrome P450 dépend de la disponibilité d’électrons produits par la NADPH P450 réductase (NPR). Notre étude a pour but de déterminer comment l’expression de la NPR est modulée chez le lapin. Afin de comprendre comment l’expression de la NPR est modulée, des hépatocytes de lapins témoins ont été incubés pendant 2, 4, 24 et 48 heures en présence de plusieurs activateurs de facteurs de transcription connus du cytochrome P450. De plus, des lapins ayant reçu une injection sous-cutanée de térébenthine afin de produire une réaction inflammatoire aseptique sont sacrifiés 48 heures plus tard dans le but d’étudier les effets de l’inflammation sur l’expression de la NPR. La rosiglitazone, le fénofibrate, l’acétate de plomb et le chlorure de cobalt (des inducteurs des PPAR, PPAR, AP-1 et HIF-1), après 48 heures d’incubation, n’ont provoqué aucun changement d’expression ou d’activité de la NPR. Après 48 heures d’incubation, la dexaméthasone (Dexa) a augmenté la quantité d’ARNm (QT-PCR), l’expression et l’activité de la NPR (p<0,05), en plus d’augmenter l’ARNm des récepteurs nucléaires CAR (récepteur constitutif à l’androstane) et PXR (récepteur X prégnane) (p<0.05). Le phénobarbital (PB) a augmenté seulement l’activité de la NPR (p<0.05). Par contre, après 48 heures d’incubation, la combinaison PB et Dexa a augmenté la quantité d’ARNm, ainsi que l’expression et l’activité de la NPR (p<0.05). La combinaison de PB et Dexa a induit une augmentation d’ARNm des récepteurs nucléaires CAR, PXR et RXR (récepteur X du rétinoïde) plus précocement, soit après 2 heures d’incubation (p<0.05). Le PD098059 (PD), un bloqueur de l’activation de MAPK1 (mitogen-activated protein kinase), et l’acide okadaïque (OA), un inhibiteur de la protéine phosphatase 2A (PP2A), ont bloqué l'augmentation d'expression et d'activité de la NPR induite par le PB après 48 heures d’incubation. La réaction inflammatoire aseptique a diminué l’expression et l’activité de la NPR après 48 heures d’incubation (p<0.05). On conclue que la dexaméthasone et le phénobarbital sont des inducteurs potentiels de la NPR et que les voies de signalisation de CAR, PXR et RXR semblent être impliquées dans le contrôle de cette induction. Des études supplémentaires devront être complétées afin de confirmer ces résultats préliminaires.

L’inhibition des cytochromes P450 dans les cas d’insuffisance rénale chronique : rôle de l’hormone parathyroïdienne.

L’insuffisance rénale chronique (IRC) est associée à une réduction du métabolisme de plusieurs médicaments, due à une diminution du cytochrome P450 (CYP450) hépatique. Nos études précédentes ont montré que l’IRC affecte l’activité in vivo et in vitro, de même que l’expression protéique et génique des différents isoformes du CYP450, via la présence du sérum urémique et de l’hormone parathyroïdienne (PTH). Ce projet de doctorat se divise en quatre parties. Premièrement, nous avons développé une méthode d’analyse de l’activité du CYP450, à l’aide de la production du 3-hydroxy-5,5-dimethyl-4-[4-(methylsulfonyl)phenyl] furan-2(5H)-one (DFH) à partir du 3-[(3,4-difluorobenzyl)oxy]-5,5-dimethyl-4-[4-methylsulfonyl)phenyl] furan-2(5H)-one (DFB). Cette méthode nous a permis de mieux quantifier l’activité dans les études subséquentes. Deuxièmement, l’activité du CYP450 3A est diminuée chez les patients atteints d’IRC. De plus, il a déjà été démontré que des toxines urémiques dialysables seraient impliquées puisque l’hémodialyse prévient cette inhibition du CYP450. Par contre, le mécanisme expliquant l’amélioration transitoire la composition du sérum de patients atteints d’IRC par l’hémodialyse n’est pas connu. L’objectif du projet est d’évaluer l’effet de l’hémodialyse sur l’expression protéique et génique, de même que sur l’activité du CYP450 3A2 dans un modèle d’hépatocytes de rat en culture. Troisièmement, la déficience en calcidiol est fréquente dans les cas d’IRC et l’étiologie est peu connue. Nous avons récemment montré que l’IRC est associée à une diminution du métabolisme des médicaments par le foie suite à une réduction des différents isoformes du CYP450 en partie médiée par l’hormone parathyroïdienne (PTH). La 25-hydroxylation de la vitamine D, au niveau du foie, permet la formation du calcidiol par différents isoformes du CYP450 (CYP2C11, 27A1, 2R1, 3A2 et 2J3) et pourrait être ainsi altérée en présence d’IRC. Les objectifs de cette étude sont de a) confirmer la diminution de synthèse de calcidiol en présence d’IRC et b) évaluer le rôle de la PTH dans la déficience en calcidiol. Finalement, afin de mieux comprendre les inhibitions du CYP450, nous avons étudié les voies de signalisation impliquées dans la régulation du CYP450 en présence d’IRC et avec la PTH puisque les mécanismes d’action demeurent imprécis. La contribution des facteurs de transcription et des récepteurs nucléaires suivants est étudiée ; le récepteur pregnane X (PXR), le récepteur constitutif androstane (CAR) et le facteur nucléaire kappa B (NF-κB), puisqu’ils sont potentiellement activés par le récepteur de la PTH et ces molécules ont été précédemment impliqués dans la régulation du CYP450. Les résultats obtenus montrent que l’hémodialyse des patients atteints d’IRC améliore transitoirement l’expression du CYP450 lorsque des hépatocytes sont mis en culture avec du sérum provenant de ces patients. Aussi, la 25-hydroxylation de la vitamine D est affectée par l’IRC. Les voies de signalisation du NF-κB et les facteurs nucléaires PXR et CAR sont impliqués dans l’inhibition du CYP450. En conclusion, l’IRC affecte, non seulement le métabolisme des médicaments mais aussi l’hydroxylation de la vitamine D, un des rôles endogènes effectués par le CYP450. Ces études nous permettent de mieux comprendre les effets de l’IRC afin de mieux cibler les traitements de choix pour les patients qui en sont atteints.

Une nouvelle approche computationnelle pour la découverte des sites de fixation de facteurs de transcription à l’ADN, adaptée aux données de ChIP-chip et de ChIP-séquençage

Les facteurs de transcription sont des protéines spécialisées qui jouent un rôle important dans différents processus biologiques tel que la différenciation, le cycle cellulaire et la tumorigenèse. Ils régulent la transcription des gènes en se fixant sur des séquences d’ADN spécifiques (éléments cis-régulateurs). L’identification de ces éléments est une étape cruciale dans la compréhension des réseaux de régulation des gènes. Avec l’avènement des technologies de séquençage à haut débit, l’identification de tout les éléments fonctionnels dans les génomes, incluant gènes et éléments cis-régulateurs a connu une avancée considérable. Alors qu’on est arrivé à estimer le nombre de gènes chez différentes espèces, l’information sur les éléments qui contrôlent et orchestrent la régulation de ces gènes est encore mal définie. Grace aux techniques de ChIP-chip et de ChIP-séquençage il est possible d’identifier toutes les régions du génome qui sont liées par un facteur de transcription d’intérêt. Plusieurs approches computationnelles ont été développées pour prédire les sites fixés par les facteurs de transcription. Ces approches sont classées en deux catégories principales: les algorithmes énumératifs et probabilistes. Toutefois, plusieurs études ont montré que ces approches génèrent des taux élevés de faux négatifs et de faux positifs ce qui rend difficile l’interprétation des résultats et par conséquent leur validation expérimentale. Dans cette thèse, nous avons ciblé deux objectifs. Le premier objectif a été de développer une nouvelle approche pour la découverte des sites de fixation des facteurs de transcription à l’ADN (SAMD-ChIP) adaptée aux données de ChIP-chip et de ChIP-séquençage. Notre approche implémente un algorithme hybride qui combine les deux stratégies énumérative et probabiliste, afin d’exploiter les performances de chacune d’entre elles. Notre approche a montré ses performances, comparée aux outils de découvertes de motifs existants sur des jeux de données simulées et des jeux de données de ChIP-chip et de ChIP-séquençage. SAMD-ChIP présente aussi l’avantage d’exploiter les propriétés de distributions des sites liés par les facteurs de transcription autour du centre des régions liées afin de limiter la prédiction aux motifs qui sont enrichis dans une fenêtre de longueur fixe autour du centre de ces régions. Les facteurs de transcription agissent rarement seuls. Ils forment souvent des complexes pour interagir avec l’ADN pour réguler leurs gènes cibles. Ces interactions impliquent des facteurs de transcription dont les sites de fixation à l’ADN sont localisés proches les uns des autres ou bien médier par des boucles de chromatine. Notre deuxième objectif a été d’exploiter la proximité spatiale des sites liés par les facteurs de transcription dans les régions de ChIP-chip et de ChIP-séquençage pour développer une approche pour la prédiction des motifs composites (motifs composés par deux sites et séparés par un espacement de taille fixe). Nous avons testé ce module pour prédire la co-localisation entre les deux demi-sites ERE qui forment le site ERE, lié par le récepteur des œstrogènes ERα. Ce module a été incorporé à notre outil de découverte de motifs SAMD-ChIP.

Rôle de la ghréline dans la régulation du coactivateur transcriptionnel PGC-1alpha

L’adaptation de l’organisme à son environnement est essentielle à sa survie. L’homéostasie énergétique permet l’équilibre entre les apports, les dépenses et le stockage d’énergie. Un surplus calorique important dérègle ce processus et mène au développement du syndrome métabolique caractérisé, entre autres, par une obésité, un diabète de type II, des maladies cardiovasculaires et des dyslipidémies. La ghréline participe au maintien de l’équilibre énergétique durant le jeûne en stimulant la production de glucose par le foie et le stockage lipidique dans le tissu adipeux. Le coactivateur transcriptionnel PGC-1alpha, surexprimé en situation de jeûne, est impliqué dans l’induction de la production de glucose par le foie et l’oxydation des acides gras. Notre hypothèse est que ces deux acteurs clés du métabolisme énergétique constituent un axe de régulation commun. Dans cette étude, nous montrons que la ghréline participe à la régulation de PGC-1alpha. Son récepteur GHS-R1a, possédant une forte activité constitutive, est également impliqué de façon indépendante au ligand. GHS-R1a réduit l’activité transcriptionnelle de PGC-1alpha tandis que l’ajout du ligand inverse modérément cette action. L’effet de GHS-R1a corrèle avec l’acétylation de PGC-1alpha qui est fortement augmentée de façon dose-dépendante. La stabilité de PGC-1alpha est également augmentée par le GHS-R1a indépendamment de l’ubiquitine. La ghréline diminue la capacité de PGC-1alpha à lier PPARbeta, un récepteur nucléaire partenaire de PGC-1alpha. De plus, la ghréline réduit, de façon ligand-dépendante, la capacité de coactivation de PGC-1alpha sur PPARbeta dans les hépatocytes. L’ensemble de ces résultats identifie PGC-1alpha comme cible du signal de la ghréline et suggère un axe de régulation ghréline/PGC-1alpha/PPARbeta.Une meilleure compréhension de cet axe de régulation va permettre la mise en évidence de nouvelles cibles thérapeutiques pour faire face aux pathologies associées au syndrome métabolique.

Non-genomic signalling of the retinoic X receptor through inhibition of Gq signalling in human platelets

Retinoid X receptors (RXRs) are important transcriptional nuclear hormone receptors, acting as either homodimers or the binding partner for at least one fourth of all the known human nuclear receptors. Functional nongenomic effects of nuclear receptors are poorly understood; however, recently peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) gamma, PPARbeta, and the glucocorticoid receptor have all been found active in human platelets. Human platelets express RXRalpha and RXRbeta. RXR ligands inhibit platelet aggregation and TXA(2) release to ADP and the TXA(2) receptors, but only weakly to collagen. ADP and TXA(2) both signal via the G protein, Gq. RXR rapidly binds Gq but not Gi/z/o/t/gust in a ligand-dependent manner and inhibits Gq-induced Rac activation and intracellular calcium release. We propose that RXR ligands may have beneficial clinical actions through inhibition of platelet activation. Furthermore, our results demonstrate a novel nongenomic mode for nuclear receptor action and a functional cross-talk between G-protein and nuclear receptor signaling families.

Nongenomic signaling of the retinoid X receptor through binding and inhibiting Gq in human platelets

Retinoid X receptors (RXRs) are important transcriptional nuclear hormone receptors, acting as either homodimers or the binding partner for at least one fourth of all the known human nuclear receptors. Functional nongenomic effects of nuclear receptors are poorly understood; however, recently peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) gamma, PPAR beta, and the glucocorticoid receptor have all been found active in human platelets. Human platelets express RXR alpha, and RXR beta. RXR ligands inhibit platelet aggregation and TXA(2) release to ADP and the TXA(2) receptors, but only weakly to collagen. ADP and TXA(2) both signal via the G protein, Gq. RXR rapidly binds Gq but not Gi/z/o/t/gust in a ligand-dependent manner and inhibits Gq-induced Rac activation and intracellular calcium release. We propose that RXR ligands may have beneficial clinical actions through inhibition of platelet activation. Furthermore, our results demonstrate a novel nongenomic mode for nuclear receptor action and a functional cross-talk between G-protein and nuclear receptor signaling families. (C) 2007 by The American Society of Hematology.

Fatty acids and the immune system: from basic science to clinical applications

Over the last 25 years, the effects of fatty acids on the immune system have been characterized using in vitro, animal and human studies. Advances in fatty acid biochemistry and molecular techniques have recently suggested new mechanisms by which fatty acids could potentially modify immune responses, including modification of the organization of cellular lipids and interaction with nuclear receptors. Possibilities for the clinical applications of n-3 PUFA are now developing. The present review focuses on the hypothesis that the anti-inflammatory properties of n-3 PUFA in the arterial wall may contribute to the protective effects of n-3 PUFA in CVD, as suggested by epidemiological and secondary prevention studies. Studies are just beginning to show that dietary n-3 PUFA can be incorporated into plaque lipid in human subjects, where they may influence the morphology and stability of the atherosclerotic lesion.

Lipids and the immune response: from molecular mechanisms to clinical applications

Purpose of review This review critically evaluates recent studies investigating the effects of fatty acids on immune and inflammatory responses in both healthy individuals and in patients with inflammatory diseases, with some reference to animal studies where relevant. It examines recent findings describing the cellular and molecular basis for the modulation of immune function by fatty acids. The newly emerging area of diet-genotype interactions will also be discussed, with specific reference to the anti-inflammatory effects of fish oil. Recent findings Fatty acids are participants in many intracellular signalling pathways. They act as ligands for nuclear receptors regulating a host of cell responses, they influence the stability of lipid rafts, and modulate eicosanoid metabolism in cells of the immune system. Recent findings suggest that some or all of these mechanisms may be involved in the modulation of immune function by fatty acids. Summary Human studies investigating the relationship between dietary fatty acids and some aspects of the immune response have been disappointingly inconsistent. This review presents the argument that most studies have not been adequately powered to take into account the influence of variation (genotypic or otherwise) on parameters of immune function. There is well-documented evidence that fatty acids modulate T lymphocyte activation, and recent findings describe a range of potential cellular and molecular mechanisms. However, there are still many questions remaining, particularly with respect to the roles of nuclear receptors, for which fatty acids act as ligands, and the modulation of eicosanoid synthesis, for which fatty acids act as precursors.

LXR as a novel antithrombotic target

Liver X receptors (LXRs) are transcription factors involved in the regulation of cholesterol homeostasis. LXR ligands have athero-protective properties independent of their effects on cholesterol metabolism. Platelets are involved in the initiation of atherosclerosis and despite being anucleate express nuclear receptors. We hypothesized that the athero-protective effects of LXR ligands could be in part mediated through platelets and therefore explored the potential role of LXR in platelets. Our results show that LXR-β is present in human platelets and the LXR ligands, GW3965 and T0901317, modulated nongenomically platelet aggregation stimulated by a range of agonists. GW3965 caused LXR to associate with signaling components proximal to the collagen receptor, GPVI, suggesting a potential mechanism of LXR action in platelets that leads to diminished platelet responses. Activation of platelets at sites of atherosclerotic lesions results in thrombosis preceding myocardial infarction and stroke. Using an in vivo model of thrombosis in mice, we show that GW3965 has antithrombotic effects, reducing the size and the stability of thrombi. The athero-protective effects of GW3965, together with its novel antiplatelet/thrombotic effects, indicate LXR as a potential target for prevention of athero-thrombotic disease.

Combined transcriptomic-(1)H NMR metabonomic study reveals yhat monoethylhexyl phthalate stimulates adipogenesis and glyceroneogenesis in human adipocytes

Adipose tissue is a major storage site for lipophilic environmental contaminants. The environmental metabolic disruptor hypothesis postulates that some pollutants can promote obesity or metabolic disorders by activating nuclear receptors involved in the control of energetic homeostasis. In this context, monoethylhexyl phthalate (MEHP) is of particular concern since it was shown to activate the peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ) in 3T3-L1 murine preadipocytes. In the present work, we used an untargeted, combined transcriptomic-(1)H NMR-based metabonomic approach to describe the overall effect of MEHP on primary cultures of human subcutaneous adipocytes differentiated in vitro. MEHP stimulated rapidly and selectively the expression of genes involved in glyceroneogenesis, enhanced the expression of the cytosolic phosphoenolpyruvate carboxykinase, and reduced fatty acid release. These results demonstrate that MEHP increased glyceroneogenesis and fatty acid reesterification in human adipocytes. A longer treatment with MEHP induced the expression of genes involved in triglycerides uptake, synthesis, and storage; decreased intracellular lactate, glutamine, and other amino acids; increased aspartate and NAD, and resulted in a global increase in triglycerides. Altogether, these results indicate that MEHP promoted the differentiation of human preadipocytes to adipocytes. These mechanisms might contribute to the suspected obesogenic effect of MEHP.

Differential crosstalk between estrogen receptor (ER) alpha and ER beta and the thyroid hormone receptor isoforms results in flexible regulation of the consensus ERE

Crosstalk between nuclear receptors is important for conversion of external and internal stimuli to a physiologically meaningful response by cells. Previous studies from this laboratory have demonstrated crosstalk between the estrogen (ER) and thyroid hormone receptors (TR) on two estrogen responsive physiological promoters, the preproenkephalin and oxytocin receptor gene promoter. Since ERa and ERb are isoforms possessing overlapping and distinct transactivation properties, we hypothesized that the interaction of ERa and b with the various TR isoforms would not be equivalent. To explore this hypothesis, the consensus estrogen response element (ERE)derived from the Xenopus vitellogenin gene is used to investigate the differences in interaction between ERa and b isoforms and the different TR isoforms in fibroblast cells. Both the ER isoforms transactivate from the consensus ERE, though ERa transactivates to a greater extent than ERb. Although neither of the TRb isoforms have an effect on ERa transactivation from the consensus ERE, the liganded TRa1 inhibits the ERa transactivation from the consensus ERE. In contrast, the liganded TRa1 facilitates ERb-mediated transactivation. The crosstalk between the TRb isoforms with the ERa isoform, on the consensus ERE, is different from that with the ERb isoform. The use of a TRa1 mutant, which is unable to bind DNA, abolishes the ability of the TRa1 isoform to interact with either of the ER isoforms. These differences in nuclear receptor crosstalk reveal an important functional difference between isoforms, which provides a novel mechanism for neuroendocrine integration.

Molecular mechanisms of crosstalk between thyroid hormones and estrogens

Purpose of review Novel analyses of the relations between thyroid hormone receptor signaling and estrogen receptor—dependent mechanisms are timely for two sets of reasons. Clinically, both affect mood and foster neuronal growth and regeneration. Mechanistically, they overlap at the levels of DNA recognition elements, coactivators, and signal transduction systems. Crosstalk between thyroid hormone receptors and estrogen receptors is possibly important to integrate external signals to transcription within neurons. Recent findings It has been shown that reproductive functions, including behaviors, driven by estrogens can be antagonized by thyroid hormones, and it has been argued that such crosstalk is biologically adaptive to ensure optimal reproduction. Transcriptional facilitation during transient transfunction studies show that the interactions between thyroid receptor isoforms and estrogen receptor isoforms depend on cell type and promoter context. Overall, this pattern of interactions assures multiple and flexible means of transcriptional regulation. Surprisingly, in some brain areas, thyroid hormone actions can synergize with estrogenic effects, particularly when nongenomic modes of action are considered, such as kinase activation, which, as has been reported, affect later estrogen receptor—induced genomic events. Summary In summary, recent work with nerve cells has contributed to a paradigm shift in how the molecular and behavioral effects of hormones which act through nuclear receptors are viewed.

Membrane-initiated actions of estrogens in neuroendocrinology: emerging principles

Hormonal ligands for the nuclear receptor superfamily have at least two interacting mechanisms of action: 1) classical transcriptional regulation of target genes (genomic mechanisms); and 2) nongenomic actions that are initiated at the cell membrane, which could impact transcription. Although transcriptional mechanisms are increasingly well understood, membrane-initiated actions of these ligands are incompletely understood. Historically, this has led to a considerable divergence of thought in the molecular endocrine field. We have attempted to uncover principles of hormone action that are relevant to membrane-initiated actions of estrogens. There is evidence that the membrane-limited actions of hormones, particularly estrogens, involve the rapid activation of kinases and the release of calcium. Membrane actions of estrogens, which activate these rapid signaling cascades, can also potentiate nuclear transcription. These signaling cascades may occur in parallel or in series but subsequently converge at the level of modification of transcriptionally relevant molecules such as nuclear receptors and/or coactivators. In addition, other hormones or neurotransmitters may also activate cascades to crosstalk with estrogen receptor-mediated transcription. The idea of synergistic coupling between membrane-initiated and genomic actions of hormones fundamentally revises the paradigms of cell signaling in neuroendocrinology.

Non-genomic actions of estrogens and their interaction with genomic actions in the brain

Ligands for the nuclear receptor superfamily have at least two mechanisms of action: (a) classical transcriptional regulation of target genes (genomic mechanisms); and (b) non-genomic actions, which are initiated at the cell membrane, which could also impact transcription. Though transcriptional mechanisms are increasingly well understood, membrane-initiated actions of these ligands are incompletely understood. This has led to considerable debate over the physiological relevance of membrane-initiated actions of hormones versus genomic actions of hormones, with genomic actions predominating in the endocrine field. There is good evidence that the membrane-limited actions of hormones, particularly estrogens, involve the rapid activation of kinases and the release of calcium and that these are linked to physiologically relevant scenarios in the brain. We show evidence in this review, that membrane actions of estrogens, which activate these rapid signaling cascades, can also potentiate nuclear transcription in both the central nervous system and in non-neuronal cell lines. We present a theoretical scenario which can be used to understand this phenomenon. These signaling cascades may occur in parallel or in series but subsequently, converge at the modification of transcriptionally relevant molecules such as nuclear receptors and/or coactivators. In addition, other non-cognate hormones or neurotransmitters may also activate cascades to crosstalk with estrogen receptor-mediated transcription, though the relevance of this is less clear. The idea that coupling between membrane-initiated and genomic actions of hormones is a novel idea in neuroendocrinology and provides us with a unified view of hormone action in the central nervous system.