A multiple nucleotide length polymorphism (MNLP) mediates androgen regulation of IRX4 in prostate cancer

Androgens and the androgen receptor (AR) play a crucial role in the initiation and progression of prostate cancer (PCa), regulating the expression of many PCa risk-associated genes. Iroquois Homeobox 4 (IRX4) has been recently identified with PCa risk and overexpressed in PCa. We observed a down-regulation of IRX4 expression in the cells undergoing epithelial to mesenchymal transition, suggesting its potential role in PCa progression and aim to delineate the androgenmediated regulation of IRX4 in PCa.

Extracellular vesicles mediate paracrine signalling in androgen deprived prostate cancer

The androgen receptor (AR) is the main therapeutic target for advanced prostate cancer (PCa). Current treatments have focused on inhibiting the transcriptional activity of the AR, however androgens can also induce non-genomic effects by facilitating the initiation of kinase signaling cascades in PCa. Cells, including PCa, secrete extracellular vesicles (EV), which are able to mediate communication between cells and can also contribute towards these processes.

Alterations in the steroid hormone receptor co-chaperone FKBPL are associated with male infertility: a case-control study

Background: Male infertility is a common cause of reproductive failure in humans. In mice, targeted deletions of the genes coding for FKBP6 or FKBP52, members of the FK506 binding protein family, can result in male infertility. In the case of FKBP52, this reflects an important role in potentiating Androgen Receptor (AR) signalling in the prostate and accessory glands, but not the testis. In infertile men, no mutations of FKBP52 or FKBP6 have been found so far, but the gene for FKBP-like (FKBPL) maps to chromosome 6p21.3, an area linked to azoospermia in a group of Japanese patients.

Androgens and estrogens stimulate ribosome biogenesis in prostate and breast cancer cells in receptor dependent manner

Ribosome biogenesis is a fundamental cellular process intimately linked to cell growth and proliferation, which is upregulated in most of cancers especially in aggressive cancers. In breast and prostate cancers steroid hormone receptor signalling is the principal stimulus for cancer growth and progression. Here we investigated the link between estrogen and androgen receptor signalling and the initial stage of ribosome biogenesis - transcription of rRNA genes. We have discovered that estrogen or androgen treatment can positively regulate rRNA synthesis in breast and prostate cancer cells respectively and that this effect is receptor dependent. This novel and interesting finding suggests a previously unidentified link between steroid hormone receptor signalling pathways and the regulation of ribosome biogenesis.

Kaempferol Exhibits Progestogenic Effects in Ovariectomized Rats

OBJECTIVE: Progesterone (P4) plays a central role in women's health. Synthetic progestins are used clinically in hormone replacement therapy (HRT), oral contraceptives, and for the treatment of endometriosis and infertility. Unfortunately, synthetic progestins are associated with side effects, including cardiovascular disease and breast cancer. Botanical dietary supplements are widely consumed for the alleviation of a variety of gynecological issues, but very few studies have characterized natural compounds in terms of their ability to bind to and activate progesterone receptors (PR). Kaempferol is a flavonoid that functions as a non-steroidal selective progesterone receptor modulator (SPRM) in vitro. This study investigated the molecular and physiological effects of kaempferol in the ovariectomized rat uteri.

METHODS: Since genistein is a phytoestrogen that was previously demonstrated to increase uterine weight and proliferation, the ability of kaempferol to block genistein action in the uterus was investigated. Analyses of proliferation, steroid receptor expression, and induction of well-established PR-regulated targets Areg and Hand2 were completed using histological analysis and qPCR gene induction experiments. In addition, kaempferol in silico binding analysis was completed for PR. The activation of estrogen and androgen receptor signalling was determined in vitro.

RESULTS: Molecular docking analysis confirmed that kaempferol adopts poses that are consistent with occupying the ligand-binding pocket of PRA. Kaempferol induced expression of PR regulated transcriptional targets in the ovariectomized rat uteri, including Hand2 and Areg. Consistent with progesterone-l ke activity, kaempferol attenuated genistein-induced uterine luminal epithelial proliferation without increasing uterine weight. Kaempferol signalled without down regulating PR expression in vitro and in vivo and without activating estrogen and androgen receptors.

CONCLUSION: Taken together, these data suggest that kaempferol is a unique natural PR modulator that activates PR signaling in vitro and in vivo without triggering PR degradation.

Divergent androgen regulation of unfolded protein response pathways drives prostate cancer

The unfolded protein response (UPR) is a homeostatic mechanism to maintain endoplasmic reticulum (ER) function. The UPR is activated by various physiological conditions as well as in disease states, such as cancer. As androgens regulate secretion and development of the normal prostate and drive prostate cancer (PCa) growth, they may affect UPR pathways. Here, we show that the canonical UPR pathways are directly and divergently regulated by androgens in PCa cells, through the androgen receptor (AR), which is critical for PCa survival. AR bound to gene regulatory sites and activated the IRE1α branch, but simultaneously inhibited PERK signaling. Inhibition of the IRE1α arm profoundly reduced PCa cell growth in vitro as well as tumor formation in preclinical models of PCa in vivo. Consistently, AR and UPR gene expression were correlated in human PCa, and spliced XBP-1 expression was significantly upregulated in cancer compared with normal prostate. These data establish a genetic switch orchestrated by AR that divergently regulates the UPR pathways and suggest that targeting IRE1α signaling may have therapeutic utility in PCa.

Androgen-regulated metabolism and biosynthesis in prostate cancer

Metabolic changes are a well-described hallmark of cancer and are responses to changes in the activity of diverse oncogenes and tumour suppressors. For example, steroid hormone biosynthesis is intimately associated with changes in lipid metabolism and represents a therapeutic intervention point in the treatment of prostate cancer (PCa). Both prostate gland development and tumorigenesis rely on the activity of a steroid hormone receptor family member, the androgen receptor (AR). Recent studies have sought to define the biological effect of the AR on PCa by defining the whole-genome binding sites and gene networks that are regulated by the AR. These studies have provided the first systematic evidence that the AR influences metabolism and biosynthesis at key regulatory steps within pathways that have also been defined as points of influence for other oncogenes, including c-Myc, p53 and hypoxia-inducible factor 1α, in other cancers. The success of interfering with these pathways in a therapeutic setting will, however, hinge on our ability to manage the concomitant stress and survival responses induced by such treatments and to define appropriate therapeutic windows.

Global identification of androgen response elements

Chromatin immunoprecipitation (ChIP) is an invaluable tool in the study of transcriptional regulation. ChIP methods require both a priori knowledge of the transcriptional regulators which are important for a given biological system and high-quality specific antibodies for these targets. The androgen receptor (AR) is known to play essential roles in male sexual development, in prostate cancer and in the function of many other AR-expressing cell types (e.g. neurons and myocytes). As a ligand-activated transcription factor the AR also represents an endogenous, inducible system to study transcriptional biology. Therefore, ChIP studies of the AR can make use of treatment contrast experiments to define its transcriptional targets. To date several studies have mapped AR binding sites using ChIP in combination with genome tiling microarrays (ChIP-chip) or direct sequencing (ChIP-seq), mainly in prostate cancer cell lines and with varying degrees of genomic coverage. These studies have provided new insights into the DNA sequences to which the AR can bind, identified AR cooperating transcription factors, mapped thousands of potential AR regulated genes and provided insights into the biological processes regulated by the AR. However, further ChIP studies will be required to fully characterise the dynamics of the AR-regulated transcriptional programme, to map the occupancy of different AR transcriptional complexes which result in different transcriptional output and to delineate the transcriptional networks downstream of the AR.

The Early Effects of Rapid Androgen Deprivation on Human Prostate Cancer

The androgen receptor (AR) is the dominant growth factor in prostate cancer (PCa). Therefore, understanding how ARs regulate the human transcriptome is of paramount importance. The early effects of castration on human PCa have not previously been studied 27 patients medically castrated with degarelix 7 d before radical prostatectomy. We used mass spectrometry, immunohistochemistry, and gene expression array (validated by reverse transcription-polymerase chain reaction) to compare resected tumour with matched, controlled, untreated PCa tissue. All patients had levels of serum androgen, with reduced levels of intraprostatic androgen at prostatectomy. We observed differential expression of known androgen-regulated genes (TMPRSS2, KLK3, CAMKK2, FKBP5). We identified 749 genes downregulated and 908 genes upregulated following castration. AR regulation of α-methylacyl-CoA racemase expression and three other genes (FAM129A, RAB27A, and KIAA0101) was confirmed. Upregulation of oestrogen receptor 1 (ESR1) expression was observed in malignant epithelia and was associated with differential expression of ESR1-regulated genes and correlated with proliferation (Ki-67 expression).

PATIENT SUMMARY: This first-in-man study defines the rapid gene expression changes taking place in prostate cancer (PCa) following castration. Expression levels of the genes that the androgen receptor regulates are predictive of treatment outcome. Upregulation of oestrogen receptor 1 is a mechanism by which PCa cells may survive despite castration.

Immuno-oncology of human prostate cancer : phenotypical characterization and study of the tumor-derived, androgen-regulated immunosuppressive microenvironment

Le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué chez les hommes canadiens et la troisième cause de décès relié au cancer. Lorsque diagnostiqué à un stade précoce de la maladie, le cancer de la prostate est traité de manière curative par chirurgie et radiothérapie. Par contre, les thérapies actuelles ne peuvent éradiquer la maladie lorsqu’elle progresse à des stades avancés. Ces thérapies, comme la chimiothérapie et l’hormonothérapie, demeurent donc palliatives. Il est primordial d’optimiser de nouvelles thérapies visant l’élimination des cellules cancéreuses chez les patients atteints des stades avancés de la maladie. Une de ces nouvelles options thérapeutiques est l’immunothérapie. L’immunothérapie du cancer a fait des progrès considérables durant les dernières années. Cependant, les avancements encourageants obtenus lors d’essais précliniques ne se sont pas encore traduits en des résultats cliniques significatifs. En ce qui concerne le cancer de la prostate, les résultats négligeables suivants des interventions immunothérapeutiques peuvent être causés par le fait que la plupart des études sur le microenvironnement immunologique furent effectuées chez des modèles animaux. De plus la majorité des études sur l’immunologie tumorale humaine furent effectuées chez des patients atteints d’autres cancers, tels que le mélanome, et non chez les patients atteints du cancer de la prostate. Donc, le but central de cette thèse de doctorat est d’étudier le microenvironnement immunologique chez les patients atteints du cancer de la prostate afin de mieux définir les impacts de la tumeur sur le développement de la réponse immunitaire antitumorale. Pour réaliser ce projet, nous avons établi deux principaux objectifs de travail : (i) la caractérisation précise des populations des cellules immunitaires infiltrant la tumeur primaire et les ganglions métastatiques chez les patients atteints du cancer de la prostate; (ii) l’identification et l’étude des mécanismes immunosuppressifs exprimés par les cellules cancéreuses de la prostate. Les résultats présentés dans cette thèse démontrent que la progression du cancer de la prostate est associée au développement d’un microenvironnement immunosuppressif qui, en partie, est régulé par la présence des androgènes. L’étude initiale avait comme but la caractérisation du microenvironnement immunologique des ganglions drainant la tumeur chez des patients du cancer de la prostate. Les résultats présentés dans le chapitre III nous a permis de démontrer que les ganglions métastatiques comportent des signes cellulaires et histopathologiques associés à une faible réactivité immunologique. Cette immunosuppression ganglionnaire semble dépendre de la présence des cellules métastatiques puisque des différences immunologiques notables existent entre les ganglions non-métastatiques et métastatiques chez un même patient. La progression du cancer de la prostate semble donc associée au développement d’une immunosuppression affectant les ganglions drainant la tumeur primaire. Par la suite, nous nous sommes intéressés à l’impact de la thérapie par déplétion des androgènes (TDA) sur le microenvironnement immunologique de la tumeur primaire. La TDA est associée à une augmentation marquée de l’inflammation prostatique. De plus, les protocoles d’immunothérapies pour le cancer de la prostate actuellement évalués en phase clinique sont dirigés aux patients hormonoréfractaires ayant subi et échoué la thérapie. Cependant, peu d’information existe sur la nature de l’infiltrat de cellules immunes chez les patients castrés. Il est donc essentiel de connaître la nature de cet infiltrat afin de savoir si celui-ci peut répondre de manière favorable à une intervention immunothérapeutique. Dans le chapitre IV, je présente les résultats sur l’abondance des cellules immunes infiltrant la tumeur primaire suivant la TDA. Chez les patients castrés, les densités de lymphocytes T CD3+ et CD8+ ainsi que des macrophages CD68+ sont plus importantes que chez les patients contrôles. Nous avons également observé une corrélation entre la densité de cellules NK et une diminution du risque de progression de la maladie (rechute biochimique). Inversement, une forte infiltration de macrophages est associée à un plus haut risque de progression. Conjointement, durant cette étude, nous avons développé une nouvelle approche informatisée permettant la standardisation de la quantification de l’infiltrat de cellules immunes dans les échantillons pathologiques. Cette approche facilitera la comparaison d’études indépendantes sur la densité de l’infiltrat immun. Ces résultats nous ont donc permis de confirmer que les effets pro-inflammatoires de la TDA chez les patients du cancer de la prostate ciblaient spécifiquement les lymphocytes T et les macrophages. L’hypothèse intéressante découlant de cette étude est que les androgènes pourraient réguler l’expression de mécanismes immunosuppressifs dans la tumeur primaire. Dans le chapitre V, nous avons donc étudié l’expression de mécanismes immunosuppressifs par les cellules cancéreuses du cancer de la prostate ainsi que leur régulation par les androgènes. Notre analyse démontre que les androgènes augmentent l’expression de molécules à propriétés immunosuppressives telles que l’arginase I et l’arginase II. Cette surexpression dépend de l’activité du récepteur aux androgènes. Chez les patients castrés, l’expression de l’arginase II était diminuée suggérant une régulation androgénique in vivo. Nous avons observé que l’arginase I et l’arginase II participent à la prolifération des cellules du cancer de la prostate ainsi qu’à leur potentiel immunosuppressif. Finalement, nous avons découvert que l’expression de l’interleukin-8 était aussi régulée par les androgènes. De plus, l’interleukin-8, indépendamment des androgènes, augmente l’expression de l’arginase II. Ces résultats confirment que les androgènes participent au développement d’une microenvironnement immunosuppressif dans le cancer de la prostate en régulant l’expression de l’arginase I, l’arginase II et l’interleukin-8. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse témoignent du caractère unique du microenvironnement immunologique chez les patients atteints du cancer de la prostate. Nos travaux ont également permis d’établir de nouvelles techniques basées sur des logiciels d’analyse d’image afin de mieux comprendre le dialogue entre la tumeur et le système immunitaire chez les patients. Approfondir les connaissances sur les mécanismes de régulation du microenvironnement immunologique chez les patients atteint du cancer de la prostate permettra d’optimiser des immunothérapies mieux adaptées à éradiquer cette maladie.

Study of nuclear receptor dynamics by BRET

Les récepteurs nucléaires (RN) sont des facteurs de transcription ligand dépendants qui contrôlent une grande variété de processus biologiques de la physiologie humaine, ce qui a fait d'eux des cibles pharmacologiques privilégiées pour de nombreuses maladies. L'un de ces récepteurs, le récepteur de l’œstrogène alpha (ERα), peut activer la prolifération cellulaire dans certaines sections de l'épithélium mammaire tandis qu’un autre, le récepteur de l'acide rétinoïque alpha (RARα), peut provoquer un arrêt de la croissance et la différenciation cellulaire. La signalisation de ces deux récepteurs peut être altérée dans le cancer du sein, contribuant à la tumorigénèse mammaire. L’activité d’ERα peut être bloquée par les anti-oestrogènes (AE) pour inhiber la prolifération des cellules tumorales mammaires. Par contre, l’activation des voies de RARα avec des rétinoïdes dans un contexte clinique a rencontré peu de succès. Ceci pourrait résulter du manque de spécificité des ligands testés pour RARα et/ou de leur activité seulement dans certains sous-types de tumeurs mammaires. Puisque les récepteurs nucléaires forment des homo- et hétéro-dimères, nous avons cherché à développer de nouveaux essais pharmacologiques pour étudier l'activité de complexes dimériques spécifiques, leur dynamique d’association et la structure quaternaire des récepteurs des œstrogènes. Nous décrivons ici une nouvelle technique FRET, surnommée BRET avec renforcement de fluorescence par transferts combinés (BRETFect), qui permet de détecter la formation de complexes de récepteurs nucléaires ternaires. Le BRETFect peut suivre l'activation des hétérodimères ERα-ERβ et met en évidence un mécanisme allostérique d'activation que chaque récepteur exerce sur son partenaire de dimérisation. L'utilisation de BRETFect en combinaison avec le PCA nous a permis d'observer la formation de multimères d’ERα fonctionnels dans des cellules vivantes pour la première fois. La formation de multimères est favorisée par les AE induisant la dégradation du récepteur des oestrogènes, ce qui pourrait contribuer à leurs propriétés spécifiques. Ces essais de BRET apportent une nette amélioration par rapport aux tests de vecteurs rapporteur luciférase classique, en fournissant des informations spécifiques aux récepteurs en temps réel sans aucune interférence par d'autres processus tels que la transcription et de la traduction. L'utilisation de ces tests nous a permis de caractériser les propriétés de modulation de l’activité des récepteurs nucléaires d’une nouvelle classe de molécules hybrides qui peuvent à la fois lier ERa ou RAR et inhiber les HDACs, conduisant au développement de nouvelles molécules prometteuses bifonctionnelles telles que la molécule hybride RAR-agoniste/HDACi TTNN-HA.

Ligand induced interaction of thyroid hormone receptor beta with its coregulators

Thyroid hormones exert most of their physiological effects through two thyroid hormone receptor (TR) subtypes, TR alpha and TR beta, which associate with many transcriptional coregulators to mediate activation or repression of target genes. The search for selective TR beta ligands has been stimulated by the finding that several pharmacological actions mediated by TR beta might be beneficial in medical conditions such as obesity, hypercholesterolemia and diabetes. Here, we present a new methodology which employs surface plasmon resonance to investigate the interactions between TR beta ligand binding domain (LBD) complexes and peptides derived from the nuclear receptor interaction motifs of two of its coregulators, SRC2 and DAX1. The effect of several TR beta ligands, including the TR beta selective agonist GC-I and the TR beta selective antagonist NH-3, were investigated. We also determined the kinetic rate constants for the interaction of TR beta-T3 with both coregulators, and accessed the thermodynamic parameters for the interaction with DAX1. Our findings Suggest that flexibility plays an important role in the interaction between the receptor and its coregulators. and point out important aspects of experimental design that should be addressed when using TR beta LBD and its agonists. Furthermore, the methodology described here may be useful for the identification of new TR beta ligands. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Analysis of Agonist and Antagonist Effects on Thyroid Hormone Receptor Conformation by Hydrogen/Deuterium Exchange

Thyroid hormone receptors (TRs) are ligand-gated transcription factors with critical roles in development and metabolism. Although x-ray structures of TR ligand-binding domains (LBDs) with agonists are available, comparable structures without ligand (apo-TR) or with antagonists are not. It remains important to understand apo-LBD conformation and the way that it rearranges with ligands to develop better TR pharmaceuticals. In this study, we conducted hydrogen/deuterium exchange on TR LBDs with or without agonist (T(3)) or antagonist (NH(3)). Both ligands reduce deuterium incorporation into LBD amide hydrogens, implying tighter overall folding of the domain. As predicted, mass spectroscopic analysis of individual proteolytic peptides after hydrogen/deuterium exchange reveals that ligand increases the degree of solvent protection of regions close to the buried ligand-binding pocket. However, there is also extensive ligand protection of other regions, including the dimer surface at H10-H11, providing evidence for allosteric communication between the ligand-binding pocket and distant interaction surfaces. Surprisingly, C-terminal activation helix H12, which is known to alter position with ligand, remains relatively protected from solvent in all conditions suggesting that it is packed against the LBD irrespective of the presence or type of ligand. T(3), but not NH(3), increases accessibility of the upper part of H3-H5 to solvent, and we propose that TR H12 interacts with this region in apo-TR and that this interaction is blocked by T(3) but not NH(3.) We present data from site-directed mutagenesis experiments and molecular dynamics simulations that lend support to this structural model of apo-TR and its ligand-dependent conformational changes. (Molecular Endocrinology 25: 15-31, 2011)

Tissue changes in senescent gerbil prostate after hormone deprivation leads to acquisition of androgen insensitivity

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)