Identification of the G-protein Gn-Alpha-11 and of the zinc transporter ZIP9 as key components in the mediation of non-classical signaling cascades of androgenic steroids.

Zusätzlich zu der so-genannten „klassischen“ Wirkungsweise der Steroidhormone (SH) die durch intrazellulär-lokalisierten Steroidhormon-Rezeptoren (SHRs) vermittelt werden, induzieren SH auch „nicht-klassische“ Signalkaskaden, die vermutlich über Membranrezeptoren vermittelt werden. Jedoch sind bislang weder der gesamte Umfang der nicht-klassischen Signalereignisse noch die hierfür zuständigen membran-assoziierten Rezeptoren umfassend charakterisiert oder gar identifiziert.
Um den jetzigen Kenntnisstand zur Wirkung und physiologische Relevanz von androgenen Steroiden für die Zellen des männlichen reproduktiven Systems zu erweitern ist erforderlich Signalereignisse, die durch diese induziert werden, zu charakterisieren und die Rezeptortypen zu identifizieren, die mit diesen interagieren. Daher fokussiert die hier präsentierte Arbeit auf die Wirkungsweise von Dehydroepiandrosteron-Sulfat (DHEAS) und Testosteron, zwei androgenen Steroide, die in männlichen Gonaden reichlich vorkommen.
DHEAS ist ein zirkulierendes Steroid welches im Adrenalcortex, im Hirn und in den Gonaden produziert wird. Während eine Reihe von Untersuchungen dem Steroid neuroprotektive Wirkungen attestieren, ist überraschenderweise sehr wenig, ja fast nichts über seine Wirkung auf Zellen des reproduktiven Apparates bekannt: weder DHEAS-spezifische Signalkaskaden, noch ihre physiologische Signifikanz oder der Rezeptortyp, der die Signale vermittelt wurden bislang adressiert. Die hier vorgestellte Arbeit demonstriert zum ersten Mal spezifische, DHEAS-induzierte Signalereignisse in Zellen des reproduktiven Systems. So bewirkt DHEAS in der spermatogenen Zelllinie GC-2 eine zeit- und konzentrations-abhängige Phosphorylierung (Aktivierung) von c-Src und Erk1/2, sowie eine Aktivierung der Transcriptionsfaktoren CREB und ATF-1. Diese Signaleffekte entsprechen der „nicht-klassischen“ Wirkung von Steroidhormonen, wie sie auch für das Testosteron beschrieben wurde. Da DHEAS als Proandrogen angesehen wird, ist es berechtigt zu fragen, ob es erst in Testosteron umgewandelt werden muss, um die Effekte zu triggern, die hier identifiziert wurden. Diese Vermutung muss jedoch verworfen werden, da weder die Anwesenheit des Steroidsulfatase-Inhibitors STX64, noch die Unterdrückung der Expression des Androgenrezeptors durch siRNA die DHEAS-induzierte Aktivierung von Erk1/2, CREB oder ATF-1 verhindern können. Es ist daher unwahrscheinlich, dass DHEAS zuerst im Zytosol in ein anderes Steroid umgewandelt werden muss, um die bereits erwähnten Kinasen und Transcriptionsfaktoren zu aktivieren. Es ist stattdessen sehr wahrscheinlich, dass die DHEAS-induzierte Signalkaskade durch die Interaktion des Steroids mit einem membran-gebundenen, G-Protein-gekoppelten Rezeptor (GPCR) vermittelt wird, da die Unterdrückung der Expression des G-Proteins Gn11 zur Aufhebung der DHEAS-induzierten Stimulierung von Erk1/2, CREB oder ATF-1 führt. Die hier präsentierte Untersuchung zeigt zum ersten Mal eine hormon-ähnliche Wirkung von DHEAS auf eine spermatogene Zelllinie. Da DHEAS in männlichen und auch in weiblichen Reproduktionsorganen synthetisiert wird, könnten diese Befunde helfen neue Rollen des DHEAS in der Physiologie der Reproduktion zu definieren.
Wie andere Steroidhormone, so vermittelt auch Testosteron seine Effekte über klassische und nicht-klassische Signalwege. Obwohl der zytosolisch/nukleäre Androgenrezeptor (AR), der als ligand-aktivierter Transcriptionsfaktor wirkt, zweifelsohne für die klassischen, nicht-genomischen Effekte von Testosteron verantwortlich ist, wird über die Natur des Rezeptors, der in dem nicht-klassischen Signalweg von Testosteron involviert ist, kontrovers diskutiert. Neben der Vermutung, dass der membranständige und der zytosolisch/nukleäre AR identisch sind, deuten mehrere experimentelle Hinweise darauf hin, dass der membranassoziierte AR ein GPCR ist. Um diese zwei Möglichkeiten zu evaluieren, wurde zuerst nach Testosteron-induzierten Signalkaskaden in den spermatogenen Zellen GC-2 nachgeforscht. Die identifizierte Testosteron-induzierte Stimulierung von Erk1/2, CREB and ATF-1 entspricht der nicht-klassischen Aktion von Testosteron. Die Unterdrückung der AR-Expression mittels siRNA beeinflusst jedoch nicht im Geringsten die Androgen-induzierte Aktivierung von Erk1/2, CREB oder ATF-1.
Im Gegensatz hierzu, bewirkt die Unterdrückung der Expression des G-Proteins Gn11 durch geeignete siRNA die vollständige Aufhebung der Testosteron-induzierten Aktivierung von Erk1/2, CREB und ATF-1, sodass man annehmen muss, dass der nicht-klassische Testosteron-induzierter Signalweg nicht durch den AR vermittelt wird, sondern durch einen Plasmamembran-gebundenen Rezeptor, der mit Gn11 interagiert.
Dieser Rezeptor ist höchst wahrscheinlich ZIP9, ein Zn2+ Transporter aus der Familie der ZRT, IRT-like transporting proteins (ZRT=zinc-regulated transporter; IRT=iron-regulated transporter). Unterdrückung seiner Expression durch siRNA führt in der spermatogenen Zelllinie GC-2 zur Aufhebung aller untersuchten Testosteroneffekte, wie Erk1/2-, CREB- oder ATF-1-Aktivierung. Aufgrund dieser Befunde und der Tatsache, dass ZIP9 und Gn11 untereinander interagieren, wie durch ein proximity ligation assay demonstriert wurde, kann man die Einbindung von ZIP9/Gn11 in der Vermittlung der nicht-klassischen Signalweges von Testosteron annehmen.
Unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus den Untersuchungen mit DHEAS und Testosteron, kann man vermuten, dass die nicht-klassischen Signalwege von Androgenen –und vielleicht auch die von anderen Steroidhormonen– generell durch GPCR vermittelt werden und, dass dabei das Gn11 eine Schlüsselkomponente der Weiterleitung der Androgen-induzierten Signalwege darstellt. Da die nicht-klassischen Signalwege der Androgene nicht nur für die männliche Fertilität sondern auch für die Progression von männerspezifischen Krebsarten und auch für Kardiovaskular-, das , Immun- und das Muskuloskeletalsystem von Relevanz sind, wird die Bestätigung von DHEAS-Interaktionen mit GPCR (die noch identifiziert werden müssen) oder von Testosteron-Interaktionen mit ZIP9/Gn11 als Alternativroute des Androgen-induzierten Signalwegs auch in anderen Zelltypen und Geweben helfen nicht nur neue Wirkungsweisen der Steroide aufzudecken, sondern auch Gründe für die Resistenz verschiedener Prostata-Tumore gegenüber Antiandrogenen zu erfassen und neue Behandlungsmethoden zu entwickeln, die auf alle Androgen-induzierte Signale abzielt, klassische und nicht-klassische.