Male Subfertility and Prostate Cancer Risk: Epidemiological and Genetic Studies

Abstract

Androgen action plays a pivotal role in male reproductive tract physiology and pathology. The androgen receptor (AR) gene harbors two codon repeat tracts: the CAG and GGN repeats, encoding corresponding amino acid sequences of variable length; the polyglutamine and polyglycine stretches, respectively. Variation in CAG repeat length had been associated with a number of andrological disorders, whereas very little was known about the GGN repeat when the work for this thesis was started. We hypothesized that variation in GGN length may modulate AR activity, and hence the individual susceptibility to male reproductive tract disorders. We also assessed the relationship between male subfertility-dependent childlessness and prostate cancer (PCa) risk in a nested case-control study to test the hypothesis that subfertile men are at lower risk of developing PCa than fertile men, since they are frequently hypogonadal secondary to testicular dysfunction.

Our specific aims were to investigate: 1) whether the AR codon repeats are associated with clinical reproductive parameters, subfertility, hypospadias, or cryptorchidism; 2) whether childlessness secondary to male subfertility is associated with reduced PCa risk; and 3) the possible involvement of genetic variants in reducing PCa risk in subfertile men, including in the sex steroid signaling pathway and aryl hydrocarbon receptor (AHR) pathway, which mediates some of the effects of endocrine disrupting chemicals, and also in PCa risk genes implicated in previous genome-wide association studies.

Our main findings were that: 1) GGN repeat lengths were significantly longer in men with penile hypospadias or cryptorchidism than in controls (median 24 vs. 23) and that the longer allele may be associated with superior AR function; 2) subfertile men were at reduced PCa risk compared with fertile men, OR: 0.45 (95% CI: 0.25-0.83); and 3) genes harboring variants that may play a role in reducing PCa risk in subfertile men include AHR, its partner molecule AHR nuclear translocator (ARNT), and estrogen receptor beta (ESR2), as well as a number of other genes, of which poly (ADP-ribose) polymerase 2 (PARP2) showed the most robust association.

We conclude that: 1) longer GGN repeat lengths may be associated with cryptorchidism and hypospadias; 2) subfertile involuntarily childless men are at an approximately 50% lower risk of being diagnosed with PCa than are fathers of at least one biological child; 3) variants in a number of genes may play a role in linking male subfertility with reduced PCa risk through their associations with impaired reproductive function. The findings support the hypothesis that alterations in sex steroid action, potentially via interaction with the AHR-ARNT signaling pathway, may contribute to the overall reduction in PCa risk in subfertile men.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

De manliga könshormonerna, sk. androgener, spelar en nyckelroll under foster-utvecklingen av de manliga inre (t ex. blåshalskörtel/prostata) och yttre (t ex. penis) könsorganen. Androgenerna stimulerar även tillväxten av desamma under puberteten samt upprätthåller de manliga kroppsegenskaperna under vuxenlivet. De två huvudsakliga androgenerna är testosteron (T) samt 5α-dihydrotestosteron (DHT), vilka verkar genom att binda till den sk. androgenreceptorn (AR), som är en transkriptionsfaktor, innebärande att dess funktion är att slå på eller av andra gener.

Om inte AR fungerar korrekt blir resultatet en dålig ”signalöverföring”, vilket yttrar sig i olika grader av okänslighet för androgenernas funktioner. Patienter som föds med en helt icke-funktionell AR pga. en genmutation har ett tillstånd som kallas komplett androgeninsensitivitetssyndrom (CAIS). Eftersom en fungerande AR är central för att det ”manliga utvecklingsprogrammet” ska slås på under fosterutvecklingen, yttrar sig syndromet genom att ett barn med manlig kromosom-uppsättning föds med en flickas kropp, sk. feminisering. Det förekommer även mildare varianter av feminisering, t ex. att pojken föds med en penis som kan vara mindre än normalt, och som inte sällan har urinrörsmynningen för nära penisroten, sk. hypospadi. Ibland har testiklarna inte vandrat ned i pungen, sk. retentio testis eller kryptorkism, och finns istället i buken eller i ljumskarna.

AR-genen ligger på X-kromosomen, vilket innebär att män endast har en kopia av genen, medan kvinnor har två. Detta betyder att ev. skadliga genmutationer som gör att AR proteinet inte fungerar oftast drabbar män, men inte kvinnor som har en ”reservgen” på den andra X-kromosomen. Som alla andra sk. kodande gener består AR-genen av en sekvens med DNA-baser, där tre stycken baser utgör ett sk. kodon, som kodar för en aminosyra. Vilken aminosyra som kodonet ”översätts” till avgörs av kodonets bassekvens. I AR-genen finns två sträckor med repeterande kodon som upprepas i varierande antal, sk. repeat. Antalet repeat varierar normalt mellan olika individer och påverkar AR-funktionen. AR-repeaten är CAG, som kodar för aminosyran glutamin, respektive GGN, som kodar för glycin.

När jag började arbeta med forskningsprojekten som denna avhandling baseras på hade man i viss utsträckning studerat sambandet mellan variationer i CAG-repeat längd och olika sjukdomstillstånd eller missbildningar i de manliga könsorganen. Däremot fanns endast mycket begränsad information om GGN-repeatets ev. betydelse i dessa avseenden. Vi ville därför testa hypotesen att variationer i GGN-repeatets längd ev. kunde påverka AR funktionen, och därmed även individens risk för att drabbas av sjukdomstillstånd i de manliga könsorganen.

Den första i avhandligen ingående studien visade att en grupp med mönstrande unga män (som representerar en genomsnittliga manlig befolkning) oftare än infertila (ofruktsamma) män var bärare av korta (<21) CAG repeat i kombinationen med den vanligaste GGN längden på 23 repeat. Vi fann även att den kortare GGN varianten var förknippad med bättre reproduktiv funktion, genom att bärarna hade större genomsnittlig testikelvolym och bättre prostatisk sekretorisk funktion än bärare av den längre varianten. I andra studien fann vi att den längre GGN längden var vanligare hos män med sk. penila hypospadier och retentio testis. Sammantaget talar studieresultaten för att genvarianten med 23 GGN repeat verkar vara förknippad med bättre AR funktion än den med 24 repeat.

I de sista tre studierna utforskade vi det ev. sambandet mellan ofrivillig barnlöshet beroende på manlig subfertilitet och risken för prostatacancer (PCa). Tredje studien var en epidemiologisk fallkontrollstudie, vars syfte var att testa hypotesen att barnlösa subfertila män löper lägre risk att drabbas av PCa än fertila män, då de förstnämnda ofta har nedsatt testikelfunktion och därmed lägre androgenhalter i kroppen än normalt (sk. hypogonadism). Man vet sedan tidigare att androgener är inblandade i PCa-utveckling. I de två sista studierna ville vi undersöka om varianter (sk. polymorfier) i vissa gener ev. kunde vara delaktiga i att länka samman manlig subfertilitet med nedsatt risk för PCa.

Fallkontrollstudien indikerar att subfertila ofrivilligt barnlösa män löper en ungefär halverad risk att diagnostiseras med PCa än fäder med minst ett biologiskt barn. I vår analys kontrollerade vi att sambandet inte i själva verket berodde på sk. störfaktorer. I fjärde studien undersöktes genetiska varianter i signalerings-systemen som medierar androgeners och östrogeners (kvinnliga könshormoner) effekter, samt även i den sk. arylhydrocarbonreceptorn (AHR) och i samverkande proteiner, t ex. ARNT. AHR medierar effekterna av vissa ämnen i miljön med hormonliknande, eller ibland giftiga, effekter (s.k. endokrina disruptorer). Vi fann att varianter i AHR, ARNT samt östrogenreceptor beta (ESR2) ev. kunde bidra till att länka samman manlig subfertilitet med minskad risk för PCa. Resultaten stödjer hypotesen att ändringar i könshormonernas verkan ev. kan bidra till den minskade risken för PCa hos de subfertila männen. I femte studien undersöktes varianter i gener som pekats ut som PCa-riskgener i tidigare studier, eller i vissa fall som tidigare visats spela roll för fertiliteten. Studien visade att polymorfier i ett flertal andra gener ev. också bidrar till att minska risken för PCa bland subfertila män. Ett av de statistiskt starkaste sambanden var med en gen som kallas PARP2, som är inblandad i ett flertal viktiga funktioner såsom cellöverlevnad och celldöd, och som även är inblandad i spermienybildningen.

Sammanfattningsvis är våra konklusioner följande: längre GGN-repeatlängder kan vara förknippade med försämrad fertilitet och ökad risk för kryptorkism och hypospadier; subfertila ofrivilligt barnlösa män löper en ca 50% lägre risk att drabbas av PCa än fäder med minst ett biologiskt barn, samt; varianter i ett flertal gener kan ev. vara inblandade i att länka samman manlig subfertilitet med nedsatt PCa-risk genom deras samband med nedsatt reproduktionsfunktion.

• author: Ruhayel, Yasir
• supervisor: Yvonne Giwercman; Aleksander Giwercman
• opponent: Prof. Damber, Jan-Erik, Department of Urology, Institute of Clinical Sciences, Sahlgrenska Academy, University of Gothenburg, Sweden
• organization: Molecular genetic reproductive medicine, Malmö (research group)
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Obstetrics, Gynecology and Reproductive Medicine
• keywords: cytoplasmic and nuclear, Receptors, Prostatic neoplasms, genetic, Polymorphism, male, Infertility, Hypogonadism, Genetic association studies, Case–control studies, Androgens
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2012:5
• pages: 155 pages
• defense location: Jubileumsaulan, Entrance 59, Skåne University Hospital Malmö
• defense date: 2012-01-27 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-86871-67-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: ec99bf64-2f7d-4865-9a20-24a4bdb64c6d (old id 2269342)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:55:34
• date last changed: 2023-04-18 20:25:43