Structure, evolution and expression of glandular kallikrein genes

Abstract

Prostate-specific antigen (PSA) is a worldwide used tool for the diagnosis and monitoring of prostate cancer. It is a serine protease and belongs to the family of glandular kallikreins. Humans have three classical glandular kallikreins, but it has been reported that rodents have many more. Lately, the family has been expanded to contain 12 new genes, KLK4–KLK15, that are situated at the same locus on 19q13.3–13.4 in humans.



In our phylogenetic analysis, we were able to demonstrate that the classical glandular kallikrein genes can be considered a subgroup of the expanded glandular kallikrein family. The tissue kallikrein gene has 14 functional paralogs in the mouse and 10 in the rat, but there is only a single copy in artiodactyls, dogs and primates. The arginine esterase in the canine prostate is the only identified functional ortholog of the progenitor to human PSA and hK2. In contrast, KLK4–KLK15 are conserved in the mouse and rat, suggesting that they can be used as model systems to elucidate the physiological importance of these genes.



We found that AREIII in the distal promoter region of KLK2 related genes contained deletions in all pseudogenes, whereas it is intact in all functional genes investigated in the present study, which implies that such deletions may represent a step in the process leading to the silencing of KLK2 genes. Repair of the AREIII in the cotton-top tamarin KLK2H2 pseudogene, led to restoration of full transcriptional activity, confirming the importance of this element.



Both PSA and hK2 were found to be expressed in many non-prostatic tissues, but at much lower levels than in the prostate. Furthermore, it was shown that PSA in ileum exhibits comparable proteolytic activity and potential to form complexes with protease inhibitors as does PSA in prostate.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Prostatacancer är idag den vanligaste sjukdomen hos män, och är den cancer form som leder till flest dödsfall bland män i Sverige (av de män som får diagnosen avlider 35% på grund av sjukdomen). Det har visats att risken att utveckla prostatacancer påverkas av ålder, etnicitet och diet (bla asiatisk mat och tomater verkar ha skyddande effekt), men också av genetiska faktorer.



Bestämning av nivån prostata-specifikt antigen (PSA) i blod används över hela värden för diagnostik och uppföljning av prostata cancer. Men trots detta så vet man inte så mycket om vilka funktioner PSA har, och om det spelar en roll i cancer utveckling. Den enda fysiologiska funktion man har visat är att PSA är involverat i upplösningen av koaglet av semen genom att bryta ner de gel-bildande proteinerna Semenogelin I och II. PSA tillhör en familj av proteiner som kallas glandulära kallikreiner, dit hör också humant glandulärt kallikrein 2 (hK2). Det har visats att om man kombinerar PSA och hK2 mätningar, så ökar möjligheten att särskilja godartad prostata förstoring från cancer. Hos människor finns också ytterligare en klassisk glandulär kallikrein som kallas vävnadskallikrein. På senare tid har det hittats 12 nya gener, som ligger bredvid de klassiska glandulära kallikreinerna på kromosom 19. Även då de inte uppvisade så stor sekvenslikhet så inkluderades de i denna familj.



I arbetena som ingår i denna avhandling har vi har studerat genorganisation av glandulära kallikreiner i olika arter, hur de har utvecklats, och vi har även tittat på regleringen och utbredningen av produktionen av PSA och hK2 i olika vävnader. Förhoppningen är att grundläggande kunskaper skall öka förståelsen av proteinernas funktioner.



I de evolutionära studierna vi har gjort kan vi visa att de klassiska glandulära kallikreinerna kan anses vara en subfamilj i den utvidgade familjen. Vi har visat att det finns hela 14 funktionella vävnadskallikreiner i mus, 10 hos råtta, men bara en hos klövdjur, hundar, apor och människor. Intressant nog verkar duplikationerna av musen och råttans gener ha skett oberoende av varandra. Detta skulle kunna tyda på att det finns selektiva fördelar för gnagare som har ökade nivåer vävnads kallikrein.



Vi har visat att mus och råtta saknar PSA eller hK2 gener. Vidare har vi studerat peruksilkesapan, en sydamerikansk apa som evolutionärt är beläget mellan gnagare och människor. Det visade sig, att den har en hK2 gen, men att denna verkar ha blivit tystad, dvs. den kan inte ge upphov till funktionella proteiner, och allt tyder på att PSA genen har blivit sönder muterad. Hundar, däremot, verkar ha en funktionell föregångare till PSA och hK2. Det har till och med rapporterats att mängden av den ökar i blod hos hundar med prostatacancer. Hunden är förövrigt ett av de få djur, förutom människan, som har rapporterats spontant utveckla prostatacancer.



Uttrycket av PSA och hK2 generna styrs till stora delar av det manliga könshormonet androgen. Androgen bildar komplex med en androgen receptor som binder in till androgen responsiva element (ARE) i generna, de interagerar med transkriptions maskineriet, och ökar därigenom produktionen av proteiner från dessa gener. Vi har visat att AREIII i olika tystade hK2 relaterade gener innehåller deletioner (luckor i DNAt), emedan AREIII i alla funktionella gener är opåverkat. Detta skulle kunna tyda på att de här deletionerna är ett steg i nedtystningsprocessen av dessa gener. Vi har också lyckats visa att om man deleterar AREIII i den humana hK2 genen så minskar produktiviteten. Och om man reparerar AREIII hos peruksilkes-apans tystade hK2 gen, så startar produktionen av proteiner igen. Detta bekräftar betydelsen av detta element i regleringen av produktion från hK2 genen.



Namnet till trots, så har det framkommit att PSA inte utrycks enbart i prostata. Vi har genomfört en grundlig undersökning av utbredningen av PSA och hK2 i olika vävnader, där vi har studerat både mRNA och proteiner. Vi fann att förutom i prostata så produceras de också i; luftstrupen, sköldkörteln, bröst, hud, spottkörtlar, tunntarmen, urinröret, testiklarna, sädesblåsorna, och bitestikeln. Vi såg även PSA, men inte hK2 i bukspottskörteln och njurarna. I alla dessa vävnader verkade det som om PSA och hK2 i huvudsak producerades i de sekretoriska epitelcellerna. Vi visar också att PSA som har producerats i ileum (slutet av tunntarmen) har jämförbar proteolytisk aktivitet och förmåga att bilda komplex med proteashämmare, med PSA producerat i prostata. Då nivåerna av PSA i dessa vävnader var mycket lägre än i prostata, är det inte troligt att de påverkar cancerdiagnostiken baserad på detta protein. Men det tyder på att uppmärksamhet bör iakttas på patientens allmänna hälsotillstånd, då det inte är utrett vad följderna kan bli vid t ex inflammationer i andra PSA producerande vävnader.

• author: Ceder, Yvonne
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Trapman, Jan, Erasmus University, Rotterdam, Nederländerna
• organization: Clinical Chemistry, Malmö (research group)
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Medicinal Chemistry
• keywords: Ileum., Clinical chemistry, Klinisk kemi, Tissue distribution, Androgen responsive element, Ortholog, Evolution, Prostate cancer, Glandular kallikreins, Prostate-specific antigen
• pages: 112 pages
• defense location: Jubileumsaulan, MFC, MAS, Malmö
• defense date: 2004-04-02 10:15:00
• ISBN: ISBN 91-628-5990-9
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Olsson, A.Y. and Lundwall Å. Organisation and evolution of the glandular kallikrein locus in Mus musculus. Biochem. Biopys. Res. Commun., 2002, 299:305-311 Article: II. Olsson, A.Y. Lilja, H. and Lundwall, Å. Taxon-specific evolution of glandular kallikrein genes, and identification of a progenitor of prostate-specific antigen. Genomics, in press Article: III. Olsson, A.Y., Persson, M., Valtonen-André C. and Lundwall, Å. Glandular kallikreins of the cotton-top tamarin: Molecular cloning of the gene encoding the tissue kallikrein DNA and Cellbiology, 2000 Dec;19(12):721-7. Article: IV. Olsson, A.Y., Valtonen-André C., Lilja, H. and Lundwall, Å. The glandular kallikrein 2 of the cotton-top tamarin is a pseudogene with a deleted androgen responsive element. Submitted for publication Article: V. Olsson, A.Y., Bjartell, A., Lilja, H. and Lundwall, Å. Expression of prostate specific antigen (PSA) and human glandular kallikrein 2 (hK2) in ileum and other extraprostatic tissues. Submitted for publication
• id: a3cc6f91-4aab-4445-b92e-2c59f1b0462b (old id 466757)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:37:26
• date last changed: 2022-05-19 02:20:06