Genetic, environmental and life-style effects on androgen receptor function

Abstract

Androgens regulate male reproductive function and their effects are mediated through the androgen receptor (AR). The AR gene contains a polymorphic CAG repeat, encoding a stretch of glutamines, affecting the transcriptional activity of the AR. Prostate specific antigen (PSA) is a downstream target and is commonly used in the screening of prostate cancer. The relationship between CAG number and male reproductive health has been suggested to be modulated by persistent organic pollutants (POPs). Humans are exposed mainly through food intake, but also from industrial processes and cigarette smoking. The dioxin-like POPs exert their effect through the aryl hydrocarbon receptor (AhR), shown to interact with the AR. The aims were to study the role of the CAG polymorphism on; AR activity and expression in the absence or presence of POPs; PSA concentration in serum and tissue; and reproductive parameters and hormones in men. It was also elucidated whether the CAG number could modify the effect of cigarette smoking on reproductive characteristics in men. The transactivation assay included a reporter gene with a human androgen responsive promoter. Cells were transfected with vectors having CAG numbers of 16, 22 or 28, representative of the human range. To explore the association between CAG number and reproductive outcome, an unprejudiced spline regression model with CAG number as a continuous variable was used, as well as a stratified model and in case of linear pattern, CAG number was investigated in a linear regression model.

We found that the CAG variant with the median length had the highest AR activity, shown both in cell lines and prostate tissue, and as highest PSA concentration in younger and older men. The unprejudiced statistical analysis gave a better picture of the relationship between CAG number and reproductive outcomes, demonstrating a CAG-dependent effect on hormone levels. The CAG repeat also had a cell line- and dose-dependent modulating effect of POPs on AR activity and was negatively associated with semen volume in smoking men.

To conclude, the median AR CAG number had the highest activity in vivo and in vitro. This pattern consisted even in the presence of POPs, indicating a stronger resistance for the median CAG length to these compounds compared to less common variants. The CAG number was also associated with reproductive hormone regulation and might modify the susceptibility of current cigarette smoking on semen volume in young men.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

De senaste årtiondena har det diskuteras om det finns anledning till oro när det gäller mannens reproduktionsfunktion. Vissa forskningsresultat tyder på att spermieantalet har minskat och fler män har diagnostiserats med testikelcancer och medfödda missbildningar av könsorganen än tidigare. Om detta beror på genetiska faktorer, livsstil eller miljöfaktorer, eller alla tre är ännu inte känt. Orsaken till symtomen har föreslagits vara hormonstörande ämnen, även kallade miljögifter. Många av dessa ämnen är fettlösliga och svårnedbrytbara. De ackumuleras i näringskedjan och även om många av ämnena är förbjudna i de flesta länder finns de kvar i miljön. Människor utsätts huvudsakligen genom mat, men också efter industri-utsläpp, cigarettrök och malariabehandling.

Vissa av dessa ämnen kan ”härma” de manliga könshormonerna; testosteron (T) och 5α-dihydrotestosteron (DHT) och därmed rubba hormonbalansen, eller bryta ner hormonernas mottagare androgenreceptorn (AR). Hormonerna är nödvändiga för normal könsutveckling, pubertet och för reglering av spermieutveckling hos män. De binder till AR, som förmedlar den hormonella effekten via reglering av andra gener. Fel i receptorn resulterar i dålig ”signalöverföring” och kan orsaka sjukdomar med allt från allvarliga missbildningar, som medför att det kan vara svårt att bestämma barnets kön, till lättare varianter som manlig infertilitet.

AR-genen ligger på X-kromosomen, vilket innebär att män bara har en kopia medan kvinnor har två. Detta leder till att genmutationer eller förändringar av AR-proteinets funktion oftast drabbar män. I AR-proteinet finns en sträcka med repeterande DNA-baser som varierar mellan individer och populationer. Dessa baser, CAG, kodar för aminosyran glutamin, och antalet repetitioner har betydelse för proteinets funktion.

En studie på män från fyra länder som var olika utsatta för miljögifter, visade att de som var mest exponerade för PCB (polyklorinerade bifenyler) och hade en viss genotyp dvs. genetisk uppsättning av CAG-repetitioner, hade färre spermier än de som var mindre exponerade. Då kan man fråga sig om dessa män har en ökad känslighet för miljögifter och om de kanske kan förändra funktionen av AR. Detta undersöktes i ett cellsystem med njurceller från apa, vilka inte har någon egen produktion av AR. Vi kunde därför föra in tre olika genotyper för att undersöka vad som hände med AR-proteinets aktivitet när vi tillsatte PCB och DDT, separat eller tillsammans, i olika koncentrationer i närvaro av könshormonet DHT. Vi såg att motsvarande genotyp som i studien på män, var den som påverkades mest av DDT. Mixen hade störst påverkan på en av de andra genotyperna. När man tillsatte en extremt hög koncentration av mixen försvann skillnaderna mellan genotyperna och AR-aktiviteten minskade drastiskt. Vi såg även att den genotyp som är vanligast bland vita män (22CAG) hade högst aktivitet i närvaro av DHT, både med och utan miljögifterna. De vanligast förekommande genotyperna har visat sig att ha bäst proteinfunktion och har därför föreslagits vara bevarade genom evolutionen, kanske genom att också vara mest motståndskraftiga mot främmande ämnen. Mönstret var likadant när vi testade genotyperna i prostatacellinjer, med och utan att vara angripna av cancer, först enbart med DHT och sedan med dioxinvarianten, 2,3,7,8 tetrachlorodi-benzo-p-dioxin (TCDD).

Män som har varit högutsatta för TCDD har visat sig ha en ökad risk för prostatacancer (PCa). Dessa män har även färre CAG-repetitioner i AR, vilket också har relaterats till risken för PCa. Vi fann att genotypen med färre CAG-repetitioner påverkades mest av TCDD i celltypen utan cancer, vilket gör fyndet intressant. Effekten av TCDD förmedlas genom arylhydrocarbonreceptorn (AhR), även kallad dioxinreceptorn, som kan interagera med AR. Man måste dock ha i åtanke att det är ett cellsystem och i en människa kan kroppen kompensera för en sämre proteinfunktion med att slå på ökad hormonproduktion och jämna ut effekten så länge kroppen fungerar normalt.

Förutom effekten av miljögifter har vi studerat om en mål-gen för AR-proteinet, prostataspecifik antigen (PSA), som används för att diagnosticera PCa, ändras i blodet beroende på genotyp. Vi såg att män med 22CAG-repetitioner hade högst PSA jämfört med män med andra varianter. Detta stämde även överens med mängden PSA-protein i vävnad från mänsklig prostata. Denna studie kan, om den upprepas i ett större material, ha betydelse för tolkningen av resultatet av PSA-testning av män med misstänkt PCa.

De motsägelsefulla resultaten från studier på sambandet mellan CAG-repetitioner och manliga hormonberoende sjukdomstillstånd kan bero på den statistiska modell som används. Vi använde en modell som förutsättningslöst kan bestämma sambandet vilket är en fördel mot andra metoder då man utgår ifrån ett linjärt samband eller att man delar in männen i grupper. Analysen gjordes på över 500 svenska unga friska män med alla tre statistiska metoder och visade ett samband mellan genotypen och hormoner som styr T regleringen. Samma metoder användes för att undersöka om genotypen kan modifiera effekten av rökning på manliga reproduktionsparametrar, då rökning har visat sig minska spermiekoncentrationen och påverka andra viktiga funktioner som upprätthåller fertiliteten. Vi fann att män som rökte och hade många CAG-repetitioner hade mindre sädesvätska än rökande män med färre CAG -repetitioner, en effekt som inte fanns hos icke-rökare. Våra resultat indikerar att AR-genotypen har en betydelse för känsligheten av miljögifter på den manliga reproduktionsfunktionen.

• author: Björk, Christel
• supervisor: Yvonne Giwercman; Lars Rylander; Pirkko Härkönen
• opponent: Söder, Olle, Professor
• organization: Molecular genetic reproductive medicine, Malmö (research group); EpiHealth: Epidemiology for Health
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Obstetrics, Gynecology and Reproductive Medicine
• keywords: reproductive function, smoking, 4'.4-DDE, persistent organic pollutants, prostate cancer, Androgen receptor, prostate specific antigen, CAG polymorphism, TCDD, aryl hydrocarbon receptor, CB-153
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2012:87
• pages: 164 pages
• defense location: Jubileumsaulan, Jan Waldenströms gata 5, Skåne University Hospital, Malmö
• defense date: 2012-10-26 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87189-50-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: de0cb698-27ad-424e-8987-6009fa8b26d2 (old id 3126399)
• date added to LUP: 2016-04-01 12:55:00
• date last changed: 2023-04-18 20:48:11