Rezeptor- und Transporterexpression für freie und konjugierte Steroidhormone bei normaler und gestörter Spermatogenese

Abstract

Fertilitätsstörungen sind ein Problem mit steigender Inzidenz, ca. 15% deutscher Paare sind ungewollt kinderlos. In etwa 50% der Fälle ist die Ursache hierfür auf der Seite des Mannes zu suchen (male factor infertility). Spermatogenesestörungen wie Arreste, totale Keimzellaplasie oder auch eine bunte Atrophie können durch morphologische und z.T. auch molekularbiologische Methoden gut untersucht werden - die Gründe für die Spermatogenesestörungen bleiben dennoch bis auf wenige Fälle unklar. Die Bedeutung von klassichen Steroidhormonen wie Androgenen und Estrogenen für das Reproduktionsgeschehen ist gut untersucht, ebenso wie die Aktivierung oder Inhibierung der Genexpession durch die klassischen Steroidhormonrezeptoren. Besonders Mutationen, Splicingvarianten und Polymorphismen dieser wurden in Hinsicht auf die humane Reproduktion intensiv untersucht. Mutationen im Androgenrezeptor können zu einer teilweisen oder auch kompletten Insensitivität gegenüber Androgenen und damit zu schwerwiegenden Fertilitätsstörungen führen. Eine Beteiligung des polymorphen CAG-Repeats an der Entstehung dieser Androgeninsensitivität ist eine Hypothese, die bereits von vielen Arbeitsgruppen mit sehr unterschiedlichen Ergebnissen untersucht wurde. Neben diesen klassischen Steroidhormonen und ihren Rezeptoren können auch membran-ständige Rezeptoren, sowie neue Steroidhormone und deren Metabolite eine Bedeutung für die männliche Reproduktion haben. Für Androgene und Estrogene sind verschiedene membran-ständige Rezeptoren bekannt, diese sind meistens an G-Proteine gekoppelt und können schnelle, nicht-genomische Effekte hervorrufen. Während bei klassischen Rezeptoren das Steroidhormon in die Zelle gelangen muss, um an den Rezeptor zu binden, können membran-ständige Rezeptoren auch von extrazellulär lokalisierten freien Steroiden oder hydrophilen Steroidhormonmetaboliten aktiviert werden. Obwohl bereits seit Jahrzehnten bekannt ist, dass konjugierte (v.a. sulfatierte) Steroidhormone in großen Mengen im humanen und tierischen Hoden synthetisiert werden, wurde ihnen bis vor zehn Jahren keine größere biologische Bedeutung zugewiesen, sondern sie wurden als wasserlösliche Exkretionsprodukte angesehen. Die biologische Bedeutung der sulfatierten Steroide als intrazelluläre Speicherform für die Steroidhormonsynthese in verschiedenen Organen wie der Plazenta, der Brust und auch dem Hoden konnte allerdings nicht weiter geklärt werden, bis spezifische Transporter für diese hydrophilen Moleküle entdeckt wurden. Nur über diese können die Steroidsulfate in verschiedene Zielzellen aufgenommen und auch wieder aus diesen Zellen heraus transportiert werden. In den Zielgeweben können sulfatierte Steroide über die Aktivität der Steroidsulfatase STS reaktiviert werden. Dies bezeichnet man als sulfatase pathway . Sie können so in den Zielgeweben zu einer lokalen Steroidsynthese und zur auto-, para- und intrakrinen Steuerung beitragen. Die vorliegende Habilitationsschrift fasst 11 Publikationen zusammen, die sich mit der Expression und Lokalisation von klassischen und membran-ständigen Steroidhormonrezeptoren sowie von Transportsystemen für sulfatierte Steroide im humanen und tierischen Hoden befassen. In den zu Grunde liegenden Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Länge des polymorphen CAG-Repeats im humanen Androgenrezeptor nicht mit Spermatogenesestörungen und einer verminderten Expression von zwei androgenabhängigen Genen (Androgen binding protein und Clusterin) in Verbindung gebracht werden kann. In Arbeiten zu den klassischen und einem membran-ständigen Estrogenrezeptor(en) wurde die Lokalisation in den Keim-, Sertoli- und Leydigzellen und die Bedeutung dieser Rezeptoren in der normalen und gestörten Spermatogenese untersucht. Die verschiedenen Veröffentlichungen zur zellulären Lokalisation konnten durch den Einsatz mehrerer, sich ergänzender Methoden von uns zum Teil bestätigt werden. Als gesichert gilt nun die Expression der Estrogenrezeptoren in Keim-, Sertoli-, peritubulären Myoid- und Leydigzellen. Ein Großteil der Publikationen befasst sich mit der Lokalisation und biologischen Bedeutung von sulfatierten Steroidhormonen und ihren Transportsystemen im humanen und murinen Hoden. Durch diese Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass es einen sulfatase pathway im Hoden gibt, da verschiedene Uptake Carrier und Effluxtransporter in Keim- und Sertolizellen detektiert werden konnten. Durch in vitro Versuche wurde gezeigt, dass ein Transport von sulfatierten Steroiden über die Sertolizellen stattfinden kann. Eine biologische Bedeutung der sulfatierten Steroide für die männliche Reproduktion ist demnach unstrittig. In weiteren Untersuchungen mit einem Soat-Knockoutmausmodell und verschiedenen SOAT-Punktmutationen sollte der Einfluss von SOAT auf die Entstehung von humanen Spermatogenesestörungen weiter untersucht werden. Bisherige Ergebnisse zeigen, dass ein totaler Knockout bzw. verschiedene Punktmutationen nicht kausal für die Entstehung der Spermatogenesestörung verantwortlich gemacht werden können. Fertilitätsstörungen sind ein Problem mit steigender Inzidenz, ca. 15% deutscher Paare sind ungewollt kinderlos. In etwa 50% der Fälle ist die Ursache hierfür auf der Seite des Mannes zu suchen (male factor infertility). Spermatogenesestörungen wie Arreste, totale Keimzellaplasie oder auch eine bunte Atrophie können durch morphologische und z.T. auch molekularbiologische Methoden gut untersucht werden - die Gründe für die Spermatogenesestörungen bleiben dennoch bis auf wenige Fälle unklar. Die Bedeutung von klassichen Steroidhormonen wie Androgenen und Estrogenen für das Reproduktionsgeschehen ist gut untersucht, ebenso wie die Aktivierung oder Inhibierung der Genexpession durch die klassischen Steroidhormonrezeptoren. Besonders Mutationen, Splicingvarianten und Polymorphismen dieser wurden in Hinsicht auf die humane Reproduktion intensiv untersucht. Mutationen im Androgenrezeptor können zu einer teilweisen oder auch kompletten Insensitivität gegenüber Androgenen und damit zu schwerwiegenden Fertilitätsstörungen führen. Eine Beteiligung des polymorphen CAG-Repeats an der Entstehung dieser Androgeninsensitivität ist eine Hypothese, die bereits von vielen Arbeitsgruppen mit sehr unterschiedlichen Ergebnissen untersucht wurde. Neben diesen klassischen Steroidhormonen und ihren Rezeptoren können auch membran-ständige Rezeptoren, sowie neue Steroidhormone und deren Metabolite eine Bedeutung für die männliche Reproduktion haben. Für Androgene und Estrogene sind verschiedene membran-ständige Rezeptoren bekannt, diese sind meistens an G-Proteine gekoppelt und können schnelle, nicht-genomische Effekte hervorrufen. Während bei klassischen Rezeptoren das Steroidhormon in die Zelle gelangen muss, um an den Rezeptor zu binden, können membran-ständige Rezeptoren auch von extrazellulär lokalisierten freien Steroiden oder hydrophilen Steroidhormonmetaboliten aktiviert werden. Obwohl bereits seit Jahrzehnten bekannt ist, dass konjugierte (v.a. sulfatierte) Steroidhormone in großen Mengen im humanen und tierischen Hoden synthetisiert werden, wurde ihnen bis vor zehn Jahren keine größere biologische Bedeutung zugewiesen, sondern sie wurden als wasserlösliche Exkretionsprodukte angesehen. Die biologische Bedeutung der sulfatierten Steroide als intrazelluläre Speicherform für die Steroidhormonsynthese in verschiedenen Organen wie der Plazenta, der Brust und auch dem Hoden konnte allerdings nicht weiter geklärt werden, bis spezifische Transporter für diese hydrophilen Moleküle entdeckt wurden. Nur über diese können die Steroidsulfate in verschiedene Zielzellen aufgenommen und auch wieder aus diesen Zellen heraus transportiert werden. In den Zielgeweben können sulfatierte Steroide über die Aktivität der Steroidsulfatase STS reaktiviert werden. Dies bezeichnet man als sulfatase pathway . Sie können so in den Zielgeweben zu einer lokalen Steroidsynthese und zur auto-, para- und intrakrinen Steuerung beitragen. Die vorliegende Habilitationsschrift fasst 11 Publikationen zusammen, die sich mit der Expression und Lokalisation von klassischen und membran-ständigen Steroidhormonrezeptoren sowie von Transportsystemen für sulfatierte Steroide im humanen und tierischen Hoden befassen. In den zu Grunde liegenden Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Länge des polymorphen CAG-Repeats im humanen Androgenrezeptor nicht mit Spermatogenesestörungen und einer verminderten Expression von zwei androgenabhängigen Genen (Androgen binding protein und Clusterin) in Verbindung gebracht werden kann. In Arbeiten zu den klassischen und einem membran-ständigen Estrogenrezeptor(en) wurde die Lokalisation in den Keim-, Sertoli- und Leydigzellen und die Bedeutung dieser Rezeptoren in der normalen und gestörten Spermatogenese untersucht. Die verschiedenen Veröffentlichungen zur zellulären Lokalisation konnten durch den Einsatz mehrerer, sich ergänzender Methoden von uns zum Teil bestätigt werden. Als gesichert gilt nun die Expression der Estrogenrezeptoren in Keim-, Sertoli-, peritubulären Myoid- und Leydigzellen. Ein Großteil der Publikationen befasst sich mit der Lokalisation und biologischen Bedeutung von sulfatierten Steroidhormonen und ihren Transportsystemen im humanen und murinen Hoden. Durch diese Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass es einen sulfatase pathway im Hoden gibt, da verschiedene Uptake Carrier und Effluxtransporter in Keim- und Sertolizellen detektiert werden konnten. Durch in vitro Versuche wurde gezeigt, dass ein Transport von sulfatierten Steroiden über die Sertolizellen stattfinden kann. Eine biologische Bedeutung der sulfatierten Steroide für die männliche Reproduktion ist demnach unstrittig. In weiteren Untersuchungen mit einem Soat-Knockoutmausmodell und verschiedenen SOAT-Punktmutationen sollte der Einfluss von SOAT auf die Entstehung von humanen Spermatogenesestörungen weiter untersucht werden. Bisherige Ergebnisse zeigen, dass ein totaler Knockout bzw. verschiedene Punktmutationen nicht kausal für die Entstehung der Spermatogenesestörung verantwortlich gemacht werden können.