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Expression of the DHEA/DHEAS-Shuttle in cell lines and foetal tissue of human liver, adrenal and cartilage

Expression des DHEA/DHEAS-Shuttles in Zelllinien und fötalem Gewebe der menschlichen Leber, Nebenniere und Knorpel

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-102068
  • DHEA is a precursor for the male and female sex hormones testosterone and estradiol, which are mainly secreted from the testes and the ovary, respectively. In addition, epidemiological studies showed that low serum levels of DHEA and DHEAS correlate with the incidence of autoimmune disease, cancer and cardiovascular disease. In vitro, DHEA and DHEAS influenced glucose metabolism in a favourable manner. However, positive effects of DHEA substitution were only significant adrenal insufficiency in women. Steroid sulphotransferase 2A1 (SULT2A1) isDHEA is a precursor for the male and female sex hormones testosterone and estradiol, which are mainly secreted from the testes and the ovary, respectively. In addition, epidemiological studies showed that low serum levels of DHEA and DHEAS correlate with the incidence of autoimmune disease, cancer and cardiovascular disease. In vitro, DHEA and DHEAS influenced glucose metabolism in a favourable manner. However, positive effects of DHEA substitution were only significant adrenal insufficiency in women. Steroid sulphotransferase 2A1 (SULT2A1) is the responsible enzyme for sulphonation of DHEA to DHEAS which is thought to be the inactive form of DHEA. In this role, SULT2A1 acts as a central regulator of steroid synthesis because sulphonation of DHEA withdraws the substrate for further downstream conversion. Another essential cofactor for sulphonation is PAPS, which is produced by the enzyme PAPS synthase (PAPSS) from ATP and anorganic sulphate. PAPSS exists in the different isoforms PAPSS1 and PAPSS2 and splice variants PAPSS2a and PAPSS2b. Changes in PAPSS activity are thought to influence sulphonation of DHEA significantly. However, neither regulation of PAPSS nor its influence on SULT2A1 have been investigated in human cell lines or humans. The main goal of this thesis was to analyze the enzyme expression of the DHEA/DHEA shuttle, i.e. mRNA and protein of SULT2A1, PAPSS1 and PAPSS2, in various human cell lines. Furthermore, I investigated which cell line could serve as a suitable model for further research regarding regulation of SULT2A1, PAPSS1 and PAPSS2. Here, I could show that the enzymes of the DHEA/DHEAS shuttle were expressed in the human adrenal cell line NCI-h295R as both mRNA and protein. In enzyme assays, I was able to prove conversion of DHEA to DHEAS as well as to different other steroids. However, applying Trilostane, a potent inhibitor of CYP3B, effectively directed conversion of DHEA to DHEAS. Using these findings, future experiments can investigate for example the influence of certain cytokines or endocrine disruptors on expression and activity of PAPSS1/2 and on sulphonation of DHEA. In particular, the relatively equal expression of PAPSS1 and PAPSS2 will enable us to do knock down experiments with siRNA to elucidate how the activity of one enzyme changes when the other one fails. Sulphonation of DHEA by SULT2A1 is thought to happen in the cytoplasm or more precisely in the Golgi apparatus. However, experiments in transfected cells have shown both a cytoplasmatic and a nuclear localisation when both enzymes were expressed at the same time. Immunocytochemistry revealed the same results in the adrenal cell line NCI-h295R, where both enzymes were expressed strongly in the nucleus. The physiological role is not clear and requires further research. Presumably, sulphate is activated in the nucleus. However, one could also speculate that a shift of PAPSS to the nucleus could generate a reservoir, which can be activated by re-localisation to the cytoplasm when more PAPS is needed. Expression of SULT2A1 in some foetal tissues has been investigated earlier. Whilst in adult human cartilage PAPSS1 is predominant, in newly born hamsters PAPSS2 is more abundantly expressed. The expression of PAPSS isoforms in highly sulphonating tissue has not been investigated in humans, so far. This work demonstrated a differential expression of SULT2A1, PAPSS1 and PAPSS2 in adult and foetal liver, adrenal and foetal cartilage tissue. In adult and foetal adrenal expression was similar. However, foetal and adult liver differed in the expression of SULT2A1, which was expressed much more in adult tissue. Most importantly, in foetal cartilage there was only a low expression of SULT2A1 and PAPS seems to mostly provided by PAPSS1, which was considerably higher expressed in cartilage than in other tissues. In contrast, PAPSS2 was mainly expressed in adult and foetal adrenal. Additionally, we reported a case of a female patient who had been investigated for hyperandrogenism. Two mutations in the PAPSS2 gene had led to massively reduced serum levels of DHEAS. One heterozygous mutation in the domain of the APS kinase of the PAPSS2 protein leads to substitution of one amino acid at position 48 (T48R). In vitro experiments showed a residual activity of 6% for this mutation. A second mutation in the ATP sulphurylase domain of PAPSS2 was found. The introduction of thymidine instead of cytidine leads to a stop codon, which is presumed to truncate the protein at position 329 (R329X). In vitro, no residual activity was seen for this mutation. The lack of PAPS reduces sulphonation of DHEA but also sulphonation of proteoglycanes, which leads to skeletal abnormalities. The abundance of DHEA enables massive downstream conversion to androgens leading to clinical features of hyperandrogenism. Regarding the bone abnormalities, it is interesting and surprising that activity of PAPSS1 compensated to a great extent in cartilage but was not able to keep up a more considerable sulphonation of DHEA. Possibly, the subcellular localisation might play a role in this scenario.show moreshow less
  • DHEA ist eine Vorstufe der männlichen und weiblichen Sexualhormone Testosteron bzw. Oestradiol, welche hauptsächlich in den Testes bzw. Ovarien gebildet werden, aber auch in der Körperperipherie aus DHEA gebildet werden können. Desweiteren konnte in epidemiologischen Studien gezeigt werden, dass niedrige Spiegel von DHEA und DHEAS mit dem Auftreten von Autoimmunerkrankungen, Tumorerkrankungen und Herz-Kreislauf-Erkrankungen korrelieren. In vitro konnten beispielsweise günstige Effekte auf den Glukose-Stoffwechsel nachgewiesen werden. AllerdingsDHEA ist eine Vorstufe der männlichen und weiblichen Sexualhormone Testosteron bzw. Oestradiol, welche hauptsächlich in den Testes bzw. Ovarien gebildet werden, aber auch in der Körperperipherie aus DHEA gebildet werden können. Desweiteren konnte in epidemiologischen Studien gezeigt werden, dass niedrige Spiegel von DHEA und DHEAS mit dem Auftreten von Autoimmunerkrankungen, Tumorerkrankungen und Herz-Kreislauf-Erkrankungen korrelieren. In vitro konnten beispielsweise günstige Effekte auf den Glukose-Stoffwechsel nachgewiesen werden. Allerdings konnte eine klinisch sinnvolle Gabe von DHEA nur im Rahmen einer Substitution bei Nebenniereninsuffizienz bei Frauen nachgewiesen werden. Verantwortlich für die Sulfonierung von DHEA ist vor allem die Steroid Sulfotransferase 2A1 (SULT2A1). DHEAS wird als inaktivierte Form von DHEA angesehen. SULT2A1 fungiert als zentraler Regulator der Steroid-Synthese, da durch Sulfonierung von DHEA zu DHEAS der weiteren Konversion das Substrat entzogen wird. Für diese Sulfonierung ist PAPS ein essentieller Kofaktor. Das Enzym PAPS-Synthase, von welchem unterschiedliche Splice-Varianten und Isoformen (PAPSS1 und PAPSS2a/b) vorliegen, stellen PAPS aus ATP und anorganischem Sulfat her. Eine Änderung der Aktivität der PAPS-Synthase kann vermutlich die Aktivität der DHEA Sulfotransferase maßgeblich beeinflussen. Weder die Regulation der PAPS Synthase noch deren Wirkung auf SULT2A1 wurden bisher in menschlichen Zelllinien oder beim Menschen untersucht. Hauptziel dieser Arbeit war die Analyse der Enzymexpression des DHEA/DHEAS Shuttles (mRNA und Protein von SULT2A1, PAPSS1, PAPSS2) in verschiedenen humanen Zelllinien. Ferner wurde untersucht, ob eine der Zelllinien als Modell geeignet ist, die Regulation von SULT2A1 sowie insbesondere PAPSS1 und PAPSS2 in bestimmten pathophysiologischen Situationen zu untersuchen. Hier konnte gezeigt werden, dass insbesondere die adrenale Zelllinie NCI-h295R die Enzyme des DHEA/DHEAS Shuttles sowohl als mRNA als auch als Protein exprimiert. Mittels Enzym-Assay konnte eine Konversion von DHEA zu DHEAS und verschiedenen weiteren Steroiden nachgewiesen werden. Eine Hemmung der CYP3B-abhängigen Konversion mittels Trilostane unterdrückt die Bildung von weiteren Androgenen in NCI-h295R Zellen allerdings effektiv, sodass DHEA größtenteils zu DHEAS konvertiert wurde. Hieraus ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, z.B. den Einfluss von Zytokinen oder von endokrinen Disruptoren auf die Sulfonierung von DHEA und auf die Expression von PAPSS1/2 zu untersuchen. Insbesondere kann aufgrund der ähnlichen Expression von PAPSS1 und PAPSS2 in dieser Zelllinie untersucht werden, welche Auswirkung ein Ausschalten eines Enzyms mittels siRNA auf das jeweils andere hat. Die Sulfonierung von DHEA durch SULT2A1 geschieht im Zytoplasma bzw. im Golgi Apparat. Allerdings haben Untersuchungen an transfizierten Zelllinien gezeigt, dass PAPSS1 bzw. PAPSS2 sowohl im Plasma als auch nukleär vorliegen können, wenn beide gleichzeitig exprimiert waren. Mittels Immunzytochemie konnten diese Ergebnisse auch in der Zelllinie NCI-h295R nachgewiesen werden. Beide Enzyme sind auch hier vor allem nukleär exprimiert. Der physiologische Hintergrund dieser Lokalisierung ist nicht geklärt und erfordert weitere Erforschung. Vermutlich erfolgt die Sulfat-Aktivierung also im Nukleus. Möglicherweise stellt die Verlagerung der Enzyme in den Nukleus aber auch eine Reserve der PAPS Synthese dar, die durch Rückverlagerung ins Zytoplasma dort rasch zusätzliches PAPS zur Verfügung stellen kann. Die Expression der DHEA Sulfotransferase wurde bereits in einigen fötalen Geweben untersucht. Während in adultem Knorpel beim Menschen die Expression von PAPSS1 dominiert, wird z.B. im Knorpel von neugeborenen Hamstern vor allem PAPSS2 gebildet. Welche Isoform von PAPSS in welchen fötalen Geweben beim Menschen dominiert, wurde bislang nicht untersucht. In dieser Arbeit konnte mittels Realtime PCR eine differenzierte Expression von SULT2A1, PAPSS1 und PAPSS2 in fötalen Geweben nachgewiesen werden. In adultem und fötalem Gewebe der Nebennieren zeigte sich ein ähnliches Expressionsmuster. Während allerdings in der adulten Leber viel SULT2A1 vorhanden ist, konnte nur eine deutlich niedrigere Expression in fötalem Gewebe gezeigt werden. In fötalem Knorpel findet sich kaum SULT2A1. Dagegen wird in fötalem Knorpel deutlich mehr PAPSS1 gebildet als in adultem und fötalem Leber- bzw. Nebennieren-Gewebe. PAPSS2 ist sowohl beim Erwachsenen als auch beim Fötus hauptsächlich in der Nebenniere exprimiert. Auffällig ist eine relativ geringe Expression in der fötalen Leber. Ergänzend wird in dieser Arbeit eine Patientin mit Hyperandrogenismus vorgestellt, bei der zwei Mutationen im PAPSS2 Gen zu einem massiv erniedrigten DHEAS Spiegel geführt hatten. Eine heterozygote Mutation liegt im Bereich der APS-Kinase von PAPSS2 und führt zum Austausch einer Aminosäure an Position 48 im PAPSS2a Protein (T48R). In vitro konnte für diese Mutation eine Reduktion der Aktivität auf 6% nachgewiesen werden. Eine zweite Mutation fand sich in der ATP Sulfurylase Domäne von PAPSS2. Durch einen Nukleosid-Austausch (Thymidin statt Cytidin) entsteht ein Stop-Codon, was vermutlich an Position 329 zum Abbruch des Proteins führt (R329X). In vitro konnte für diese Mutation (R329X) keine Aktivität nachgewiesen werden. Durch das Fehlen von PAPS ist die Sulfonierung von Proteoglykanen im Knorpel gestört, was zu Skelettveränderungen führt. Vor allem aber kommt es durch das Fehlen der Inaktivierung von DHEA zu DHEAS zu einem Überangebot an DHEA. Dieses wird zu aktiven Androgenen konvertiert und verursacht klinisch einen Hyperandrogenismus. Interessant und überraschend ist, dass die PAPSS1-Aktivität im Knorpel eine gewisse Sulfonierung der Proteoglykane ermöglicht. Im Gegensatz dazu trägt PAPSS1 offensichtlich kaum zur Sulfonierung von DHEA bei, da der DHEAS Spiegel extrem niedrig ist. Möglicherweise spielt hier auch die subzelluläre Lokalisation der PAPS Synthase eine entscheidende Rolle.show moreshow less

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Metadaten
Author: Florian Schlereth
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-102068
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Medizinische Fakultät
Faculties:Medizinische Fakultät / Medizinische Klinik und Poliklinik I
Referee:Prof. Dr. Bruno Allolio, Prof. Dr. Jörg Wischhusen
Date of final exam:2014/08/13
Language:English
Year of Completion:2013
Sonstige beteiligte Institutionen:University of Birmingham, Medical School, Institute of Biomedical Research
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
GND Keyword:Dehydroepiandrosteron; Zelllinie; Phosphoadenosinphosphosulfat
Tag:DHEA; DHEA-Sulfotransferase; PAPSS2; adrenal; cell lines
Release Date:2014/09/03
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