Oι υποδοχείς οιστρογόνων ως ρυθμιστές της παθοφυσιολογίας του κυττάρου

Abstract

Estrogens belong to the family of steroid hormones and regulate a variety of biological processes such as metabolism, cell growth and reproduction, via binding to estrogen receptors (alpha and beta isoforms, ERα and ERβ), which are localized in various subcellular organelles such as nucleus, cytoplasm, membranes and mitochondria. ERs control the function and the physiology of many systems such as the nervous, cardiovascular and skeletal system, via genomic and non-genomic mechanisms of action and are involved in the regulation of many pathological conditions such as breast cancer and neurodegenerative diseases. ERs can interfere with a variety of endocrine disruptοrs, affecting human physiology. Thus, it is very important to elucidate and characterize the biochemical and molecular mechanisms of the interaction between ERs and endocrine disruptors. In this context, the role of the mitochondrial ERβ and the potential estrogenic action of aluminum salts, in particular aluminum chlorochloride in breast cancer cells and neuroblastoma cells were investigated, in this study. The results of our studies reveal aluminum estrogenicity, which is mediated mainly by ERα. In the presence of aluminum the protein levels as well as mRNA levels of ERα are increased in human ERα-positive human breast cancer cells. This effect is accompanied by increase in the mRNA levels of several estrogen target genes and elimination of this action in the presence of the estrogen antagonist ICI182 780(ICI). In addition these actions are not observed in ERα-negative breast cancer cells. Our experimental observations also suggest that the mechanism by which aluminum affects the protein levels of ERα, is among others, through its possible involvement in estrogen receptor’s degradation mechanism, affecting ERα phosphorylation at the residue Ser118. Increase in ERα protein levels, in the presence of aluminum ions, may contribute to development and progress of breast cancer. Also, through the ERα-dependent regulation of ERβ expression and action, aluminum may affects the ERβ protective effects. In agreement with this hypothesis, in the presence of aluminum ions, both protein and mRNA levels of ERβ are reduced in neuroblastoma cells. This reduction is accompanied by activation of apoptosis, and possibly it is associated with the the observed neurodegeneration, upon aluminum salts accumulation. Aluminum salts also induce perinuclear and possibly mitochondrial localization of estrogen receptors, affecting mitochondrial functions. Our studies on the characterization of the role of mitochondrial ERβ in neuroblastoma cells reveal the ability of mitochondrial targeted ERβ (mtERβ) to induce mitochondrial transcription activation via the interaction of mtERβ with both the estrogen responsive elements (EREs) and cAMP responsive elements (CREs), located in the D-loop of mitochondrial DNA. Also, the characterization of heat shock proteins and components of the complex V that as mtERβ interacting proteins contribute to the elucidation of the mechanism(s) of entrance and action of the mitochondrial estrogen receptor.

Τα οιστρογόνα, ανήκουν στην οικογένεια των στεροειδών ορμονών και ρυθμίζουν πληθώρα βιολογικών διεργασιών όπως το μεταβολισμό, την ανάπτυξη και αναπαραγωγή, μέσω της αλληλεπίδρασής τους με τους αντίστοιχους υποδοχείς των οιστρογόνων (υπότυποι άλφα και βήτα, ERα και ERβ και αντίστοιχες ισομορφές αυτών), οι οποίοι εντοπίζονται σε διάφορα υποκυτταρικά οργανίδια όπως στον πυρήνα, στο κυτταρόπλασμα, στις μεμβράνες και στα μιτοχόνδρια. Τα οιστρογόνα μέσω γενωμικών και μη γενωμικών μηχανισμών δράσης, ελέγχουν τη λειτουργία και φυσιολογία πολλών συστημάτων στον οργανισμό όπως το νευρικό, το καρδιαγγειακό και το σκελετικό σύστημα, και εμπλέκονται σε παθολογικές καταστάσεις, όπως ο καρκίνος του μαστού και τα νευροεκφυλιστικά νοσήματα. Δεδομένης μάλιστα της παρεμβολής πληθώρας ενδοκρινικών διαταρρακτών στην οιστρογονική σηματοδότηση, η κατανόηση και η αποσαφήνιση των βιοχημικών μηχανισμών δράσης των υποδοχέων οιστρογόνων καθώς και η παρέκκλιση αυτών από τη φυσιολογική τους λειτουργία είναι ύψιστης σημασίας για την αντιμετώπιση οιστρογόνο εξαρτώμενων παθολογικών καταστάσεων. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής διερευνήθηκε ο ρόλος του μιτοχονδριακού ERβ και ελέγχθηκε η πιθανή οιστρογονική δράση αλάτων αργιλίου, και συγκεκριμένα του υδροξυ-χλωριούχου αργιλίου σε καρκινικά κύτταρα μαστού και σε νευροβλαστωματικά κύτταρα. Τα αποτελέσματα των μελετών υποδεικνύουν την οιστρογονική δράση του αργιλίου, η οποία μεσολαβείτε μέσω του ERα, καθώς παρουσία αργιλίου αυξάνονται τα πρωτεϊνικά επίπεδα του ERα, σε ΕRα θετικά κύτταρα μαστού του ανθρώπου, αυξάνοντας παράλληλα τόσο τα πρωτεϊνικά επίπεδα, όσο και τα επίπεδα mRNA γονιδίων-στόχων της οιστρογονικής σηματοδότησης. Δράσεις οι οποίες αναιρούνται παρουσία του ανταγωνιστή οιστρογόνων ICI 182 780 (ICI) και δεν παρατηρούνται σε ΕRα αρνητικά κύτταρα μαστού. Πειραματικά δεδομένα μας υποδεικνύουν ότι ο μηχανισμός, μέσω του οποίου το αργίλιο επηρεάζει τα πρωτεϊνικά επίπεδα του ERα είναι, μεταξύ άλλων, η πιθανή παρεμβολή του σε μηχανισμούς αποικοδόμησης του υποδοχέα, οι οποίοι ενεργοποιούνται κατόπιν φωσφορυλίωσής τους στο κατάλοιπο της Ser118. Αύξηση των επιπέδων ERα, παρουσία ιόντων αργιλίου, πιθανόν να συντελεί στην ανάπτυξη και στην εξέλιξη καρκινογένεσης σε κύτταρα μαστού. Επίσης, μέσω της αρνητικής ρύθμισης που ασκεί ο ERα στην έκφραση και δράση του ERβ πιθανόν να επηρεάζονται προστατευτικές δράσεις, οι οποίες επιτελούνται μέσω του ERβ, σε ERβ θετικά κύτταρα. Σε συμφωνία με την υπόθεση αυτή, παρουσία ιόντων αργιλίου μειώνονται τόσο τα πρωτεϊνικά επίπεδα, όσο και τα επίπεδα mRNA του ERβ σε κύτταρα νευροβλαστώματος. Η μείωση αυτή συνοδεύεται από ενεργοποίηση αποπτωτικών μηχανισμών, και πιθανόν να σχετίζεται με τον παρατηρούμενο νευροεκφυλισμό, υπό συνθήκες συσσώρευσης ιόντων αργιλίου. Η παρουσία αλάτων αργιλίου αυξάνει επίσης την περιπυρηνική και πιθανώς μιτοχονδριακή εντόπιση των υποδοχέων, επηρεάζοντας έτσι τις μιτοχονδριακές λειτουργίες. Οι μελέτες μας σχετικά με τον ρόλο του μιτοχονδριακού ERβ σε νευροβλαστωματικά κύτταρα που υπερεκφράζουν τον ERβ με μιτοχονδριακή στόχευση (mtERβ) ανέδειξαν την ικανότητα του mtERβ να επάγει τη μεταγραφή μιτοχονδριακά κωδικοποιούμενων γονιδίων, μέσω της αλληλεπίδρασης του mtERβ τόσο με οιστρογονο-εξαρτώμενα στοιχεία (EREs) όσο και με στοιχεία απόκρισης στον παράγοντα CREB (CREs), τα οποία βρίσκονται στη D-loop του μιτοχονδριακού DNA. Επίσης, ο χαρακτηρισμός πρωτεϊνών θερμικού σοκ και συστατικών του συμπλόκου V, ως αλληλεπιδρώντα με τον mtERβ μόρια, συντελεί στην κατανόηση των μηχανισμών εισόδου και δράσης του υποδοχέα στα μιτοχόνδρια.