The Crystal Structure of Sex Hormone-Binding Globulin (SHBG)

Abstract

Abstract:

The crystal structure of the amino-terminal LG domain of SHBG in complex with 5a-dihydrotestosterone at 1.55 Å resolution reveals the structure of the LG domain as such as well as the architecture of the steroid-binding site and the quaternary structure of the dimer. The steroid and a 20 Å distant calcium ion are not located at the dimer interface. Instead, two separate steroid binding pockets and calcium binding sites exist per dimer. The crystal structures of the tetragonal crystal form and the EDTA-soaked trigonal crystals of SHBG completed the original structure and reveal the loop segment that covers the steroid-binding pocket. Thus, a more detailed description of the steroid- binding site topography is obtained. The binding of zinc reorients the side- chain of His136 as observed in the original crystal structure of SHBG and in the zinc- complexed crystal structure. Apparently, this residue causes disorder within the loop structure between Pro130 and Arg135.

The crystal structures of SHBG in complex with different ligands, which are estradiol, 5a-androstane, 3b,17b-diol (17b-DHA), 5a-androstane, 3b,17a-diol (17a-DHA), 2-methoxyestradiol (methoxyestradiol), norgestrel, have also been solved. Different SHBG-steroid complexes revealed that the steroid-binding pocket of SHBG is very adaptable and displays different possibilities to accommodate the ligands. The binding may occur in two ways, in a "forward" mode like DHT and other chemically related androgens or in the "reverse" mode like in estradiol and it metabolite methoxyestradiol. Depending on which ligand is bound, conformational rearrangements of the residues lining the pocket occur. The X-ray structures of SHBG-steroid complexes presented here provide a three-dimensional composite of key molecular features for the binding of androgens and estrogens.

Zusammenfassung:

Humanes Sexualhormon-bindendes Globulin (SHBG) transportiert Steroide im Blut und reguliert deren Abgabe an das Gewebe (mit Ausnahme von Progesterone). In biologischen Flüssigkeiten liegt SHBG als Homodimer vor, dessen Monomere sich aus zwei Laminin-G-ähnlichen Domänen (LG-Domänen) zusammensetzten. Die Kristallstruktur der N-terminalen LG-Domäne von SHBG im Komplex mit 5a- Dihydrotestosteron wurde mit einer Auflösung von 1.55 Å gelöst. Die Analyse zeigt die Struktur einer LG-Domäne, die Architektur der Steroid- Bindungsstasche sowie die Struktur der Dimere. Weder das Steroid noch ein Calcium-Ion, das 20 Å entfernt von der Steroid-Bindungsstelle ist, sind in der Dimerisierungskontaktstelle lokalisiert. Stattdessen weist jedes Dimer zwei von einander getrennte Steroid-Bindungstaschen und zwei Calciumbindungsstellen auf. Die Strukturen der tetragonalen Kristalle und der EDTA-getränkten trigonalen Kristalle von SHBG ergänzen die Originalstruktur und zeigen zusätzlich die Schleife, die über der Steroid-Bindungsstelle liegt. Somit ist eine detaillierte Beschreibung der Steroid-Bindungsstelle möglich.Die Bindung von Zink-Ionen führt zu einer Umorientierung der Seitenkette His136, wie sie auch in der Originalstruktur zu sehen ist. Wahrscheinlich gibt es einen Zusammenhang zwischen der Orientierung dieses Restes und der ungeordneten Struktur der Schleife Pro130 bis Arg135.

Die Kristallstrukturen von SHBG im Komplex mit Östradiol, 5a-Androstan, 3b ,17b-diol (17b-DHA), 5a-Androstan, 3b,17a-diol (17a-DHA), 2-Methoxyestradiol (Methoxyöstradiol) und Norgestrel konnten ebenfalls bestimmt werden. In den unterschiedlichen SHBG-Komplexstrukturen, dass die Steroid-Bindungstasche sehr flexibel ist und mehrere Möglichkeiten besitzt Liganden zu binden. Nach den hier untersuchten Strukturen zu urteilen, werden die Steroide entweder im "Vorwärts"- Modus wie das DHT und andere chemisch verwandte Androgene oder im "Umkehr"- Modus wie Östradiol und dessen Metabolit Methoxyöstradiol eingebaut. Abhängig von den Liganden kommt es zur Konformationsänderung der Reste, die in der Bindungstasche lokalisiert sind. Die Kristallstrukturen der hier untersuchten SHBG-Komplexe bieten einen strukturellen Überblick über die molekularen Eigenschaften der Androgen- und Östrogenbindung.