Charakterisierung hormonregulatorischer Effekte von gonadalen Steroiden, TGF-β1 und GH auf die Promoter- und Enzymaktivität der humanen 5´-Deiodase Typ I in humanen HepG2-Zellen

Abstract

Erkrankungen der Schilddrüse treten im Verlauf der ontogenetischen Entwicklung des Menschen vermehrt aufseiten des weiblichen Geschlechts auf. Eine erhöhte Belastung von Frauen mit Sexualsteroiden bedingt durch Pubertät, Gravidität und Klimakterium wird dafür verantwortlich gemacht. In männlichen Ratten wird die hepatische Genexpression der 5´-Deiodase Typ I (5´DI) durch Testosteron transkriptional aktiviert. Die 5´DI hat eine besondere Stellung im Stoffwechsel der Schilddrüsenhormone, da sie Schilddrüsenhormone nicht nur aktivieren, sondern auch inaktivieren kann. Möglicherweise vermag eine Regulation der humanen 5´DI durch gonadale Steroide diese geschlechtsakzentuierte Verteilung von Schilddrüsenerkrankungen im Menschen ansatzweise zu erklären. Die Wirkung von Steroiden wird durch nukleäre Hormonrezeptoren vermittelt, die mit ihren Liganden an den Promoterbereich eines Gens binden und damit die Transkription dieses Gens beeinflussen. Mit Hilfe der humanen hepatozellulären Karzinomzelllinie HepG2 wurde zum einen anhand des Luciferase-Reportergen-Assays die Promoteraktivität der 5´DI auf ihre Steroidresponsivität hin untersucht. Zum anderen wurde durch den Deiodase-Assay die Enzymaktivität der 5´DI unter dem Einfluss gonadaler Steroide direkt bestimmt. Weder mittels Luciferase-Assay noch mittels Deiodase-Assay ließ sich eine steroidabhängige Regulation der 5´DI durch den reinen Androgenagonisten R1881 bzw. Estradiol nachweisen. Nur der bekannte stimulatorische Effekt durch T3 und die ebenfalls bekannte Selen-abhängige Expression der 5´DI als Selenoprotein konnten reproduziert werden. Auch die transiente Transfektion von HepG2-Zellen mit den Steroidrezeptoren AR bzw. ERα, gefolgt von der Bestimmung der Deiodaseaktivität nach Stimulation mit den entsprechenden Liganden R1881 bzw. Estradiol, führte nicht zu einem positiven Resultat. Es konnte somit kein direkter Einfluss von gonadalen Steroidhormonen auf die Expression und Funktion der humanen 5´DI nachgewiesen werden. Die Steroidregulation der 5´DI ist thematisch mit der Pathophysiologie des „Low T3 Syndromes“ verbunden. Das „Low T3 Syndrome“ ist gekennzeichnet durch erniedrigte T3-Werte und erhöhte rT3-Werte. Verursacht werden diese Veränderungen durch eine erhöhte Aktivität der humanen 5-Deiodase Typ III (5DIII) und durch eine verminderte Aktivität der humanen 5´DI. Die Transkription der 5DIII wird durch TGF-β1 gesteigert. Deshalb wurde der Einfluss von TGF-β1 auf die Deiodaseaktivität von HepG2-Zellen untersucht. Eine konzentrationsabhängige Hemmung der humanen 5´DI durch TGF-β1 konnte jedoch nicht festgestellt werden. Da bei intensivpflichtigen Patienten nicht nur die thyreotrope, sondern auch die somatotrope Hormonachse pathologisch verändert ist, war es außerdem von Interesse zu prüfen, welchen Effekt GH auf die Enzymaktivität der humanen 5´DI in HepG2-Zellen ausübt. Auch hier konnte nur der T3-Effekt reproduziert werden, während GH alleine keinen Einfluss zu nehmen scheint. Folglich konnte weder die Ursache der pathophysiologischen Veränderungen des „Low T3 Syndromes“ näher definiert werden noch ließ sich ein direkter Einfluss von GH auf die 5´DI nachweisen. Die Wirkung der einzelnen Hormone auf die Expression und Enzymaktivität der humanen 5´DI wird im Menschen möglicherweise nicht nur durch direkte, sondern auch durch indirekte Effekte vermittelt. Hinzukommt, dass in Mäusen das geschlechtsabhängige Expressionsmuster der 5´DI über selenabhängige prä- und posttranskriptionale Regulationsmechanismen kontrolliert wird. Außerdem müssen die hier vorliegenden Ergebnisse nicht zwangsläufig physiologischen Bedingungen entsprechen, da epigenetische Alterationen in Zellen karzinomatösen Ursprungs die Wirkung von Hormonen beeinflussen können.

In humans the development of thyroid diseases is more likely among women. Hormonal impacts due to puberty, gravidity and menopause are said to be responsible for this phenomenon. In male rats the hepatic gene expression of the type 1 deiodinase (5´DI), which can activate and inactivate thyroid hormones, is transcriptionally activated by testosterone. A regulation of the human 5´DI through gonadal steroids might rudimentary explain the gender- related distribution of thyroid diseases. Nuclear hormone receptors, which stimulate the gene transcription by binding with their ligands to the promoter of that gene, are necessary for the effect of steroids. On the one hand the response of the promoter activity of the 5´DI to steroids was examined by means of the luciferase-assay in the hepatocellular carcinoma cellline HepG2. On the other hand the enzyme activity under the influence of steroids was tested by the deiodinase-assay in HepG2 cells. A steroid-dependent regulation of 5´DI under the impact of the androgenagonist R1881 or estradiol was neither detectable by the luciferase-assay nor by the deiodinase-assay. Only the known stimulatory effect of T3 on the 5´DI was reproducible as well as the known selenium dependent expression of 5´DI as a selenoprotein. The analysis of the enzyme activity of the deiodinase had no positive result either after transient transfection of HepG2 with AR or ERα followed by the stimulation with R1881 respectively E2. Thus a direct influence of gonadal steroids could not be demonstrated on the expression or function of the human 5´DI. The steroid regulation of the 5`DI is topically associated with the pathophysiology of the low T3 syndrome. The low T3 syndrome is characterised by low T3 levels and high rT3 levels. These changes are caused by an elevated activity of the human typ III deiondinase (5DIII) and an reduced activity of the 5´DI. The transcription of the 5DIII is increased by TGF-β1. Therefore the influence ofTGF-β1 on the deiodenase activity in HepG2 cells was tested. However, an inhibition of the human 5`DI by TGF-β1 dependent on concentration was not found. Another point of interest was the effect of GH on the enzyme activity of human 5`DI in HepG2 cells, since critically ill patients show a pathological modification not only of the thyreotropic, but also of the somatropic hormone axis. Also in this case only the T3-effect was reproducible, whereas GH by itself doesn`t seem to have any effect. Thus neither the source for pathophysiological modifications of the low T3 syndrome could be exactly defined, nor was a direct influence of GH on the 5`DI provable. The value of the single hormones on the expression and enzyme activity of the human 5`DI might be mediated in humans not only through direct, but also through indirect effects. In addition, in mice the gender- dependent pattern of expression of the 5`DI is controlled by selenium- dependent pre- and posttranscriptional mechanisms. Besides, the results in the case under consideration don`t have necessarily to conform to physiological conditions, since epigenetic alterations in cells of carcinomatous origin can influence the effects of hormones.