Обхідний шлях біосинтезу андрогенів

Обхідні шляхи андрогенів є важливими метаболічними процесами, що беруть участь у синтезі клінічно значущих андрогенів з 21-вуглецевих стероїдів (прегнанів) за допомогою їх 5α-відновлення. Ці шляхи відбуваються без участі тестостерону та/або андростендіону, які є частиною звичайного канонічного андрогенного шляху.^[5] Спочатку 5α-відновлення 17α-гідроксипрогестерону було описано в медичній літературі^[2] як шлях, який зрештою призводить до синтезу 5α-дигідротестостерону (ДГТ). Однак за останні два десятиліття було виявлено кілька інших шляхів, що ведуть до синтезу 11-окислених андрогенів, які є потужними агоністами рецепторів андрогенів. Механізм відповіді організму на андрогени відбувається за рахунок зв'язування андрогенів з цитозольними рецепторами андрогенів, які переміщуються в ядро після зв'язування андрогенів і зрештою регулюють транскрипцію генів через чутливі андрогенні елементи. Цей механізм відповіді грає вирішальну роль чоловічої статевої диференціації ембріона і статевого дозрівання людини, соціальній та інших типах тканин і процесах. Відкриття «обхідного шляху» до 5α-дигідротестостерону у кенгуру в 2003^[7] дало нові можливості розуміння біосинтезу андрогенів у людини. Згодом вчені також охарактеризували інші «обхідні шляхи», що ведуть до сильнодіючих 11-окислених андрогенів^[8], що забезпечило подальше розуміння синтезу андрогенів in vivo. Розуміння цих шляхів має вирішальне значення для розробки ефективних методів лікування станів, пов'язаних із біосинтезом андрогенів.^[1]

Основною особливістю «обхідного шляху» біосинтезу андрогенів є те, що 17α-гідроксипрогестерон (17-OHP) може бути 5α-відновлений і, нарешті, перетворений на 5α-дигідротестостерон (ДГТ) альтернативним шляхом, минаючи звичайні^[4] проміжні сполуки андростенд.^[2][10]

Цей шлях активується під час нормального внутрішньоутробного розвитку та призводить до ранньої чоловічої статевої диференціації.^[11][12][13] Вперше він був описаний у сумчастих, а потім підтверджений у людей.^[14] Як канонічний, так і обхідний шлях біосинтезу ДГТ необхідні для нормального розвитку чоловічих статевих органів людини, тому дефекти обхідного шляху від 17-ОНР або прогестерону (P4) до ДГТ призводять до недостатньої вірилізації ембріонів чоловічої статі, оскільки плацентарний P4 є попередником ДГТ через обхідний шлях біосинтезу.^[1]

При дефіциті 21-гідроксилази^[10] або дефіциті оксидоредуктази цитохрому Р450^[15] цей шлях може бути активований незалежно від віку та статі навіть при незначному підвищенні рівня циркулюючого 17-ОНР.^[16]

У той час як 5α-відновлення є останньою трансформацією в класичному шляху біосинтезу андрогенів, це перший крок в «обхідних шляхах» до 5α-дигідротестостерону. Ці обхідні шляхи починаються з 5α-відновлення або 17-OHP, або P4, які зрештою перетворюються на ДГТ.^[1]

Першим етапом цього шляху є 5α-відновлення 17-OHP до 5α-прегнан-17α-ол-3,20-діону (17OHDHP, так як він також відомий як 17α-гідрокси-дигідропрогестерон). Реакцію каталізує SRD5A1 .^[17][15] 17OHDHP потім перетворюється на 5α-прегнан-3α,17α-діол-20-он (5α-Pdiol) за допомогою 3α-відновлення ізоферментом 3α-гідроксистероїддегідрогенази (AKR1C2 і AKR1C4)^[6][14] або HSD який також має 3α-відновну активність.^[18][19] 5α-Pdiol також відомий як 17α-гидроксиаллопрегнанолон або 17OH-аллопрегнанолон. 5α-Pdiol потім перетворюється на 5α-андростан-3α-ол-17-он, також відомий як андростерон (AST), за рахунок 17,20-ліазної активності CYP17A1, який відщеплює бічну ланцюг (зв'язок C17-C20) від стероїду. ядро, перетворюючи стероїд C₂₁ (прегнан) на стероїд C₁₉ (андростан або андроген). AST 17β-відновлюється до 5α-андростан-3α,17β-діолу (3α-діолу) за допомогою HSD17B3 або AKR1C3.^[20] Останнім етапом є 3α-окислення 3α-діолу в тканинах-мішенях до ДГТ ферментом, що володіє активністю 3α-гідроксистероїдоксидази, таким як AKR1C2,^[21] HSD17B6, HSD17B10, RDH16, RDH5 і DH.^[15] Це окиснення не потрібно в класичному шляху андрогенів.^[1] Шлях можна узагальнити наступним чином: 17-OHP → 17OHDHP → 5α-Pdiol → AST → 3α-діол → ДГТ.^[1]

Шлях від Р4 до ДГТ подібний до описаного вище від 17-ОНР до ДГТ, але вихідним субстратом для 5α-редуктази тут є Р4, а не 17-ОНР. Плацентарний P4 у плоду чоловічої статі є вихідним матеріалом для «чорного ходу» — обхідного шляху, що діє у багатьох негідних тканинах.^[6] Першим кроком на цьому шляху є 5α-відновлення P4 до 5α-дигідропрогестерону (5α-DHP) за допомогою SRD5A1. Потім 5α-DHP перетворюється на алопрогнанолон (AlloP5) за допомогою 3α-відновлення за допомогою AKR1C2 або AKR1C4. Потім AlloP5 перетворюється на 5α-Pdiol під дією 17α-гідроксилазної активності CYP17A1. Потім цей шлях протікає так само, як і шлях, який починається з 17-ОНР, і його можна узагальнити як: P4 → 5α-DHP → AlloP5 → 5α-Pdiol → AST → 3α-діол → ДГТ.^[1]

Є два відомі 11-окислені андрогени, 11-кетотестостерон (11КТ) і 11-кетодигідротестостерон (11КДГТ), які зв'язують і активують рецептори андрогенів за силою, аналогічною силам Т і ДГТ відповідно.^[1] У деяких роботах^[22][23][24] передбачається, що, хоча 11OHT і 11OHDT можуть не мати значної андрогенної активності, як вважалося раніше, вони все ж таки можуть бути важливими попередниками андрогенних молекул.^[1] Відносна важливість андрогенів залежить від їх активності, циркулюючих рівнів та стабільності. Було встановлено, що стероїди 11OHA4 і 11KA4 мають мінімальну андрогенну активність,^[25][1][26] але залишаються важливими молекулами в цьому контексті, оскільки вони діють як попередники активних андрогенів.

Обхідні шляхи до 11-окислених андрогенів можуть бути в цілому представлені двома точками входу Δ⁴ стероїдів (17-ОНР і Р4), які можуть зазнавати загальної послідовності з трьох перетворень:

1. 11β-гідроксилювання^[27] за допомогою CYP11B1 в корі надниркових залоз,
2. 5α-відновлення за допомогою SRD5A1 / SRD5A2 ,
3. оборотне 3α-відновлення/окислення кетону/спирту за допомогою AKR1C2 або AKR1C4 .

При вродженій гіперплазії кори надниркових залоз (ВГКН) через дефіцит 21-гідроксилази^[10] або цитохром P450 оксидоредуктази (POR),^[15][28] пов'язані з цим підвищені рівні 17-OHP призводять до обхідного шляху біосинтезу ДГТ, який 5α-відновлення 17-OHP. Цей шлях може бути активований незалежно від віку та статі.^[29] Надлишок 17-ОНР у ембріога при ВГКН може сприяти синтезу ДГТ, що призводить до вірилізації зовнішніх статевих органів у новонароджених дівчаток з ВГКН^[15] . Рівні Р4 також можуть бути підвищені при ВГКН^[30][31], що призводить до вірилізації зовнішніх статевих органів у новонароджених дівчаток з ВГКН. Рівні Р4 можуть бути підвищені при ВГКН, що призводить до надлишку андрогенів через обхідний шлях від Р4 до ДГТ. 17-ОНР і Р4 також можуть бути субстратами для 11-окислених андрогенів при ВГКН.^[32]

Ще з 1990-х років відомо, що рівні крові C₂₁ 11-окислених стероїдів 11OHP4 і 21dF підвищені при (некласичній/класичній) ВГКН^[33][34], а профілі ЖХ-МС/МС, що включали ці стероїди, для клінічного застосування.^[35] У пацієнтів з класичною ВГКН, які отримували терапію глюкокортикоїдами, рівні C₁₉ 11-окислених стероїдів у сироватці крові були підвищені в 3-4 рази порівняно з контрольною групою, що складалася із здорових людей.^[36] У тому ж дослідженні рівні C ₁₉ 11-окислених андрогенів позитивно корелювали зі звичайними андрогенами у жінок, але негативно у чоловіків. Рівні 11KT були в 4 рази вищими в порівнянні з T у жінок з цим захворюванням. У дорослих жінок із ВГКН співвідношення ДГТ, що продукується заднім шляхом, до кількості, що продукується звичайним шляхом, збільшується у міру того, як погіршується контроль надлишку андрогенів за допомогою терапії глюкокортикоїдами.^[37] У пацієнтів з ВГКН з поганим контролем захворювання 11-окислені андрогени залишаються підвищеними довше, ніж 17-ОНР, що є кращим біомаркером ефективності контролю захворювання.^[38][39] У чоловіків з ВГКН рівень 11-окислених андрогенів може вказувати на наявність пухлин яєчок у надниркових залозах.^[39][40] Як класичний, і обхідний шлях біосинтезу андрогенів, які ведуть до ДГТ, необхідні нормального розвитку чоловічих статевих органів людини.^[28][11] Дефіцит каталітичної активності ферменів в обхідному шляху до ДГТ від 17-ОНР або від Р4^[14][17] призводить до недоверизації плода чоловічої статі,^[41][42] оскільки плацентарний Р4 є попередником ДГТ в обхідному шляху.^[6]

Тематичне дослідження^[14] п'яти пацієнтів 46, XY (чоловіки) з двох сімей показало, що атиповий зовнішній вигляд геніталій був пов'язаний з мутаціями у AKR1C2 та/або AKR1C4, які діють виключно в обхідному шляху до ДГТ. Мутації в AKR1C3 та генах, залучених до класичного шляху андрогенів, були виключені як причини атипового зовнішнього вигляду. 46, XX (жінки) родичі хворих пацієнтів, які мають ті ж мутації, були фенотипно нормальними та фертильними. Хоча і AKR1C2, і AKR1C4 необхідні синтезу ДГТ в обхідному шляху, дослідження показало, що мутацій лише у AKR1C2 достатньо руйнації.^[14] Однак ці варіанти AKR1C2/AKR1C4, що ведуть до порушень статевого зарвіту (НПР), рідкі й досі повідомлялися лише у цих двох сім'ях.^[43] У цьому тематичному дослідженні наголошується на ролі AKR1C2/4 в альтернативних андрогенних шляхах.

Ізольований синдром дефіциту 17,20-ліази, обумовлений варіантами CYP17A1, цитохрому b₅ і POR, також може порушувати обхідний до ДГТ, оскільки активність 17,20-ліази CYP17A1 необхідна як для класичного, так і обхідного шляху біосинтезу андр. Цей рідкісний дефіцит може призвести до НПР у обох статей, причому у уражених дівчаток симптоми відсутні до статевого дозрівання, коли у них з'являється аменорея.^[43]

11-окислені андрогени можуть відігравати важливу роль у НПР.^[44][45][15] Біосинтез 11-окислених андрогенів у плода може збігатися з ключовими етапами продукції кортизолу — на 8-9-му, 13-24-му тижнях, а також з 31-го і далі. На цих стадіях порушення активності CYP17A1 та CYP21A2 призводить до збільшення АКТГ через дефіцит кортизолу та накопичення субстратів для CYP11B1 у шляхах утворення 11-окислених андрогенів і може викликати аномальний розвиток плоду жіночої статі.^[44]

У 1987 р. Екштейн та співавт.^[46] інкубували тестикулярні мікросоми щура в присутності радіоактивно мічених стероїдів і продемонстрували, що 5α-андростан-3α,17β-діол переважно продукується з 17α-гідроксипрогестерону (17-OHP). У той час як «андростандіол» використовувався для позначення як 5α-андростан-3α,17β-діолу, так і 5α-андростан-3β,17β-діолу, «3α-діол» використовується тут для скорочення 5α-андростан-3α,17β-діола, оскільки це загальноприйнята угода, і підкреслює її як 3α-редуковану похідну ДГТ. Функція 3α-діолу на той час не була відома.

У 2000 р. Шоу та співавт.^[12] продемонстрували, що циркулюючий 3α-діол опосередковує розвиток передміхурової залози у молодих кенгуру шляхом перетворення на ДГТ у тканинах-мішенях. Молодняк кенгуру не демонструє статевого диморфізму в циркулюючих рівнях Т і ДГТ під час розвитку простати, що дозволяє припустити, що це відповідальний інший механізм андрогенізації. Хоча афінність зв'язування 3α-діолу з андрогенними рецепторами на п'ять порядків нижче, ніж у ДГТ (зазвичай описуваного як неактивний AR), було відомо, що 3α-діол може окислюватися назад до ДГТ під дією низки дегідрогеназ.^[47]

У 2003 р. Вілсон та співавт.^[7] інкубували насінники молодих сумчастих з радіоактивно міченим прогестероном, щоб показати, що експресія 5α-редуктази в цій тканині забезпечує новий шлях від 17-OHP до 3α-діолу без T як проміжний продукт: 17-OHP → 17OHDHP → 5α-Pdiol → AST → 3α-діол. У 2004 р. Махендроо та співавт.^[13] продемонстрували, що в насінниках мишей діє новий шлях, що перекривається, узагальнюючи те, що було продемонстровано у кенгуру: P4 → 5α-DHP → AlloP5 → 5α-Pdiol → AST → 3α-діол.

Термін «обхідний шлях» (backdoor pathway) був придуманий Охусом в 2004^[2] і визначений як шлях до ДГТ, який: 1) обходить звичайні проміжні сполуки андростендіон (А4) і Т; 2) включає 5α-відновлення 21-вуглецевих (C₂₁) прегнанов до 19-вуглецевих (C₁₉) андростанов; і 3) включає 3α-окислення 3α-діолу до ДГТ. Обхідний шлях пояснив, як андрогени виробляються при певних нормальних та патологічних станах у людей, коли класичний шлях андрогенів не може повністю пояснити наслідки, що спостерігаються. Шлях, визначений Охусом, додає ДГТ до кінця шляху, описаного Вілсоном та співавт. в 2003 р.: 17-OHP → 17OHDHP → 5α-Pdiol → AST → 3α-діол → ДГТ. Клінічна значимість цих результатів була вперше продемонстрована у 2012 р., коли Камрат та співавт.^[10] метаболіти зв'язують із сечею з обхідним шляхом біосинтезу андрогенів від 17-ОНР до ДГТ у пацієнтів з дефіцитом 21-гідроксилази.

Барнард та співавт.^[48] у 2017 році продемонстрували метаболічні шляхи від стероїдів C₂₁ до 11KDHT, які обходять A4 та T in vitro у клітинній культурі, отриманій з раку передміхурової залози, що аналогічно до обхідного шляху до ДГТ. Ці нещодавно відкриті шляхи до 11-окислених андрогенів також були описані як обхідні шляхи через подібність і були додатково охарактеризовані в подальших дослідженнях.^[49][32]

• Природжена гіперплазія кори надниркових залоз