Mekanismer for testosteroneffekter på skeletmuskel
De mekanismer, hvormed testosteron øger skeletmuskelmassen, er dårligt forstået. Histomorfometriske analyser af biopsier af vastus lateralis-muskel opnået fra unge og ældre mænd, der deltager i test-dosis-respons-undersøgelser, har afsløret, at testosteronadministration inducerer hypertrofi af både type I og type II skeletmuskelfibre. Testosteron påvirker imidlertid ikke det absolutte antal eller den relative andel af type I og II muskelfibre. Testosteron-induceret stigning i muskelstørrelse er forbundet med en stigning i antallet af satellitceller.
Tre generelle hypoteser er blevet foreslået for at forklare de anabolske virkninger af testosteron på skeletmuskulaturen, og de er ikke gensidigt eksklusive; det er muligt, at alle tre veje – ud over andre kendte og ukendte veje – kan bidrage til skeletmuskelmasse gevinster observeret under testosteronbehandling. Disse hypoteser inkluderer stimulering af muskelproteinsyntese, stimulering af væksthormon / insulinlignende vækstfaktor I-akse og regulering af mesenkymal stamcelledifferentiering.
Proteinsyntesehypotesen har domineret området siden 1940’erne, da testosteron og andre androgener blev vist at øge kvælstofretention hos androgenmangelmænd. Disse observationer førte til hypotesen om, at testosteron stimulerer muskelproteinsyntese. Flere efterforskere, der bruger stabile isotoper, har vist, at testosteronbehandling forbedrer fraktioneret muskelproteinsyntese og genudnyttelse af aminosyrer. Virkningerne af testosteron på nedbrydning af muskelprotein er mindre klare.
Muskelproteinsyntesehypotesen forklarer ikke let den gensidige ændring i fedtmasse og det øgede antal satellitceller hos testosteronbehandlede mænd. Disse observationer fik os til at overveje den alternative hypotese om, at testosteron kunne regulere differentieringen af mesenkymale multipotente celler, fremme deres differentiering i den myogene afstamning og hæmme adipogen differentiering. For at teste denne hypotese spurgte vi først, om androgenreceptorprotein blev udtrykt i mesenchymale stamceller i skeletmuskulaturen. Vi fandt ud af, at AR-proteinet overvejende blev udtrykt i satellitceller, identificeret ved deres placering uden for sarcolemmaet, men inde i lamina, og ved C-met og CD34-farvning. AR-proteinekspression blev også observeret i mange myonuclei og i CD34 + -celler uden for lamina, vaskulære endotelceller og myofibroblaster. Således udtrykker et antal mesenkymale, multipotente precursorceller, der er bosiddende i skeletmuskulaturen, AR og kan være mål for androgen-handling.
Vi bestemte virkningerne af testosteron og DHT på differentieringen af multipotent , mesenkymale C3H10T1 / 2-celler. Selvom ubehandlede celler udtrykker lave niveauer af AR-protein, opregulerer DHT og testosteron AR-ekspression i disse celler. Androgenstimulering af AR-ekspression blev blokeret af AR-antagonisten flutamid, hvilket antyder, at AR er involveret i denne autoregulering. Inkubation med testosteron og DHT øger antallet af MyoD + myogene celler og MHC + myotubes og MyoD og MHC mRNA og proteinniveauer steg dosis afhængigt. Både testosteron og DHT mindsker også antallet af Oil Red O-positive adipocytter og nedregulerer ekspressionen af PPARγ2 mRNA og PPARγ2 og C / EBPα-proteiner, der er markører for adipogen differentiering. Virkningerne af testosteron og DHT på myogenese og adipogenese er blokeret af bicalutamid, en androgenreceptorantagonist. Derfor regulerer testosteron og DHT differentieringen af mesenkymale multipotente celler ved at fremme deres differentiering i den myogene afstamning og hæmme deres differentiering i adipocytter gennem en AR-medieret vej (figur 27.3). Observationen om, at differentiering af mesenkymale multipotente celler er androgenreguleret, giver en samlende forklaring for androgeners gensidige virkning på muskel- og fedtmasse og for den observerede stigning i satellitcelleantal. Vores data udelukker ikke muligheden for, at androgener også kan påvirke yderligere trin i myogene og adipogene differentieringsveje.
Figur 27.3. Denne model af androgen handling antager, at androgener fremmer differentieringen af mesenkymale stamceller i den myogene afstamning og hæmmer deres differentiering i adipogen afstamning. Derudover har testosteron og DHT vist sig at hæmme differentieringen af preadipocytter til adipocytter. Andre har vist, at testosteron øger fraktioneret muskelproteinsyntese.
I separate undersøgelser har vi vist, at DHT også regulerer differentieringen af humane marv-afledte, mesenchymale stamceller fra voksne mænd. DHT opregulerer AR-ekspression og hæmmer lipidakkumulering i adipocytter differentieret fra hMSC’er og nedregulerer ekspressionen af aP2, PPARy, leptin og C / EBPa. Bicalutamid dæmper DHT’s hæmmende virkninger på adipogen differentiering af hMSC’er. Adipocytter differentieret i nærvær af DHT akkumulerer mindre oliedråber, hvilket tyder på en reduceret grad af modning. DHT nedsætter inkorporeringen af mærket fedtsyre i triglycerid og nedregulerer acetyl CoA-carboxylase- og DGAT2-ekspression i adipocytter afledt af hMSC’er. Således hæmmer DHT adipogen differentiering af hMSC’er gennem en AR-medieret vej, men det påvirker ikke proliferationen af hverken hMSC’er.
Nye beviser tyder på, at Wnt-signalering spiller en vigtig rolle i reguleringen af differentieringen af mesenkymal stamfader celler, og at testosteron og DHT fremmer associeringen af liganderet androgenreceptor med β-catenin, stabiliserer sidstnævnte og får androgenreceptor-β-catenin-komplekset til at translokere sig ind i kernen og aktivere et antal Wnt-målgener. Dobbelt immunfluorescens- og immunfældningsundersøgelser har afsløret, at AR, β-catenin og TCF-4 er co-lokaliseret i kernen i både testosteronbehandlede (100 nM) og DHT-behandlede (10 nM) celler, hvilket antyder, at de interagerer for at danne en kompleks. Både β-catenin og TCF-4 spiller en vigtig rolle i formidling af androgeneffekter på differentieringen af C3H10T1 / 2-celler.
Testosteron regulerer ekspressionen af flere Wnt-målgener, herunder follistatin, som spiller en vigtig rolle i formidling af testosterons virkninger på myogenese. Androgensignalet krydskommunikeres til TGF-β / SMAD-stien gennem follistatin, som blokerer TGF-β / SMAD-signalering in vivo og in vitro (figur 27.4).
Figur 27.4. Rollen som Wnt-signalvej i formidling af androgeneffekter på skeletmuskulaturen. Androgener regulerer differentiering af mesenkymale multipotente celler i myogen afstamning ved at fremme associeringen af liganderet AR med beta-catenin, stabilisere sidstnævnte og forårsage translokation af AR-beta-catenin-komplekset i kernen, hvor det associeres med TCF-4 og regulerer ekspression af et antal Wnt-målgener, inklusive follistatin. Disse Wnt-målgener, især follistatin, regulerer myogen og adipogen differentiering. Andre komponenter i den kanoniske Wnt-sti er også vist. AR; androgenreceptor; TCF-4: T-cellefaktor-4; APC: adenompolypose-tyktarm; Dsh: ødelagt; GSK3: glykogensyntasekinase 3 beta; LiCl: lithiumchlorid.
Det har været almindeligt anerkendt, at testosteronbehandling øger sekretionen af pulserende væksthormon (GH) og øger seruminsulinlignende vækstfaktor I (IGF-I) koncentrationer i peripubertale drenge og hos drenge med forfatningsmæssig forsinkelse af puberteten. Den testosteronassocierede stigning i GH-sekretion er resultatet af en højere masse af GH udskilt pr. Burst og en højere maksimal hastighed af GH-sekretion inden for hver burst. Derudover øger androgener størrelsen af nyctohemeral rytme i massen af GH sekretoriske impulser. Denne stigning i GH-sekretion kan bidrage til de vækstfremmende virkninger af testosteron hos drenge med forfatningsmæssig forsinkelse af puberteten. Androgenadministration har også vist sig at øge cirkulerende IGF-I niveauer og opregulere intramuskulær IGF-I mRNA-ekspression hos mænd. Vi har imidlertid anekdotisk observeret, at testosteronbehandling øger mager kropsmasse, selv hos hypogonadale mænd, der har haft hypofysektomi og er GH-mangelfulde. Disse data antyder, at selvom testosteronbehandling kan øge GH-sekretion og cirkulerende IGF-I-niveauer, er det muligvis ikke nødvendigt for at formidle de anabolske virkninger af testosteron på muskelen. Det intramuskulære IGF-I-systems rolle i formidling af androgeneffekter på musklerne skal også undersøges nærmere.