Mekanismer for testosteroneffekter på skjelettmuskler
Mekanismene som testosteron øker skjelettmuskelmassen, er dårlig forstått. Histomorfometriske analyser av biopsier av vastus lateralis muskel oppnådd fra unge og eldre menn som deltar i testosteron dose-respons studier har avdekket at testosteronadministrasjon induserer hypertrofi av både type I og type II skjelettmuskelfibre. Testosteron påvirker imidlertid ikke det absolutte tallet eller den relative andelen av type I og II muskelfibre. Testosteronindusert økning i muskelstørrelse er assosiert med en økning i antall satellittceller.
Tre generelle hypoteser har blitt foreslått for å forklare de anabole effektene av testosteron på skjelettmuskelen, og de er ikke gjensidig utelukkende; det er mulig at alle tre banene – i tillegg til andre kjente og ukjente veier – kan bidra til gevinster i skjelettmuskulaturen som er observert under testosteronbehandling. Disse hypotesene inkluderer stimulering av muskelproteinsyntese, stimulering av veksthormon / insulinlignende vekstfaktor I-akse og regulering av mesenkymal stamcelledifferensiering.
Proteinsyntesehypotesen har dominert feltet siden 1940-tallet da testosteron og andre androgener ble vist å øke nitrogenretensjonen hos androgenmangel menn. Disse observasjonene førte til hypotesen om at testosteron stimulerer muskelproteinsyntese. Flere etterforskere som bruker stabile isotoper har vist at testosteronbehandling forbedrer fraksjonell muskelproteinsyntese og gjenutnyttelse av aminosyrer. Effekten av testosteron på nedbrytning av muskelprotein er mindre tydelig.
Muskelproteinsyntesehypotesen forklarer ikke lett den gjensidige endringen i fettmasse og det økte antall satellittceller hos testosteronbehandlede menn. Disse observasjonene fikk oss til å vurdere den alternative hypotesen om at testosteron kan regulere differensieringen av mesenkymale multipotente celler, fremme deres differensiering i den myogene avstamningen og hemme adipogen differensiering. For å teste denne hypotesen spurte vi først om androgenreseptorprotein ble uttrykt i mesenkymale stamceller i skjelettmuskelen. Vi fant at AR-proteinet hovedsakelig ble uttrykt i satellittceller, identifisert av deres beliggenhet utenfor sarkolemmaet, men inne i laminatet, og ved C-met og CD34-farging. AR-proteinekspresjon ble også observert i mange myonukleier og i CD34 + -celler utenfor laminat, vaskulære endotelceller og myofibroblaster. Dermed uttrykker et antall mesenkymale, multipotente forløperceller, bosatt i skjelettmuskelen, AR og kan være mål for androgenvirkning.
Vi bestemte effekten av testosteron og DHT på differensieringen av multipotent , mesenkymale C3H10T1 / 2-celler. Selv om ubehandlede celler uttrykker lave nivåer av AR-protein, oppregulerer DHT og testosteron AR-ekspresjon i disse cellene. Androgenstimulering av AR-ekspresjon ble blokkert av AR-antagonisten flutamid, noe som tyder på at AR er involvert i denne autoreguleringen. Inkubasjon med testosteron og DHT øker antall MyoD + myogene celler og MHC + myotubes og MyoD og MHC mRNA og proteinnivåer økte dosen avhengig. Både testosteron og DHT reduserer også antall oljerøde O-positive adipocytter og nedregulerer uttrykket av PPARγ2 mRNA og PPARγ2 og C / EBPα-proteiner som er markører for adipogen differensiering. Virkningen av testosteron og DHT på myogenese og adipogenese er blokkert av bicalutamid, en androgenreseptorantagonist. Derfor regulerer testosteron og DHT differensieringen av mesenkymale multipotente celler ved å fremme deres differensiering i den myogene avstamningen og hemme deres differensiering i adipocytter gjennom en AR-mediert vei (figur 27.3). Observasjonen om at differensiering av mesenkymale multipotente celler er androgenregulert gir en samlende forklaring for de gjensidige effektene av androgener på muskel- og fettmasse og for den observerte økningen i satellittcelletall. Våre data utelukker ikke muligheten for at androgener også kan påvirke ytterligere trinn i myogene og adipogene differensieringsveier.
Figur 27.3. Denne modellen av androgenhandling antar at androgener fremmer differensiering av mesenkymale stamceller i den myogene avstamningen og hemmer deres differensiering i adipogen avstamming. I tillegg har testosteron og DHT vist seg å hemme differensieringen av preadipocytter til adipocytter. Andre har vist at testosteron øker fraksjonell muskelproteinsyntese.
I separate studier har vi vist at DHT også regulerer differensieringen av humane margavledede, mesenkymale stamceller fra voksne menn. DHT oppregulerer AR-ekspresjon og hemmer lipidakkumulering i adipocytter differensiert fra hMSCs og nedregulerer ekspresjonen av aP2, PPARy, leptin og C / EBPα. Bicalutamid demper DHTs hemmende effekter på adipogen differensiering av hMSCs. Adipocytter differensiert i nærvær av DHT akkumulerer mindre oljedråper, noe som tyder på en redusert modningsgrad. DHT reduserer inkorporeringen av merket fettsyre i triglyserid og nedregulerer acetyl CoA-karboksylase- og DGAT2-ekspresjon i adipocytter avledet fra hMSCs. Dermed hemmer DHT adipogen differensiering av hMSCs gjennom en AR-mediert vei, men det påvirker ikke spredningen av noen av hMSCs.
Nye bevis tyder på at Wnt-signalering spiller en viktig rolle i å regulere differensieringen av mesenkymal stamfar celler og at testosteron og DHT fremmer assosiasjonen av ligandert androgenreseptor med β-catenin, stabiliserer sistnevnte og forårsaker at androgenreseptor – β-catenin-komplekset translokeres til kjernen og aktiverer et antall Wnt-målgener. Doble studier med immunfluorescens og immunfelling har avslørt at AR, β-catenin og TCF-4 er co-lokalisert i kjernen i både testosteronbehandlede (100 nM) og DHT-behandlede (10 nM) celler, noe som tyder på at de samhandler for å danne en komplisert. Både β-catenin og TCF-4 spiller en viktig rolle i formidlingen av androgeneffekter på differensieringen av C3H10T1 / 2-celler.
Testosteron regulerer ekspresjonen av flere Wnt-målgener, inkludert follistatin, som spiller en viktig rolle i formidlingen av testosterons effekter på myogenesen. Androgen-signalet blir krysskommunisert til TGF-β / SMAD-banen gjennom follistatin, som blokkerer TGF-β / SMAD-signalering in vivo og in vitro (figur 27.4).
Figur 27.4. Rollen til Wnt-signalveien i formidling av androgeneffekter på skjelettmuskelen. Androgener regulerer differensiering av mesenkymale multipotente celler til myogen avstamning ved å fremme assosiasjonen av ligandert AR med beta-catenin, stabilisere sistnevnte og forårsake translokasjon av AR-beta-catenin-komplekset til kjernen der det assosieres med TCF-4 og regulerer ekspresjon av et antall Wnt-målgener, inkludert follistatin. Disse Wnt-målgenene, spesielt follistatin, regulerer myogen og adipogen differensiering. Andre komponenter i den kanoniske Wnt-banen er også vist. AR; androgen reseptor; TCF-4: T-cellefaktor-4; APC: adenompolyposetykktarm; Dsh: rufsete; GSK3: glykogensyntasekinase 3 beta; LiCl: litiumklorid.
Det har blitt anerkjent allment at testosteronbehandling øker pulserende veksthormon (GH) sekresjon og øker seruminsulinlignende vekstfaktor I (IGF-I) konsentrasjoner hos peripubertale gutter og hos gutter med konstitusjonell forsinkelse av puberteten. Den testosteronassosierte økningen i GH-sekresjon er resultatet av en høyere masse GH utskilt per burst og en høyere maksimal hastighet på GH-sekresjon i hver burst. I tillegg øker androgener størrelsen på nyktohemeralrytmen i massen av GH sekretoriske pulser. Denne økningen i GH-sekresjon kan bidra til de vekstfremmende effektene av testosteron hos gutter med konstitusjonell forsinkelse av puberteten. Androgenadministrasjon har også vist seg å øke sirkulerende IGF-I nivåer og oppregulere intramuskulær IGF-I mRNA ekspresjon hos menn. Vi har imidlertid observert at testosteronbehandling øker mager kroppsmasse selv hos hypogonadale menn som har hatt hypofysektomi og er GH-mangelfulle. Disse dataene antyder at selv om testosteronbehandling kan øke GH-sekresjonen og sirkulerende IGF-I-nivåer, er det kanskje ikke viktig for å formidle de anabole effektene av testosteron på muskelen. Rollen til det intramuskulære IGF-I-systemet i formidling av androgeneffekter på muskelen trenger også nærmere undersøkelse.