Mekanismer för testosteroneffekter på skelettmuskel
De mekanismer genom vilka testosteron ökar skelettmuskelmassan är dåligt förstådda. Histomorfometriska analyser av biopsier av vastus lateralis muskler erhållna från unga och äldre män som deltar i testdosresponsstudier har visat att administrering av testosteron inducerar hypertrofi av både typ I och typ II skelettmuskelfibrer. Testosteron påverkar emellertid inte det absoluta antalet eller den relativa andelen av typ I och II muskelfibrer. Testosteroninducerad ökning av muskelstorlek är associerad med en ökning av antalet satellitceller.
Tre allmänna hypoteser har föreslagits för att förklara de anabola effekterna av testosteron på skelettmuskulaturen och de är inte ömsesidigt exklusiva; det är möjligt att alla tre vägarna – förutom andra kända och okända vägar – kan bidra till de muskelmassaökningar som observerats under testosteronbehandling. Dessa hypoteser inkluderar stimulering av muskelproteinsyntes, stimulering av tillväxthormon / insulinliknande tillväxtfaktor I-axel och reglering av mesenkymal stamcellsdifferentiering.
Proteinsynteshypotesen har dominerat fältet sedan 1940-talet då testosteron och andra androgener visade sig öka kväveretentionen hos androgenbristiga män. Dessa observationer ledde till hypotesen att testosteron stimulerar muskelproteinsyntes. Flera utredare som använder stabila isotoper har visat att testosteronbehandling förbättrar fraktionerad muskelproteinsyntes och återanvändning av aminosyror. Effekterna av testosteron på nedbrytning av muskelproteiner är mindre tydliga.
Muskelproteinsynteshypotesen förklarar inte lätt den ömsesidiga förändringen i fettmassa och det ökade antalet satellitceller hos testosteronbehandlade män. Dessa observationer fick oss att överväga den alternativa hypotesen att testosteron kan reglera differentieringen av mesenkymala multipotenta celler, främja deras differentiering i den myogena linjen och hämma adipogen differentiering. För att testa denna hypotes frågade vi först om androgenreceptorprotein uttrycktes i mesenkymala stamceller i skelettmuskeln. Vi fann att AR-proteinet huvudsakligen uttrycktes i satellitceller, identifierade av deras läge utanför sarkolemmet men inne i skiktet, och av C-met och CD34-färgning. AR-proteinuttryck observerades också i många myonukleier och i CD34 + -celler utanför lamina, vaskulära endotelceller och myofibroblaster. Således uttrycker ett antal mesenkymala, multipotenta föregångarceller, som finns i skelettmuskulaturen, AR och kan vara mål för androgenverkan.
Vi bestämde effekterna av testosteron och DHT på differentieringen av multipotent , mesenkymala C3H10T1 / 2-celler. Även om obehandlade celler uttrycker låga nivåer av AR-protein, uppreglerar DHT och testosteron AR-uttryck i dessa celler. Androgenstimulering av AR-uttryck blockerades av AR-antagonisten flutamid, vilket tyder på att AR är inblandad i denna autoregulering. Inkubation med testosteron och DHT ökar antalet MyoD + myogena celler och MHC + myotubes och MyoD och MHC mRNA och proteinnivåerna ökade dosen beroende. Både testosteron och DHT minskar också antalet Oil Red O-positiva adipocyter och nedreglerar uttrycket av PPARγ2 mRNA och PPARγ2 och C / EBPα-proteiner som är markörer för adipogen differentiering. Effekterna av testosteron och DHT på myogenes och adipogenes blockeras av bicalutamid, en androgenreceptorantagonist. Därför reglerar testosteron och DHT differentieringen av mesenkymala multipotenta celler genom att främja deras differentiering i den myogena linjen och hämma deras differentiering i adipocyter genom en AR-medierad väg (Figur 27.3). Observationen att differentiering av mesenkymala multipotenta celler är androgenreglerad ger en förenande förklaring för de ömsesidiga effekterna av androgener på muskel- och fettmassa och för den observerade ökningen av satellitcellantal. Våra data utesluter inte möjligheten att androgener också kan påverka ytterligare steg i myogena och adipogena differentieringsvägar.
Figur 27.3. Denna modell av androgenverkan antar att androgener främjar differentieringen av mesenkymala stamceller till den myogena linjen och hämmar deras differentiering till adipogen härstamning. Dessutom har testosteron och DHT visat sig hämma differentieringen av preadipocyter till adipocyter. Andra har visat att testosteron ökar fraktionerad muskelproteinsyntes.
I separata studier har vi visat att DHT också reglerar differentieringen av mänskliga märg-härledda, mesenkymala stamceller från vuxna män. DHT uppreglerar AR-uttryck och hämmar lipidackumulering i adipocyter som skiljer sig från hMSC och nedreglerar uttrycket av aP2, PPARy, leptin och C / EBPa. Bicalutamid dämpar DHTs hämmande effekter på adipogen differentiering av hMSC. Adipocyter differentierade i närvaro av DHT ackumulerar mindre oljedroppar som tyder på en minskad mognadsgrad. DHT minskar inkorporeringen av märkt fettsyra i triglycerid och nedreglerar acetyl CoA-karboxylas- och DGAT2-expression i adipocyter härledda från hMSCs. Således hämmar DHT adipogen differentiering av hMSCs genom en AR-medierad väg, men det påverkar inte spridningen av varken hMSCs.
Framväxande bevis tyder på att Wnt-signalering spelar en viktig roll för att reglera differentieringen av mesenkymal stamfader celler och att testosteron och DHT främjar associeringen av ligandad androgenreceptor med β-catenin, stabiliserar den senare och orsakar androgenreceptor-β-catenin-komplexet att translokera in i kärnan och aktivera ett antal Wnt-målgener. Dubbel immunofluorescens och immunutfällningsstudier har avslöjat att AR, β-catenin och TCF-4 är samlokaliserade i kärnan i både testosteronbehandlade (100 nM) och DHT-behandlade (10 nM) celler, vilket tyder på att de interagerar för att bilda en komplex. Både β-catenin och TCF-4 spelar en väsentlig roll för att förmedla androgeneffekter på differentieringen av C3H10T1 / 2-celler.
Testosteron reglerar uttrycket av flera Wnt-målgener, inklusive follistatin, som spelar en viktig roll för att förmedla testosterons effekter på myogenes. Androgensignalen korskommuniceras till TGF-β / SMAD-vägen genom follistatin, vilket blockerar TGF-β / SMAD-signalering in vivo och in vitro (Figur 27.4).
Figur 27.4. Rollen för Wnt-signalvägen vid förmedling av androgeneffekter på skelettmuskulaturen. Androgener reglerar differentiering av mesenkymala multipotenta celler till myogen härstamning genom att främja associering av ligandad AR med beta-catenin, stabilisera den senare och orsaka translokation av AR-beta-catenin-komplexet i kärnan där det associeras med TCF-4 och reglerar uttryck av ett antal Wnt-målgener, inklusive follistatin. Dessa Wnt-målgener, särskilt follistatin, reglerar myogen och adipogen differentiering. Andra komponenter i den kanoniska Wnt-vägen visas också. AR; androgenreceptor; TCF-4: T-cellfaktor-4; APC: adenompolypos kolon; Dsh: förvirrad; GSK3: glykogensyntas-kinas 3 beta; LiCl: litiumklorid.
Det har varit allmänt erkänt att testosteronbehandling ökar utsöndringen av pulserande tillväxthormon (GH) och ökar seruminsulinliknande tillväxtfaktor I (IGF-I) koncentrationer hos peripubertala pojkar och hos pojkar med konstitutionell fördröjning av puberteten. Den testosteronassocierade ökningen av GH-utsöndring är resultatet av en högre massa av GH utsöndrad per burst och en högre maximal hastighet av GH-utsöndring inom varje burst. Dessutom ökar androgener storleken på nyktohemeralrytmen i massan av GH-sekretoriska pulser. Denna ökning av GH-sekretion kan bidra till de tillväxtfrämjande effekterna av testosteron hos pojkar med konstitutionell fördröjning av puberteten. Androgenadministrering har också visat sig öka cirkulerande IGF-I-nivåer och uppregulera intramuskulärt IGF-I-mRNA-uttryck hos män. Hur som helst, anekdotiskt, har vi observerat att testosteronbehandling ökar mager kroppsmassa även hos hypogonadala män som har haft hypofysektomi och har GH-brist. Dessa data tyder på att, även om testosteronbehandling kan öka GH-utsöndring och cirkulerande IGF-I-nivåer, kanske det inte är nödvändigt för att förmedla de anabola effekterna av testosteron på muskeln. Rollen för det intramuskulära IGF-I-systemet för att förmedla androgeneffekter på musklerna behöver också undersökas ytterligare.