StAR search

StAR search
De functie van het StAR eiwit bij steroidgenese
1
Lipoid CAH
Congenital lipoid adrenal hyperplasia (lipoid CAH) komt voor bij mensen met mutaties
in het gen coderend voor StAR, waardoor er onder andere geen steroïd hormonen,
oxysteolen en vitamine D kunnen worden geproduceerd. Mineralcorticoid- en glucocorticoid
deficiëntie kunnen worden behandeld om de individuen in leven te houden. Jongetjes
hebben extern vrouwelijke genitaliën, en intern blijken de mannelijke gonaden
onderontwikkeld. Meisjes hebben een normale anatomie en kunnen spontaan in pubertijd
geraken. Individuen met lipoid CAH zijn infertiel vanwege vetophopingen in de
steroïdproducerende gonaden.
Lipoid CAH patiënten hebben aanvankelijk nog enige capaciteit voor StARindependent produceren van steroidhormonen. Door progressieve accumulatie van lipiden
in steroïdproducerende cellen, vanwege constante stimulatie vanuit de hypofyse, worden de
cellen gedood en stagneert de steroïdogenese volledig (Bose et al.).
2
De ontdekking van StAR
Bijna 40 jaar geleden ontdekte men dat een inhibitor van de eiwitsynthese, de
hormonale inductie van steroïdogenese blokkeerde. Latere studies toonden aan dat al voor
de vorming van het pregnenolone een blokkade plaats vind. Hoe kan nu een
eiwitsyntheseinhibitor de verplaatsing van cholesterol naar het binnenmembraan van het
mitochondrium blokkeren? Wanneer onderzoekers beschadigingen aan het mitochondrium
veroorzaakten vond de steroidgenesis gewoon plaats. Men kon concluderen dat er een
trophisch hormonaal gereguleerde proteïne moest bestaan welke het cholesterol naar het
binnenmembraan kan brengen. Pas 20 jaar later ontdekte Orme-Johnston and collega’s het
StAR proteïne (Christenson and Strauss, 2001).
3
Het StAR eiwit
In alle steroïd producerende weefsels komt de regulatie van steroïd productie voor in twee
fasen:
1)
De acute fase, in de orde van minuten, en is verantwoordelijk voor de snelle
productie van steroïden in respons tot de hoge vraag naar steroïden. StAR expressie wordt
acuut gereguleerd door tropische hormonen (zoals ACTH of LH) middels cAMP-gemediëerde
signalering in steroïdogene cellen, wat leidt tot een toename in StAR mRNA en eiwit levels.
2)
De chronische fase, waarbij synthese plaats vindt van de mRNA’s en enzymen die
betrokken zijn bij steroïdogenese, waardoor synthese capaciteit in de steroidogene cellen
toeneemt. StAR proteïn is onderdeel van de acute fase. StAR is ook de snelheidsbepalende
stap in de acute fase van steroïdogenese.
Veel steroïdogene stimuli (bijv. LH, FSH en ACTH) die de biosynthese van steroïd hormonen
verhogen, verhogen ook de StAR eiwit productie. Hormoon gestimuleerde steroïd productie
in steroïdogene cellen wordt begeleid door een snelle toename in StAR mRNA levels. De
promoter regio van het StAR gen echter, mist een cAMP response element (CRE) wat
suggereert dat de cAMP response element binding proteïn (CREB) niet direct op sequenties
van de StAR promoter werkt. Transcriptionele regulatie van het StAR gen, in de afwezigheid
van CRE wordt gemediëerd door meerdere DNA elementen welke een herkenningsmotief
leveren voor sequentie specifieke transcriptiefactoren, waaronder SF-1 en DAX-1. SF-1
transactiveert de StAR promoter in verschillende celtypen. DAX-1 is een transcriptiefactor
welke StAR expressie negatief beïnvloed. Een mogelijk mechanisme daarbij is dat DAX-1
direct met SF-1 kan interacteren, waardoor inhibitie plaats vindt van SF-1 gemediëerde
transactivatie. Cyclisch AMP-geïnduceerde StAR genexpressie wordt vnl. veroorzaakt
doordat cAMP de C/EBP β levels in de kern verhoogd, die vervolgens de transcriptie van het
StAR gen (door aan de CCAAT/enhancer in de StAR promoter te binden) – boven op de
werking van SF-1 – verhoogd.
2.2
StAR structuur
StAR proteïne is een 30 kDa proteïne, gevormd uit een 37 kDa precursor waarvan de N
terminus een mitochondriaal signaalsequentie bevat. Deze N-terminus bindt aan het
buitenmembraan van het mitochondrium (OMM).
Verder bevat het proteïne een C-terminus, ook wel START
domein genoemd, die een holle hydrofobe tunnel bevat
waar een cholesterol molecuul kan binden. Aan de
buitenkant van het START domein zit serine 195 dat
gefosforyleerd kan worden en de inhiberende werking van
de N-terminus reduceert. Hierdoor wordt de activiteit van
het START domein verhoogd of onstaat er een efficiëntere
interactie met het mitochondrium.
3.
StAR modellen
3.1
Contact sites
Het inactieve StAR proteïne (37-kDa) maakt contact met het OMM, met behulp van een
signaalpeptide. Dit contact zet het StAR proteïne om in zijn actieve vorm (30-kDa) waardoor
het proteïne het mitochondrium ingeluisd worden. Deze invoer van StAR resulteert in contactsites tussen het OMM en binnenmembraan (IMM). Een chemische concentratiegradiënt
maakt het mogelijk voor cholesterol om het mitochondrium binnen te komen.
Nadeel Æ Het bestaan van deze contact sites is nog door niemand bewezen. In het
cytoplasma is de actieve vorm van StAR (30-kDa) ook aangetoond. Wanneer het
signaalpeptide wordt verwijderd, blijft het StAR actief.
3.2
Desorption
Dit model gaat uit van een cholesterolrijk OMM en een cholesterol arm IMM. Wanneer de Nterminus van het StAR molecuul bindt aan het OMM, start het proces en zorgt de C-terminus
(het START domein) voor desorptie (“losweken”) van cholesterol door het cholesterol “uit het
OMM te slaan”. Het cholesterol komt waarschijnlijk als microdruppels het intermembraan
comportiment binnen. StAR zorgt voor veranderingen in het membraan wat resulteert in het
transport van cholesterol van de buitenste naar de binnenste membraan van het
mitochondrium. De invoer van START in het mitochondrium beëindigt de cholesterol
beweging naar de IMM. Daarna zal het weer het originele StAR vorm aannemen.
Nadeel Æ Microdruppels zijn niet aangetoond en het model is niet in vivo aangetoond.
3.2
Shuttling
Men ontdekte dat het START domein een hydrofobische cholesterol-bindende tunnel bevatte
waardoor StAR zelf als een cholesterol-shuttle proteïne functioneert. Het StAR zou via het
intermembraan van het mitochondrium het cholesterol naar de matrix vervoeren.
Nadeel Æ kan geen verklaring geven voor de biochemische en biophysische tekortkomingen
van een beperkt aantal hoog-affiniteits cholesterol bindingsplaatsen in het StAR protein en
het nodig zijn van grote proteïne veranderingen om makkelijke toegang en uitgang van
sterol van het START domein te verklaren.
3.3
Molten globule (Miller et al 2007)
Bij een pH van ~3,5 ondergaat het StAR molecuul een conformationele verandering dat
wordt aangegeven als ‘molten globule transition’. Dit komt bij meerdere eiwitten voor:
ongevouwen proteïnen die hun tertiaire structuur hebben verloren maar wel hun secundaire
structuur (alfa-helices en beta-sheets) behouden. Op deze manier kan het StAR door
membraan van het mitochondrium.
Een pH van 3,5 wordt niet gehaald in een cel, maar in een cuvette kan de interactie van
StAR met de ‘protonated phospholipid head groups’ van het OMM worden gemodelleerd.
Dit model stelt voor dat StAR alleen functioneert op het OMM en de activiteit een
conformationele verandering nodig heeft, veroorzaakt door ‘protonated phospholipids’.
Dit model gaat er ook vanuit dat StAR niet het cholesterol naar het OMM brengt, dat wordt
gedaan door StarD4. Ook wordt er gedacht dat StAR niet alleen werkt, maar met behulp van
interacties met PBR of VDAC. Hoe dit werkt is nog niet duidelijk.
Nadeel Æ een pH van 3,5 wordt in een cel niet gehaald en het is de vraag of de interactie
van StAR met ‘protonated phospholipid head groups’ deze pH teweeg kan brengen.