Mitochondrial endocrinology Mitochondria as key to hormones and metabolism


participate in steroidogenesis, and at least


Download 2.44 Mb.
Pdf ko'rish
bet17/23
Sana01.10.2017
Hajmi2.44 Mb.
#16915
1   ...   13   14   15   16   17   18   19   20   ...   23

Six P450 enzymes participate in steroidogenesis, and at least

three more participate in the processing of vitamin D; five of these

are found in mitochondria. Steroidogenesis is initiated by mito-

chondrial P450scc. P450scc cleaves the 20,22 bond of insoluble

cholesterol to produce soluble pregnenolone, and is the hormon-

ally regulated, rate-limiting step in steroidogenesis. It is the

expression of the CYP11A1 gene that renders a cell ‘steroidogenic’.

Pregnenolone may then be converted to progesterone by 3b-

hydroxysteroid dehydrogenase (3bHSD), which may be found both

in the mitochondria and in the ER (see Section 9). Alternatively,

pregnenolone may exit the mitochondrion and become the sub-

strate for P450c17 in the ER, which catalyzes both 17

a

-hydroxy-



lase and 17,20 lyase activities. Pregnenolone appears to exit the

mitochondrion unaided; no transport protein has been found,

and physiologic evidence does not suggest the presence of such a

transporter. Following the activities of 3bHSD and P450c17,

Fig. 2. Two-hit model of lipoid CAH. (A) In normal adrenal cells, cholesterol is primarily derived from low-density lipoproteins, and the rate-limiting step in steroidogenesis is

movement of cholesterol from the OMM to the IMM. (B) Early in lipoid CAH, StAR-independent steroidogenesis moves small amounts of cholesterol into mitochondria,

yielding sub-normal steroidogenesis; ACTH secretion increases, stimulating further accumulation of cholesteryl esters in lipid droplets. (C) As lipids accumulate, they damage

the cell through physical engorgement and by the action of cholesterol auto-oxidation products; steroidogenic capacity is destroyed, but tropic stimulation continues.

Ovarian follicular cells remain unstimulated and undamaged until puberty, when small amounts of estradiol are produced, as in B, causing phenotypic feminization, with

infertility and hypergonadotropic hypogonadism. Modified from (

Bose et al., 1996

), with permission.

Fig. 3. Organization of mitochondrial P450 enzyme systems. NADPH first donates

electrons to the FAD moiety of ferredoxin reductase (FeRed); ferredoxin reductase

then interacts with ferredoxin (Fedx) by charge-charge attraction, permitting

electron transfer of the Fedx to the Fe

2

S

2



center (ball and stick diagram). Ferredoxin

then dissociates from ferredoxin reductase and diffuses through the mitochrondrial

matrix. The same surface of ferredoxin that received the electrons from ferredoxin

reductase then interacts with the redox-partner binding-site of a mitochondrial

P450, such as P450scc, and the electrons then travel to the heme ring of the P450.

The heme iron then mediates catalysis with substrate bound to the P450.

ÓWL

Miller.


W.L. Miller / Molecular and Cellular Endocrinology 379 (2013) 62–73

67


P450c21 catalyzes the 21-hydroxylation of both glucocorticoids

and mineralocorticoids. The final steps in the synthesis of both glu-

cocorticoids and mineralocorticoids again takes place in the mito-

chondria, where two proteins that share 93% sequence identity,

11b-hydroxylase (P450c11b, CYP11B1), and aldosterone synthase

(P450c11AS, CYP11B2) reside. P450c11b catalyzes the 11b-hydrox-

ylation of 11-deoxycortisol to cortisol, and P450c11AS catalyzes

the 11b-hydroxylation, 18-hydroxylation, and 18-methyl oxidation

to convert deoxycorticosterone to aldosterone. Histologic and elec-

tron microscopic examination of steroidogenic cells suggests that

domains of the ER containing the steroidogenic P450 enzymes

come close to the OMM during hormonally-induced steroidogene-

sis, forming a steroidogenic complex, so that the movement of ste-

roidal intermediates from the mitochondrion to the ER involves

very small distances.

6.3. Chemistry and transcription of P450scc

P450scc catalyzes three reactions: 22-hydroxylation of choles-

terol, 20-hydroxylation of 22(R)-hydroxycholesterol, and oxidative

scission of the C20-22 bond of 20(R),22(R)-dihydroxycholesterol,

yielding pregnenolone and isocaproaldehyde. The binding of cho-

lesterol and 22-hydroxylation are rate-limiting, as the efficiencies

(k

cat



/Km) are much higher for the subsequent reactions, and the

high K


D

of 3000 nM drives the dissociation of pregnenolone from

P450scc (

Miller and Auchus, 2011

). Alternatively, soluble hydrox-

ysterols such as 22(R)-hydroxycholesterol can enter the mitochon-

drion readily, without the action of StAR and its associated

machinery. Catalysis by P450scc is slow, with a net turnover of

approximately 6–20 molecules of cholesterol per molecule of

P450scc per second. The crystal structures of bovine (

Mast et al.,

2011


) and human (

Strushkevich et al., 2011

) P450scc, the latter

in complex with ferredoxin, show that the single active site of

P450scc is in contact with the IMM.

Transcription of the CYP11A1 gene determines cellular steroido-

genic capacity. This transcription is regulated by hormonally-

responsive factors that differ in different types of steroidogenic

cells; both the PKA and PKC second messenger systems can induce

CYP11A1


transcription via different promoter elements. Adrenal

and gonadal transcription of P450scc and other steroidogenic en-

zymes requires the action of steroidogenic factor 1 (SF1) (

Schim-


mer and White, 2010

). By contrast, placental expression of

P450scc is constitutive, independent of SF1 and requires members

of the CP2 (graineyhead) family of transcription factors (also known

as LBP proteins) (

Huang and Miller, 2000; Henderson et al., 2007

)

and TreP-132 (



Gizard et al., 2002

). Thus, long-term cellular stimu-

lation over the course of days will increase the content of P450scc,

and the level of basal steroid produced, as well as the capacity of

the cell to mount a steroidogenic response.

7. Electron transfer to P450scc: ferredoxin reductase and

ferredoxin

7.1. Ferredoxin reductase

Catalysis by P450scc and other mitochondrial P450 enzymes re-

quires two electron-transfer intermediates, ferredoxin reductase

and ferredoxin (

Miller, 2005

). Ferredoxin reductase receives elec-

trons from NADPH then forms a 1:1 complex with ferredoxin,

which then dissociates and forms an analogous 1:1 complex with

a mitochondrial P450 such as P450scc, thus functioning as an

indiscriminate, diffusible electron shuttle for all mitochondrial

forms of P450 (

Fig. 3

). The relative abundances of ferredoxin reduc-



tase and ferredoxin, as well as the inherent properties of the mito-

chondrial P450, determine catalytic activity (

Harikrishna et al.,

1993


). Genetic disorders of human ferredoxin reductase and ferre-

doxin have not been described, and mouse knockouts have not

been reported. Mutation of the Drosophila ferredoxin reductase

homologue dare causes developmental arrest and degeneration of

the adult nervous system secondary to disrupted ecdysone produc-

tion (


Freeman et al., 1999

).

The human FDXR gene produces two alternatively spliced ferre-



doxin reductase mRNAs differing by 18 bp (

Solish et al., 1988

), but

only the protein encoded by the more abundant, shorter mRNA is



active (

Brandt and Vickery, 1992

). Ferredoxin reductase mRNA is

widely expressed, but is far more abundant in steroidogenic tissues

(

Brentano et al, 1992



). Ferredoxin reductase is a 54.5 kDa flavopro-

tein affixed to the IMM that consists of two domains, each com-

prising a b-sheet core surrounded by

a

-helices (



Ziegler et al.,

1999


). The NADP(H)-binding domain is compact, whereas the do-

main that binds flavin adenine dinucleotide (FAD) is more open;

this domain binds the dinucleotide portion of FAD across a Ross-

man fold with the redox-active flavin isoalloxazine ring abutting

the NADP(H) domain. Electron transfer occurs in the cleft formed

by these two domains. This cleft is characterized by basic residues

that interact with acidic residues on ferredoxin.

7.2. Ferredoxin

The human FDX1 gene encodes ferredoxin (Fdx1), a 14 kDa, sol-

uble, iron/sulfur (Fe

2

S

2



) protein that resides either free in the mito-

chondrial matrix or is loosely bound to the inner mitochondrial

membrane (

Miller, 2005

). There are two human ferredoxins, Fdx1

and Fdx2, but only Fdx1 supports steroidogenic mitochondrial

P450 enzymes; Fdx2 participates in the synthesis of heme and

Fe/S cluster proteins (

Sheftel et al., 2010

). Ferredoxin has a core re-

gion containing four cysteine residues that tether the Fe

2

S



2

cluster,


and an interaction domain containing a helix with several charged

residues, producing a negatively charged surface above the Fe

2

S

2



cluster that interacts with the mitochondrial P450 (

Muller et al.,

1998

).

7.3. Mitochondrial P450 fusion proteins



The same surface of ferredoxin interacts with both ferredoxin

reductase and the P450; nevertheless, creation of three-component

fusion proteins of the general scheme H

2

N-P450-FerredoxinReduc-



tase-Ferredoxin-COOH (termed F2) increases Vmax. This design

was first tested with P450scc (

Harikrishna et al., 1993

) and has

been confirmed with P450c27 (

Dilworth et al., 1996

) and

P450c11b (



Cao et al., 2000

). In such fusions, the ferredoxin moiety

is at the C-terminus, tethered by a hydrophilic linker that permits

rotational freedom, so that the same surface of the ferredoxin can

access both the P450 and the ferredoxin reductase. The require-

ment for ferredoxin reductase and ferredoxin is not absolute, at

least in vitro. When P450scc is fused to an alternative electron do-

nor, microsomal P450 oxidoreductase and targeted of to the mito-

chondria, it remains active; by contrast when P450scc, its fusion

protein, or other P450scc constructs are targeted to the ER, they

are inactive even when supplied with the 22(R)-hydroxycholes-

terol substrate that bypasses the StAR system (

Black et al., 1994

).

Thus the mitochondrial localiztion is essential for the enzymatic



activity of P450scc.

8. P450scc deficiency syndromes

Three models of defective P450scc function, a spontaneously

occurring CYP11A1 deletion in the rabbit (

Yang et al., 1993

), knock-

out of the gene in the mouse (

Hu et al., 2002

), and rare patients

with P450scc mutations confirm that P450scc is the only enzyme

68

W.L. Miller / Molecular and Cellular Endocrinology 379 (2013) 62–73



that converts cholesterol to pregnenolone. Because progesterone is

needed to suppress uterine contractility and thus prevent sponta-

neous abortion, it would appear that P450scc mutations would be

incompatible with term gestation; the mouse and rabbit models

are explained by the persistence of the maternal corpus luteum

in these species, providing an alternative source of progesterone.

Nevertheless, beginning in 2001 (

Tajima et al., 2001

) 19 patients

have been described with mutations in CYP11A1 that affect

P450scc activity (

Tee et al., 2013

). Most of these patients have

mutations that ablate all P450scc activity; they probably reached

term gestation because of the maternal corpus luteum remained

functional beyond the second trimester, when it normally invo-

lutes. These patients may be clinically indistinguishable from those

with lipoid CAH. The 46,XY genetic males fail to produce testoster-

one during fetal life, and are born with female external genitalia,

although their internal reproductive structures are male, as their

testes produced anti-Müllerian hormone. Following birth, these

patients require steroid hormone replacement therapy and may

have long-term survival. As with non-classical lipoid CAH, a milder

‘‘non-classical’’ form of P450scc deficiency has been described

caused by missense mutations that retain 10–20% of normal activ-

ity (


Rubtsov et al., 2009; Sahakitrungruang et al., 2011

). No hor-

monal test distinguishes lipoid CAH from P450scc deficiency, but

the adrenals are typically grossly enlarged in lipoid CAH but nor-

mal-sized in P450scc deficiency, sometimes permitting radiologic

distinction, but the only definitive test to distinguish these disor-

ders is DNA sequencing (

Gucev et al., 2013

).

9. 3b-hydroxysteroid dehydrogenase



The 42 kDa 3b-hydroxysteroid dehydrogenase (3bHSD) is a

member of the short-chain dehydrogenase/reductase (SDR) family

of enzymes, which are are b-

a

-b proteins having up to seven par-



allel b-strands that fan across the center of the molecule, forming

the so-called ‘‘Rossman fold’’, which is characteristic of oxida-

tion/reduction enzymes that use nicotinamide cofactors (

Agarwal


and Auchus, 2005; Penning, 1997

). 3bHSD converts

D

5 steroids



(pregnenolone, 17OH-pregneneolone, DHEA), having a double

bond in the B ring to

D

4 steroids, having a double bond in the A



ring (

Miller and Auchus, 2011

). Members of this family of enzymes

lack mitochondrial leader peptides and are generally found in the

cytosol. However, 3bHSD was first isolated from mitochondria

(

Thomas et al., 1989



). This unexpected cellular localization was

confirmed by immunogold electron microscopy showing that

3bHSD immunoreactivity is found in mitochondria and endoplas-

mic reticulum as well as in the cytoplasm of bovine adrenal zona

glomerulosa cells (

Cherradi et al., 1997; Pelletier et al., 2001

). It

is not clear if this is also true for human 3bHSD, or if this subcellu-



lar distribution differs in various types of steroidogenic cells, but

this property could be a novel mechanism for regulating the direc-

tion of steroidogenesis. 3bHSD appears to be associated with

P450scc on the IMM, and possibly at OMM-IMM contact sites

(

Cherradi et al., 1995



). 3bHSD and 17

a

-hydroxylase (P450c17)



compete for the pregnenolone produced by P450scc. The Michaelis

constant (Km) for P450c17 in the ER is about 0.8

l

M (


Auchus et al.,

1998


), whereas the Km of 3bHSD is about 5.2–5.5

l

M (



Lee et al.,

1999


), so that an intramitochondrial location of 3bHSD will facili-

tate the formation of progesterone rather than 17OH-pregneno-

lone. During its mitochondrial entry, 3bHSD associates with

several mitochondrial translocase proteins to reach the IMM (

Paw-

lak et al., 2011



) and undergoes a pH-dependent conformational

change in the intramembranous space that facilitates its two enzy-

matic activities (

Prasad et al., 2012

).

There are two 3bHSD genes and several pseudogenes in a gene



cluster on chromosome 1p13.1. The two encoded 3bHSD enzymes

are 93.5% identical with nearly indistinguishable enzymology, but

with distinct distributions of expression. The type 1 enzyme cata-

lyzes 3bHSD activity in placenta, breast, liver, brain and some other

tissues, whereas the type 2 enzyme is expressd in the adrenals and

gonads. Deficiency of 3bHSD2 causes a rare form of congenital

adrenal hyperplasia (3bHSD deficiency); mutations have not been

found in 3bHSD1, possibly reflecting the impact of such a mutation

on plcental progesterone synthesis.

10. Other steroidogenic mitochondrial P450 enzymes

Adrenocortical mitochondria contain two additional P450 en-

zymes: P450c11b (11b-hydroxylase) is found in zona fasciculata

cells where it catalyzes the conversion of 11-deoxycortisol to cor-

tisol; P450c11AS (aldosterone synthase) is found in zona glomerul-

osa cells where it catalyzes the three distinct reactions needed to

convert deoxycorticosterone to aldosterone (

White et al., 1994;

Fardella and Miller, 1996; Miller and Auchus, 2011

). These two

proteins share 93% amino acid sequence identity and are encoded

by duplicated genes termed CYP11B1 (producing P450c11b) and

CYP11B2


(producing P450c11AS). Like P450scc, both proteins have

typical mitochondrial targeting sequence and are associated with

the IMM. These enzymes must compete with P450scc for reducing

equivalents provided via ferredoxin reductase and ferredoxin.

Mutations in CYP11B1 cause 11b-hydroxylase deficiency, a rare

form of virilizing congenital adrenal hyperplasia in which the over-

production of deoxycorticosterone may lead to mineralocorticoid

hypertension. Mutations in CYP11B2 cause aldosterone synthase

deficiency. An unusual recombination between the CYP11B1 and

CYP11B2


genes can place the CYP11B1 promoter upstream from

the CYP11B2 gene, thus producing aldosterone synthase in re-

sponse

to

ACTH,



causing

glucocorticoid

suppressible

hyperaldosteronism.

11. Mitochondrial P450 enzymes in vitamin D synthesis

Vitamin D and its metabolites are not steroids in the strict

chemical sense, as the B ring of cholesterol is opened (

Fig. 4


). Nev-

ertheless, these sterols are derived from cholesterol, assume

shapes that are very similar to steroids, and bind to a similar,

zinc-finger receptor that regulates gene transcription (

Feldman

et al., 2013



). The final step in the biosynthesis of cholesterol is con-

version of 7-dehydrocholesterol to cholesterol. In human skin,

ultraviolet radiation at 270–290 nm directly cleaves the 9–10 car-

bon–carbon bond of the cholesterol B ring, converting 7-dehydro-

cholesterol to cholecalciferol (vitamin D

3

) (



Norman, 1998

). Plants

produce ergocalciferol (vitamin D

2

), which has essentially the same



properties as cholecalciferol. Both calciferols are biologically inac-

tive pro-hormones that are then activated, and subsequently inac-

tivated, by mitochondrial P450 enzymes.

The initial step in the activation of vitamin D is its hepatic 25-

hydroxylation to 25(OH)D, which may be catalyzed by several en-

zymes. The principal 25-hydroxylase is CYP2R1 (

Cheng et al.,

2003


), and deficiency of this enzyme causes the very rare 25-

hydroxylase deficiency syndrome (

Cheng et al., 2004; Dong and

Miller, 2004

). A hepatic mitochondrial P450 (variously termed

P450c25 and P450c27) encoded by the CYP27A1 gene also has vita-

min D 25-hydroxylase activity, but its mutation causes cerebroten-

dinous xanthomatosis without a disorder in calcium metabolism

(

Cali et al., 1991; Leitersdorf et al., 1993



), hence this mitochondrial

enzyme is of marginal importance to vitamin D metabolism.

The active, hormonal form of vitamin D, 1,25(OH)

2

D, is pro-



duced by the 1

a

-hydroxylation of 25(OH)D by the mitochondrial



1

a

-hydroxylase, P450c1



a

, encoded by the CYP27B1 gene (

Fu

et al., 1997a,b



). 1,25(OH)

2

D in the circulation derives primarily



W.L. Miller / Molecular and Cellular Endocrinology 379 (2013) 62–73

69


from the kidney, but 1

a

-hydroxylase activity is also found in kerat-



inocytes, macrophages, osteoblasts and placenta. 1

a

-hydroxylation



is the rate-limiting step in the activation of vitamin D, and renal

enzyme activity is tightly regulated by parathyroid hormone

(PTH), calcium, phosphorus, and 1,25(OH)

2

D itself. The first human



clone was obtained from human keratinocytes, but multiple stud-

ies, including finding mutations in a patient affected with renal 1

a

-

hydroxylase deficiency, proved that the same gene was expressed



in kidney (

Fu et al., 1997a

). Mutations in this gene cause the disor-

der variously termed ‘vitamin D-dependent rickets, Type 1’, ‘pseu-

do vitamin D-deficient rickets’ and ‘vitamin D 1

a

-hydroxylase



deficiency’ (

Wang et al., 1998; Kim et al., 2007

). The single CYP27B1

gene for 1

a

-hydroxylase is only 5 kb long and has an intron/exon



organization that is very similar to that of other mitochondrial

P450 enzymes, especially the mitochondrial cholesterol side-chain

cleavage enzyme, P450scc (

Fu et al., 1997b

). Thus, even though the

mitochondrial P450 enzymes retain only 30–40% amino acid se-

quence identity with each other, they all belong to a single evolu-

tionary lineage. More than 100 patients with CYP27B1 mutations

have been described (

Edouard et al 2011

).

1,25(OH)


2

D may be inactivated by the principal hepatic drug-

metabolizing enzyme, microsomal CYP3A4, or by its 24-hydroxyl-

ation by vitamin D 24-hydroxylase (P450c24), encoded by the

CYP24A1

gene (


Feldman et al., 2013

). This mitochondrial enzyme

can catalyze the 24-hydroxylation of 25(OH)D to 24,25(OH)

2

D



and of 1,25(OH)

2

D to 1,24,25(OH)



3

D, primarily in the kidney and

intestine, thus inactivating vitamin D (

Ohyama et al., 1991; Chen

et al., 1993

). The expression of P450c24 is induced by

1,25(OH)

2

D, providing a direct feedback mechanism to autoregu-



late circulating levels of 1,25(OH)

2

D (



Xie et al., 2002

). The crystal

structure of rat P450c24 has been determined, showing a classic


Download 2.44 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   13   14   15   16   17   18   19   20   ...   23




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling