Mitochondrial endocrinology Mitochondria as key to hormones and metabolism


Download 2.44 Mb.
Pdf ko'rish
bet15/23
Sana01.10.2017
Hajmi2.44 Mb.
#16915
1   ...   11   12   13   14   15   16   17   18   ...   23


Nontranscriptional modulation of intracellular Ca2+ signaling by ligand

stimulated thyroid hormone receptor. J. Cell Biol. 167 (5), 915–924

.

Samuels, H.H., Tsai, J.S., Casanova, J., 1974. Thyroid hormone action: in vitro



demonstration of putative receptors in isolated nuclei and soluble nuclear

extracts. Science 184 (4142), 1188–1191

.

Sap, J., Muñoz, A., Damm, K., Goldberg, Y., Ghysdael, J., Leutz, A., Beug, H.,



Vennström, B., 1986. The c-erb-A protein is a high-affinity receptor for thyroid

hormone. Nature 324 (6098), 635–640

.

Silva, J.E., 2006. Thermogenic mechanisms and their hormonal regulation. Physiol.



Rev. 86 (2), 435–464

.

Silvestri, E., Schiavo, L., Lombardi, A., Goglia, F., 2005. Thyroid hormones as



molecular determinants of thermogenesis. Acta Physiol. Scand. 184, 265–283

.

Silvestri, E., Cioffi, F., Glinni, D., Ceccarelli, M., Lombardi, A., de Lange, P., Chambery,



A., Severino, V., Lanni, A., Goglia, F., Moreno, M., 2010. Pathways affected by 3,5-

diiodo-


L

-thyronine in liver of high fat-fed rats: evidence from two-dimensional

electrophoresis, blue-native PAGE, and mass spectrometry. Mol. BioSyst. 6 (11),

2256–2271

.

Sterling, K., Milch, P.O., 1975. Thyroid hormone binding by a component of



mitochondrial membrane. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 72 (8), 3225–3229

.

Tata, J.R., 1963. Inhibition of the biological action of thyroid hormones by



actinomycin D and puromycin. Nature 197, 1167–1168

.

Tata, J.R., 2012. The road to nuclear receptors of thyroid hormone. Biochim. Biophys.



Acta March 17

.

Tata, J.R., Ernster, L., Lindberg, O., 1962. Control of basal metabolic rate by thyroid



hormones and cellular function. Nature 193, 1058–1060

.

Tata, J.R., Ernster, L., Lindberg, O., Arrhenius, E., Pedersen, S., Hedman, R., 1963. The



action of thyroid hormones at the cell level. Biochem. J. 86 (3),

408–428


.

Thakran, S., Sharma, P., Attia, R.R., Hori, R.T., Deng, X., Elam, M.B., Park, E.A., 2013.

Role of sirtuin 1 in the regulation of hepatic gene expression by thyroid

hormone. J. Biol. Chem. 288 (2), 807–818

.

Vatner, D.F., Weismann, D., Beddow, S.A., Kumashiro, N., Erion, D.M., Liao, X-H.,



Grover, G.J., Webb, P., Phillips, K.J., Weiss, R.E., Bogan, J.S., Baxter, J., Shulman,

G.I., Varman, T., Samuel, V.T., 2013. Thyroid hormone receptor b agonists

prevent hepatic steatosis in fat-fed rats but impair insulin sensitivity via

discrete pathways. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. May 7.

http://dx.doi.org/

10.1152/ajpendo.00573.20

.

Venditti, P., Bari, A., Di Stefano, L., Cardone, A., Della, Ragione.F., D’Esposito, M., Di



Meo, S., 2009. Involvement of PGC-1, NRF-1, and NRF-2 in metabolic response

by rat liver to hormonal and environmental signals. Mol. Cell. Endocrinol. 305

(1–2), 22–29

.

Venditti, P., Chiellini, G., Di Stefano, L., Napolitano, G., Zucchi, R., Columbano, A.,



Scanlan, T.S., Di Meo, S., 2010. The TRbeta-selective agonist, GC-1, stimulates

60

F. Cioffi et al. / Molecular and Cellular Endocrinology 379 (2013) 51–61



mitochondrial oxidative processes to a lesser extent than triiodothyronine. J.

Endocrinol. 2010 (205), 279–289

.

Ventura-Clapier, R., Garnier, A., Veksler, V., 2008. Transcriptional control of



mitochondrial biogenesis: the central role of PGC-1alpha. Cardiovasc. Res. 79

(2), 208–217

.

Visser, W.E., Friesema, E.C., Visser, T.J., 2011. Minireview: thyroid hormone



transporters: the knowns and the unknowns. Mol. Endocrinol. 25 (1), 1–14

.

Weinberger, C., Thompson, C.C., Ong, E.S., Lebo, R., Gruol, D.J., Evans, R.M., 1986. The



c-erb-A gene encodes a thyroid hormone receptor. Nature 324 (6098), 641–646

.

Weiss, R.E., Xu, J., Ning, G., Pohlenz, J., O’Malley, B.W., Refetoff, S., 1999. Mice



deficient in the steroid receptor co-activator 1 (SRC-1) are resistant to thyroid

hormone. EMBO J. 18 (7), 1900–1904

.

Weitzel, J.M., Iwen, K.A., 2011. Coordination of mitochondrial biogenesis by thyroid



hormone. Mol. Cell. Endocrinol. 342 (1–2), 1–7

.

Weitzel, J.M., Iwen, K.A., Seitz, H.J., 2003. Regulation of mitochondrial biogenesis by



thyroid hormone. Exp. Physiol. 88 (1), 121–128

.

West, A.P., Shadel, G.S., Ghosh, S., 2011. Mitochondria in innate immune responses.



Nat. Rev. Immunol. 11 (6), 389–402

.

Westermann, B., 2010. Mitochondrial fusion and fission in cell life and death. Nat.



Rev. Mol. Cell Biol. 11 (12), 872–884

.

Wrutniak, C., Cassar-Malek, I., Marchal, S., Rascle, A., Heusser, S., Keller, J.M.,



Fléchon, J., Dauça, M., Samarut, J., Ghysdael, J., Cabello, G., 1995. A 43-kDa

protein related to c-Erb A alpha 1 is located in the mitochondrial matrix of rat

liver. J. Biol. Chem. 270 (27), 16347–16354

.

Wulf, A., Harneit, A., Weitzel, J.M., 2007. T3-mediated gene expression is



independent of PGC-1alpha. Mol. Cell. Endocrinol. 270 (1–2), 57–63

.

Wulf, A., Harneit, A., Kröger, M., Kebenko, M., Wetzel, M.G., Weitzel, J.M., 2008. T3-



mediated expression of PGC-1alpha via a far upstream located thyroid hormone

response element. Mol. Cell. Endocrinol. 287 (1–2), 90–95

.

Yehuda-Shnaidman, E., Kalderon, B., Azazmeh, N., Bar-Tana, J., 2010. Gating of the



mitochondrial permeability transition pore by thyroid hormone. FASEB J. 24,

93–104


.

Yen, P.M., Ando, S., Feng, X., Liu, Y., Maruvada, P., Xia, X., 2006. Thyroid hormone

action at the cellular, genomic and target gene levels. Mol. Cell. Endocrinol. 246

(1–2), 121–127

.

F. Cioffi et al. / Molecular and Cellular Endocrinology 379 (2013) 51–61



61

Steroid hormone synthesis in mitochondria

Walter L. Miller

Department of Pediatrics, University of California San Francisco, San Francisco, CA 94143-1346, USA



Division of Endocrinology, University of California San Francisco, San Francisco, CA 94143-1346, USA

a r t i c l e i n f o

Article history:

Available online 28 April 2013

Keywords:

Cholesterol transport

Cholesterol side chain cleavage

Outer mitochondrial membrane

Steroidogenesis

Steroidogenic acute regulatory protein

Vitamin D

a b s t r a c t

Mitochondria are essential sites for steroid hormone biosynthesis. Mitochondria in the steroidogenic cells

of the adrenal, gonad, placenta and brain contain the cholesterol side-chain cleavage enzyme, P450scc,

and its two electron-transfer partners, ferredoxin reductase and ferredoxin. This enzyme system converts

cholesterol to pregnenolone and determines net steroidogenic capacity, so that it serves as the chronic

regulator of steroidogenesis. Several other steroidogenic enzymes, including 3b-hydroxysteroid dehydro-

genase, 11b-hydroxylase and aldosterone synthase also reside in mitochondria. Similarly, the mitochon-

dria of renal tubular cells contain two key enzymes participating in the activation and degradation of

vitamin D. The access of cholesterol to the mitochondria is regulated by the steroidogenic acute regula-

tory protein, StAR, serving as the acute regulator of steroidogenesis. StAR action requires a complex

multi-component molecular machine on the outer mitochondrial membrane (OMM). Components of this

machine include the 18 kDa translocator protein (TSPO), the voltage-dependent anion chanel (VDAC-1),

TSPO-associated protein 7 (PAP7, ACBD3), and protein kinase A regulatory subunit 1

a

(PKAR1A). The pre-



cise fashion in which these proteins interact and move cholesterol from the OMM to P450scc, and the

means by which cholesterol is loaded into the OMM, remain unclear. Human deficiency diseases have

been described for StAR and for all the mitochondrial steroidogenic enzymes, but not for the electron

transfer proteins or for the components of the cholesterol import machine.

Ó 2013 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

1. Introduction

Six classes of steroid hormones, all of which are indispensable

for mammalian life, are made from cholesterol via complex biosyn-

thetic pathways that are initiated by specialized, tissue-specific en-

zymes found in mitochondria. These hormones include

glucocorticoids (cortisol, corticosterone) and mineralocorticoids

(aldosterone) produced in the adrenal cortex; estrogens (estradiol),

progestins (progesterone) and androgens (testosterone, dihydro-

testosterone) produced in the gonads; and calciferols (1,25-dihy-

droxy vitamin D [1,25OH

2

D]) produced in the kidney. The



biosynthesis of the steroid hormones (

Miller and Auchus, 2011

)

and of 1,25OH



2

D (a sterol) (

Feldman et al., 2013

) from cholesterol

have been reviewed recently. There are two specialized aspects to

the mitochondria of these steroidogenic tissues – the specialized

mechanisms by which cholesterol is delivered to the mitochondria

and the specialized intra-mitochondrial enzymes that paricipate in

the synthesis of hormonal steroids.

2. Delivery of cholesterol to mitochondria

2.1. Sources of cholesterol

The intracellular transport and distribution of cholesterol prior

to its delivery to the mitochondria has been reviewed recently

(

Miller and Bose, 2011



). Cholesterol may be produced de novo from

acetate via a complex pathway primarily found in the endoplasmic

0303-7207/$ - see front matter

Ó 2013 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

http://dx.doi.org/10.1016/j.mce.2013.04.014

Abbreviations:

1,25(OH)

2

D, 1,25 dihydroxy vitamin D (calcitriol); 3bHSD, 3b-



hydroxysteroid dehydrogenase; ACAT, acyl transferase; ACTH, adrenocorticotropic

hormone; ANT, adenine nucleotide transporter; ER, endoplasmic reticulum; CRAC,

cholesterol recognition amino acid consensus domain; FAD, flavin adenine dinu-

cleotide; HDL, high density lipoproteis; HSL, hormone-sensitive neutral lipase;

HMGCoA, 3-hydroxy-3-methylglutaryl co-enzyme A; IMM, inner mitochondrial

membrane; IMS, intramembranous space; Km, Michaelis constant; LAL, lysosomal

acid lipase; LDL, low-density lipoproteins; LH, luteinizing hormone; MENTAL,

MLN64 N-terminal; MENTHO, MLN64 N-terminal domain homologue; MLN64,

metastatic lymph node clone 64; NADPH, nicotinamide adenine dinucleotide

phosphate; NPC, Niemann Pick type C; OMM, outer mitochondrial membrane;

PAP7, TSPO-associated protein 7 (ACBD3); PBR, peripheral benzodiazepine recep-

tor; PCP, phosphate carrier protein; PKA, protein kinase A; PKAR1A, protein kinase A

regulatory subunit 1

a

; PRAX1, TSPO-associated protein 1; PTH, parathyroid



hormone; P450scc, mitochondrial cytochrome P450 specific for cholesterol side-

chain cleavage; SF1, steroidogenic factor 1; SOAT, sterol O-acetyltransferase; SR-B1,

scavenger receptor B1; StAR, steroidogenic acute regulatory protein; START, StAR-

related lipid transfer domain; SREBPs, sterol regulatory element binding proteins;

TSPO, 18 kDa translocator protein; VDAC1, voltage-dependent anion channel.

Address: Department of Pediatrics, University of California San Francisco, San



Francisco, CA 94143-1346, USA.

E-mail address:

wlmlab@ucsf.edu

Molecular and Cellular Endocrinology 379 (2013) 62–73

Contents lists available at

SciVerse ScienceDirect

Molecular and Cellular Endocrinology

j o u r n a l h o m e p a g e : w w w . e l s e v i e r . c o m / l o c a t e / m c e



reticulum (ER) (

Porter and Herman, 2011

), but most steroidogenic

cholesterol is derived from circulating lipoproteins. High density

lipoproteins (HDL) may be taken up via scavenger receptor B1

(SR-B1) and low-density lipoproteins (LDL) are taken up by recep-

tor-mediated endocytosis via LDL receptors. LDL can suppress the

rate-limiting enzyme in cholesterol synthesis, 3-hydroxy-3-meth-

ylglutaryl co-enzyme A (HMGCoA) reductase. Rodents preferenti-

aly use the HDL/SR-B1 pathway to obtain steroidogenic

cholesterol, but the principal human source is receptor-mediated

endocytosis of LDL. Nevertheless, patients with congenital abeta-

lipoproteinemia have low LDL cholesterol but have normal basal

cortisol concentrations, and only mildly impaired cortisol re-

sponses to adrenocorticotropic hormone (ACTH) (

Illingworth

et al., 1982

), and those treated with high doses of statins have no

impairment of cortisol secretion (

Dobs et al., 2000

). Thus endoge-

nously produced cholesterol is sufficient in most situations, and

the HDL/SR-B1 system plays a relatively minor role in human ste-

roidogenesis. The regulation of cholesterol uptake, intracellular

transport, and utilization is coordinated by a family of basic he-

lix-loop-helix transcription factors called the sterol regulatory ele-

ment binding proteins (SREBPs). The cell biology of intracellular

cholesterol trafficking is summarized in

Fig. 1

.

2.2. Lipases and the processing of cholesterol esters



After circulating LDL is internalized by receptor-mediated endo-

cytosis, the resulting endocytic vesicles fuse with lysosomes,

where the LDL proteins are degraded by proteolysis, liberating

the cholesteryl esters, which are then hydrolyzed to ‘free’ choles-

terol by lysosomal acid lipase (LAL). However, cholesterol is never

truly free, as its solubility is only about 20

l

mol per liter, so that



the term ‘free cholesterol’ refers to cholesterol that is bound to pro-

teins or membranes, but lacks a covalently linked group. Free cho-

lesterol may be used by the cell or stored in lipid droplets following

re-esterification by acyl-coenzyme-A-cholesterol-acyl-transferase

(ACAT) also known as sterol-O-acetyltransferase (SOAT1). Simi-

larly, HDL cholesteryl esters that enter the cell via SR-B1 are acted

on by hormone-sensitive neutral lipase (HSL), following which the

free cholesterol may also be used or re-esterified for storage. ACTH

and luteinizing hormone (LH) respectively increase intracellular

levels of cAMP in the adrenal and gonad, stimulating HSL and

inhibiting ACAT, thus increasing the availability of free cholesterol

for steroid hormone synthesis. ACTH, LH and other factors that in-

crease cAMP stimulate the activity of HMGCoA reductase and the

uptake of LDL cholesterol. When intracellular cholesterol concen-

trations are high, the genes for the LDL receptor, HMGCoA reduc-

tase and LAL are repressed while ACAT is induced, thereby

decreasing cholesterol uptake, synthesis and de-esterification.

Conversely, when intracellular cholesterol concentrations are

low, this process is reversed.

Mutations in the LIPA gene encoding LAL cause Wolman disease,

characterized by visceral accumulation of cholesteryl esters and

triglycerides, with secondary adrenal insufficiency; cholesterol es-

ter storage disease is a milder, adult variant (

Lohse et al., 1999

). Af-

fected infants quickly develop hepatosplenomegaly, malabsorptive



malnutrition and developmental delay; the diagnosis may be sug-

gested by calcification that outlines the adrenal glands, and is

established by finding deficient lysosomal acid lipase activity in

leukocytes, fibroblasts or prenatal amniocytes. Bone marrow trans-

plantation may ameliorate the disease, but the mechanism is un-

clear. In contrast to LAL, no known human disease is associated

with HSL deficiency.

2.3. Endosomal processing of cholesterol

The entry and exit of cholesterol from lipid droplets involves

the NPC proteins, so named because their mutation causes Nie-

mann Pick type C (NPC) disease, which is characterized by endo-

somal accumulation of LDL-cholesterol and glycosphingolipids.

Patients are normal in infancy but develop ataxia, dementia, loss

Fig. 1. Intracellular cholesterol trafficing. Human steroidogenic cells take up circulating low-density lipoproteins (LDLs) by receptor-mediated endocytosis, directing the

cholesterol to endosomes; rodent cells utilize cholesterol from high-density lipoproteins (HDLs) via scavenger receptor B1 (SRB1). Cholesterol may also be synthesized from

acetate in the ER. Cholesteryl esters are cleaved by lysosomal acid lipase (LAL); free cholesterol is then bound by NPC1, transferred to NPC2, and exported. The MLN64/

MENTHO system resides in the same endosomes as the NPC system, but its role in cholesterol trafficking remains uncertain. Cholesterol may be re-esterified by acyl-CoA:

cholesterol transferase (ACAT) and stored in lipid droplets as cholesteryl esters. Free cholesterol may be produced by hormone-sensitive lipase (HSL). Cholesterol can reach

the outer mitochondrial membrane (OMM) by non-vesicular means by utilizing START-domain proteins or other cholesterol transport proteins. Movement of cholesterol

from the OMM to the inner mitochondrial membrane (IMM) requires a multi-protein complex on the OMM. In the adrenals and gonads, the steroidogenic acute regulatory

protein, StAR, is responsible for the rapid movement of cholesterol from the OMM to the IMM, where it can be converted to pregnenolone by P450scc. (

ÓWL Miller).

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

63


of speech and spasticity at 2–4 years, and usually die during their

second decade (

Vanier and Millat, 2003

). Cholesterol and other lip-

ids accumulate in Purkinje cells and other neurons, and there is ro-

bust glial infiltration. The diagnosis is typically made by finding

characteristic foamy Niemann-Pick cells and ‘sea-blue’ histiocytes

in the bone marrow. The NPC1 or NPC2 proteins participate in

endosomal/lysosomal cholesterol transport. NPC1 is a 1278 AA gly-

coprotein containing 13 transmembrane domains that span the

endo-lysosomal membrane (

Kwon et al., 2009

), and NPC2 is a sol-

uble 151 AA glycoprotein found in the lysosomal lumen (

Xu et al.,

2007


). NPC2 binds cholesteryl esters with the cholesterol side-

chain buried is in a hydrophobic pocket and the polar 3bOH group

exposed, allowing LAL to cleave cholesteryl esters while they are

bound to NPC2. The free cholesterol is then transferred to the N-

terminal domain of NPC1 in the lysosomal lumen, which binds

cholesterol the 3bOH group buried in the protein and the side

chain partially exposed. Thus, the NPC2 and NPC1 proteins act to-

gether to insert cholesterol into the lysosomal membrane with the

hydrophobic side-chain going in first.

Two proteins named MLN64 (metastatic lymph node clone 64)

and MENTHO (MLN64 N-terminal domain homologue) may also

participate in endosomal cholesterol trafficking. MLN64 is a cho-

lesterol-binding protein that co-localizes with NPC1 in late endo-

somes (


Zhang et al., 2002; Alpy and Tomasetto, 2006

). The N-

terminal ‘MENTAL’ domain (for MLN64 N-TerminAL) is structurally

related to the late-endosomal protein, MENTHO (

Alpy et al., 2002

),

contains 4 transmembrane domains, and targets MLN64 to late



endosomal membranes. The C-terminal domain of MLN64 is called

the START (StAR-related lipid transfer) domain because it is similar

to the lipid-biding domain of the steroidogenic acute regulatory

protein (StAR) (

Alpy et al., 2001; Clark, 2012

) (see Section 3). The

MENTAL domains of MENTHO and MLN64 can interact to form

homo- and heterodimers and to bind cholesterol, suggesting a role

in endosomal cholesterol transport. MLN64 lacking the MENTAL

domain (N-234 MLN64) has 50–60% of StAR-like activity to stimu-

late mitochondrial uptake of cholesterol (

Bose et al., 2000

). The

START domain of MLN64 may interact with cytoplasmic HSP60



to stimulate steroidogenesis in placental mitochondria (

Olvera-


Sanchez et al., 2011

). The function of MLN64 remains unclear:

knockout of the START domain of MLN64 yielded viable, neurolog-

ically intact, fertile mice with normal plasma and hepatic lipids

(

Kishida et al., 2004



), and no human disorders of MLN64 or MEN-

THO have been described. Accumulation of cholesterol in NPC1-

deficient cells increased MLN64-mediated cholesterol transport

to mitochondria and accumulation of cholesterol in the outer

mitochondiral membrane (OMM), suggesting that cholesterol

transport from endosomes to mitochondria may involve MLN64

(

Charman et al., 2010



).

2.4. Non-vesicular intracytoplasmic cholesterol transport

Intracellular cholesterol transport may may be ‘vesicular’ (med-

iated by membrane fusion) or ‘non-vesicular’ (bound to proteins).

Because membranes participating in vesicular transport are fluid,

the lipid compositions of the mitochondrial membranes may vary.

Protein-protein interactions between lipid droplets, mitochondria,

and other organelles may facilitate vesicular cholesterol transport.

Both vesicular and non-vesicular cholesterol transport occur in ste-

roidogenic cells, but non-vesicular transport involving high-affin-

ity cholesterol-binding START-domain proteins appears to be the

principal means of cholesterol transport from lipid droplets to

mitochondria (

Miller and Bose, 2011

). START-domain proteins

are found in fungi, plants and animals; the mammalian START-do-

main proteins are termed StarD1-15 (

Clark, 2012

). The START pro-

teins most closely related to StAR (StarD4, D5 and D6), bind

cholesterol and are induced by SREBP. StarD4, D5, and D6 lack N-

terminal signal sequences, suggesting they are cytosolic proteins.

StarD1 (StAR), StarD3 (MLN64), StarD4 and StarD5 bind cholesterol

with high affinity and specificity, facilitate cholesterol transport

through an aqueous environment, and appear to play important

roles in cellular cholesterol homeostasis (

Rodriguez-Agudo et al.,


Download 2.44 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   11   12   13   14   15   16   17   18   ...   23




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