Neonatal exposure to estradiol reprograms the expression of androgen receptor and anti-müllerian hormone [recurso electrónico]: short and long term effects and their relation to the polycystic ovary phenotype

Abstract

Reproduction is regulated through the integration of information that comes from the hypothalamus, hypophysis, and the ovary. There are critical hormone sensitive periods during development during which they are especially vulnerable to exposure to abnormal hormonal levels resulting from metabolic problems or environmental sources. These exposures may permanently alter the differentiation and function of reproductive organs. Several studies performed in humans and animal models have suggested that polycystic ovary syndrome (PCOS) originates during early development due to exposure to abnormal steroidal hormone levels. Supporting this, our group recently reported that the administration of a single dose of estradiol valerate (EV) to newborn rats can irreversibly program the polycystic ovary condition during adulthood. However, there is no information about how this neonatal exposure to a single dose of EV can determine the functional and structural changes seen in the adult ovary. The aim of this research was to determine if there are genes—primarily those most reported to be related to PCOS in humans—with permanently altered expression and if these expression patterns are due to modifications in the methylation pattern in their DNA sequence. A single dose (10 mg/kg) of EV was administered to neonatal rats, and PCR array and real-time PCR analyses were conducted to examine the subsequent gene expression patterns of growth factors, nuclear receptors, and coregulators. Twenty-four hours after the exposure, the EV-exposed rat ovaries expressed more androgen receptor (Ar) than did the control ovaries; in the 60-day old rats, the Ar mRNA levels decreased 6.4-fold relative to the controls. The interstitial tissue and antral follicles from the adult EV-treated rats expressed more Ar than did the control preantral follicles, suggesting a failure of the control mechanism for Ar expression in antral follicles. Using the mass-array technique, the methylation patterns of different transcription factor binding sites were found to be associated with the Ar gene. NBRE, the response element of nerve growth factor-induced B (Ngfi-b), was hypomethylated in the Ar gene from the EV-treated ovaries. There was also an increase in anti-Müllerian hormone (AMH) expression in adult ovaries (mRNA and protein) that was induced by the neonatal exposure to estradiol. The EV-treated rat ovaries had a higher level of AMH immunoreactivity in the antral follicles than did the controls; however, no significant differences were seen between the preantral follicles of the treated and control groups. The methylation pattern of the Amh gene from the ovaries of EV-treated adult rats showed differential methylation in the CpGs related to the estradiol response element (ERE) in the Amh gene. The neonatal ovary samples had hypermethylated CpGs in comparison to the 30- and 60-day old rats; the samples (granulosa cells) from the 60-day old rats had more methylation of the CpGs than did those from the 30-day old rats; thus, the methylation pattern depended on the stage of development. When we compared the EV-exposed and control rats, we found more methylation of the CpGs in the samples from the 60-day old EV-exposed rats than in those from the controls; there were no differences between the groups for the 2- and 30-day old rats. This work demonstrated that the neonatal exposure to estradiol induces an overexpression of AMH and AR in the rat ovary. The mechanism by which these changes are induced may involve an increase in the methylation of the ERE associated with the Amh gene, suggesting that the change in methylation allows ESR1 to induce Amh expression. The hypomethylation of NBRE associated with the AR gene suggests that AR expression may be induced in response to nerve growth factor or luteinizing hormone. These epigenetic modifications found in the current rat model provide a new framework for understanding the genesis of the polycystic ovary and its maintenance in humans, allowing more focus on the effects due to estrogen exposure

Die Fortpflanzung in Säugetieren wird durch Signale aus dem Hypothalamus, der Hypophyse und der Gebärmutter gesteuert. Während der Anlage der Gebärmutter in der Embryonalentwicklung gibt es ein kritisches Zeitfenster bei dem die Entwicklung durch veränderte Hormonspiegel oder andere äußere Einflüsse gestört werden kann. Dabei kann es zur permanenten Schädigung der reproduktiven Organe kommen. Studien am Menschen und in Tiermodellen legen nahe, dass das sogenannte Polyzystische Ovarialsyndrom durch erhöhte Steroidhormonspiegel verursacht wird. So konnte unsere Arbeitsgruppe kürzlich zeigen, dass bei neugeborenen Ratten die Gabe einer einzigen Dosis Estradiolvalerat (EV) ausreicht um ein Polyzystisches Ovarialsyndrom in den erwachsenen Tieren zu erzeugen. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind allerdings bis heute nicht bekannt. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob die Expression bestimmter Gene in erwachsenen Ratten durch die Estradiolvaleratgabe im neonatalen Stadium permanent verändert wird und ob die veränderte Genexpression mit epigenetischen Veränderungen auf der Ebene der DNA Methylierung einhergeht. Hierzu wurden neugeborene Ratten mit einer einzigen Dosis EV (10 mg/Kg) behandelt um anschließend die Genexpression von Wachstumsfaktoren, nukleären Hormonrezeptoren und ihre Kofaktoren mittels PCR Arrays und quantitativer RT-PCR zu untersuchen. Wir konnten zeigen, dass die Ovarien von EV-behandelten Ratten das Androgenrezeptorgen (Ar) nach 24h stärker exprimierten als die Kontrollen. Nach 60 Tagen ging die ovariale Ar Expression allerdings um das 4-6-fache gegenüber unbehandelten Tieren zurück. Histologisch war die Ar Expression in antralen Follikeln und im Interstitium vom EV-behandelten adulten Tieren stärker als in preantralen Follikeln, was auf eine Störung von Regulationsmechanismen in antralen Follikeln hindeutet. Mittels MassArray-Technologie konnte außerdem gezeigt werden, dass die veränderte Ar Expression in EV-behandelten Tieren mit der verringerten DNA Methylierung einer potentiellen Transkriptionsfaktorbindestelle (NBRE: nerve growth factor-induced B response element) korreliert. Daneben war die Expression des Anti-Müller-Hormons (AMH) in Ovarien von EV-behandelten adulten Tieren sowohl auf mRNA als auch auf Proteinebene erhöht. Immunhistologisch zeigten insbesondere die antralen Follikeln von EV-behandelten adulten Tieren (nicht aber Interstitium und preantrale Follikeln) eine stärkere Färbung für AMH. Auch im Amh Gen konnten entwicklungs- und behandlungsabhängige Veränderungen der DNA Methylierung gemessen werden. Eine Bindungsstelle für den Estrogenrezeptor (ERE: estradiol response element) im Amh Gen zeigte Methylierungsunterschiede in Ovarien von adulten EV-behandelten Ratten. In normalen Tieren war der Methylierungsstatus dieser Region abhängig vom Entwicklungsstadium: im Vergleich zu 30 und 60 Tage alten Ratten war das Element in neugeborenen Ratten hypermethyliert und in Granulosazellpräperaten von 30 Tage alten Ratten weniger methyliert als in Präparaten von 60 Tage alten Tieren. Im Vergleich mit EV-behandelten Tieren zeigten Proben von 60 Tage alten Tieren eine signifikant erhöhte DNA Methylierung, während EV-behandelte neugeborene und 30 Tage alte Tiere sich nicht signifikant von den Kontrollen unterschieden. In dieser Arbeit konnte also gezeigt werden, dass bei Ratten die Gabe von Estradiol im neonatalen Stadium zu einer ovarialen Überproduktion von AMH und AR führt. Die Mechanismen die zu diesen Veränderungen führen könnten mit dem Verlust der DNA Methylierung im ERE des Amh Gens zusammenhängen, was vermutlich zu einer erhöhten ESR1-Bindung und AMH Expression führt. Die Hypomethylierung des NBRE im Ar Gen deutet darauf hin, dass hier NGF (nerve growth factor) oder LH (luteinisierende Hormon) an der veränderten Regulation beteiligt sind. Die im Rattenmodel gefundenen epigenetischen Veränderungen bieten neue Anhaltspunkte um die Entstehung und die Persistenz des Polyzystische Ovarialsyndroms im Menschen besser zu verstehen und zukünftige Forschung wird sich noch gründlicher mit den Effekten der Estrogenexposition auseinandersetzen müssen