Abstract Androgen receptor (AR) plays a central role in prostate cancer, and most patients respond to androgen deprivation therapies, but they invariably relapse with a more aggressive prostate cancer that has been termed hormone refractory or androgen independent. To identify proteins that mediate this tumor progression, gene expression in 33 androgen-independent prostate cancer bone marrow metastases versus 22 laser capture–microdissected primary prostate cancers was compared using Affymetrix oligonucleotide microarrays. Multiple genes associated with aggressive behavior were increased in the androgen-independent metastatic tumors (MMP9, CKS2, LRRC15, WNT5A, EZH2, E2F3, SDC1, SKP2, and BIRC5), whereas a candidate tumor suppressor gene (KLF6) was decreased. Consistent with castrate androgen levels, androgen-regulated genes were reduced 2- to 3-fold in the androgen-independent tumors. Nonetheless, they were still major transcripts in these tumors, indicating that there was partial reactivation of AR transcriptional activity. This was associated with increased expression of AR (5.8-fold) and multiple genes mediating androgen metabolism (HSD3B2, AKR1C3, SRD5A1, AKR1C2, AKR1C1, and UGT2B15). The increase in aldo-keto reductase family 1, member C3 (AKR1C3), the prostatic enzyme that reduces adrenal androstenedione to testosterone, was confirmed by real-time reverse transcription-PCR and immunohistochemistry. These results indicate that enhanced intracellular conversion of adrenal androgens to testosterone and dihydrotestosterone is a mechanism by which prostate cancer cells adapt to androgen deprivation and suggest new therapeutic targets. (Cancer Res 2006; 66(5): 2815-25)

The kinetic parameters, steroid substrate specificity and identities of reaction products were determined for four homogeneous recombinant human 3α-hydroxysteroid dehydrogenase (3α-HSD) isoforms of the aldo-keto reductase (AKR) superfamily. The enzymes correspond to type 1 3α-HSD (AKR1C4), type 2 3α(17β)-HSD (AKR1C3), type 3 3α-HSD (AKR1C2) and 20α(3α)-HSD (AKR1C1), and share at least 84% amino acid sequence identity. All enzymes acted as NAD(P)(H)-dependent 3-, 17- and 20-ketosteroid reductases and as 3α-, 17β- and 20α-hydroxysteroid oxidases. The functional plasticity of these isoforms highlights their ability to modulate the levels of active androgens, oestrogens and progestins. Salient features were that AKR1C4 was the most catalytically efficient, with kcat/Km values for substrates that exceeded those obtained with other isoforms by 10–30-fold. In the reduction direction, all isoforms inactivated 5α-dihydrotestosterone (17β-hydroxy-5α-androstan-3-one; 5α-DHT) to yield 5α-androstane-3α,17β-diol (3α-androstanediol). However, only AKR1C3 reduced ∆4-androstene-3,17-dione to produce significant amounts of testosterone. All isoforms reduced oestrone to 17β-oestradiol, and progesterone to 20α-hydroxy-pregn-4-ene-3,20-dione (20α-hydroxyprogesterone). In the oxidation direction, only AKR1C2 converted 3α-androstanediol to the active hormone 5α-DHT. AKR1C3 and AKR1C4 oxidized testosterone to ∆4-androstene-3,17-dione. All isoforms oxidized 17β-oestradiol to oestrone, and 20α-hydroxyprogesterone to progesterone. Discrete tissue distribution of these AKR1C enzymes was observed using isoform-specific reverse transcriptase-PCR. AKR1C4 was virtually liver-specific and its high kcat/Km allows this enzyme to form 5α/5β-tetrahydrosteroids robustly. AKR1C3 was most prominent in the prostate and mammary glands. The ability of AKR1C3 to interconvert testosterone with ∆4-androstene-3,17-dione, but to inactivate 5α-DHT, is consistent with this enzyme eliminating active androgens from the prostate. In the mammary gland, AKR1C3 will convert ∆4-androstene-3,17-dione to testosterone (a substrate aromatizable to 17β-oestradiol), oestrone to 17β-oestradiol, and progesterone to 20α-hydroxyprogesterone, and this concerted reductive activity may yield a pro-oesterogenic state. AKR1C3 is also the dominant form in the uterus and is responsible for the synthesis of 3α-androstanediol which has been implicated as a parturition hormone. The major isoforms in the brain, capable of synthesizing anxiolytic steroids, are AKR1C1 and AKR1C2. These studies are in stark contrast with those in rat where only a single AKR with positional- and stereo-specificity for 3α-hydroxysteroids exists.

A valuable approach to chemical safety assessment is the use of read-across chemicals to provide safety data to support the assessment of structurally similar chemicals. An inventory of over 6000 discrete organic chemicals used as fragrance materials in consumer products has been clustered into chemical class-based groups for efficient search of read-across sources. We developed a robust, tiered system for chemical classification based on (1) organic functional group, (2) structural similarity and reactivity features of the hydrocarbon skeletons, (3) predicted or experimentally verified Phase I and Phase II metabolism, and (4) expert pruning to consider these variables in the context of specific toxicity end points. The systematic combination of these data yielded clusters, which may be visualized as a top-down hierarchical clustering tree. In this tree, chemical classes are formed at the highest level according to organic functional groups. Each subsequent subcluster stemming from classes in this hierarchy of the cluster is a chemical cluster defined by common organic functional groups and close similarity in the hydrocarbon skeleton. By examining the available experimental data for a toxicological endpoint within each cluster, users can better identify potential read-across chemicals to support safety assessments.

Short-chain dehydrogenases/reductases (SDR) constitute one of the largest enzyme superfamilies with presently over 46,000 members. In phylogenetic comparisons, members of this superfamily show early divergence where the majority have only low pairwise sequence identity, although sharing common structural properties. The SDR enzymes are present in virtually all genomes investigated, and in humans over 70 SDR genes have been identified. In humans, these enzymes are involved in the metabolism of a large variety of compounds, including steroid hormones, prostaglandins, retinoids, lipids and xenobiotics. It is now clear that SDRs represent one of the oldest protein families and contribute to essential functions and interactions of all forms of life. As this field continues to grow rapidly, a systematic nomenclature is essential for future annotation and reference purposes. A functional subdivision of the SDR superfamily into at least 200 SDR families based upon hidden Markov models forms a suitable foundation for such a nomenclature system, which we present in this paper using human SDRs as examples.

To better understand the role of transcription factor NF-E2-related factor (NRF) 2 in the human and its contribution to cancer chemoprevention, we have knocked down its negative regulators, Kelch-like ECH-associated protein 1 (KEAP1) and broad-complex, tramtrack and bric à brac and cap'n'collar homology 1 (BACH1), in HaCaT keratinocytes. Whole-genome microarray revealed that knockdown of KEAP1 resulted in 23 messenger RNAs (mRNAs) being up-regulated ≥2.0-fold. mRNA for aldo-keto reductase (AKR) 1B10, AKR1C1, AKR1C2 and AKR1C3 were induced to the greatest extent, showing increases of between 12- and 16-fold, whereas mRNA for glutamate-cysteine ligase catalytic and modifier subunits, NAD(P)H:quinone oxidoreductase-1 and haem oxygenase-1 (HMOX1) were induced between 2.0- and 4.8-fold. Knockdown of BACH1 increased HMOX1 135-fold but induced the other genes examined to a maximum of only 2.7-fold. Activation of NRF2, by KEAP1 knockdown, caused a 75% increase in the amount of glutathione in HaCaT cells and a 1.4- to 1.6-fold increase in their resistance to the electrophiles acrolein, chlorambucil and cumene hydroperoxide (CuOOH), as well as the redox-cycling agent menadione. Inhibition of glutathione synthesis during KEAP1 knockdown, by treatment with buthionine sulfoximine, abrogated resistance to acrolein, chlorambucil and CuOOH, but not to menadione. In contrast, knockdown of BACH1 did not increase glutathione levels or resistance to xenobiotics. Knockdown of NRF2 in HaCaT cells decreased glutathione to ∼80% of normal homeostatic levels and similarly reduced their tolerance of electrophiles. Thus, the KEAP1–NRF2 pathway determines resistance to electrophiles and redox-cycling compounds in human keratinocytes through glutathione-dependent and glutathione-independent mechanisms. This study also shows that AKR1B10, AKR1C1 and AKR1C2 proteins have potential utility as biomarkers for NRF2 activation in the human.

Cure rates for localized high-risk prostate cancers (PCa) and some intermediate-risk PCa are frequently suboptimal with local therapy. Outcomes are improved by concomitant androgen-deprivation therapy (ADT) with radiation therapy, but not by concomitant ADT with surgery. Luteinizing hormone-releasing hormone agonist (LHRHa; leuprolide acetate) does not reduce serum androgens as effectively as abiraterone acetate (AA), a prodrug of abiraterone, a CYP17 inhibitor that lowers serum testosterone (< 1 ng/dL) and improves survival in metastatic PCa. The possibility that greater androgen suppression in patients with localized high-risk PCa will result in improved clinical outcomes makes paramount the reassessment of neoadjuvant ADT with more robust androgen suppression.A neoadjuvant randomized phase II trial of LHRHa with AA was conducted in patients with localized high-risk PCa (N = 58). For the first 12 weeks, patients were randomly assigned to LHRHa versus LHRHa plus AA. After a research prostate biopsy, all patients received 12 additional weeks of LHRHa plus AA followed by prostatectomy.The levels of intraprostatic androgens from 12-week prostate biopsies, including the primary end point (dihydrotestosterone/testosterone), were significantly lower (dehydroepiandrosterone, Δ(4)-androstene-3,17-dione, dihydrotestosterone, all P < .001; testosterone, P < .05) with LHRHa plus AA compared with LHRHa alone. Prostatectomy pathologic staging demonstrated a low incidence of complete responses and minimal residual disease, with residual T3- or lymph node-positive disease in the majority.LHRHa plus AA treatment suppresses tissue androgens more effectively than LHRHa alone. Intensive intratumoral androgen suppression with LHRHa plus AA before prostatectomy for localized high-risk PCa may reduce tumor burden.

ABSTRACT Vitamin D deficiency is associated with an increased risk of prostate cancer (PCa) mortality and is hypothesized to contribute to PCa aggressiveness and disparities in African American populations. The prostate epithelium was recently shown to express megalin, an endocytic receptor that internalizes globulin-bound hormones, which suggests regulation of prostate hormone levels, in contrast to the free hormone hypothesis. Here, we demonstrated that megalin imports testosterone bound to sex hormone-binding globulin into prostate cells. Prostatic loss of Lrp2 (megalin) in a mouse model resulted in reduced prostate testosterone and dihydrotestosterone (DHT) levels. Megalin expression was regulated and suppressed by 25-hydroxyvitamin D (25D) in cell lines, patient-derived prostate epithelial cells, and prostate tissue explants, indicating a negative feedback loop. In patent samples, the relationships between hormones support this feedback mechanism, as prostatic DHT levels are higher in African American men and are inversely correlated with serum 25D status. Megalin levels are reduced in localized PCa by the Gleason grade and in patients with future disease recurrence. Our findings suggest that the free hormone hypothesis should be revisited for testosterone and highlight the impact of vitamin D deficiency on prostate androgen levels, which are known drivers of PCa. Thus, we revealed a mechanistic link between vitamin D and PCa disparities observed in African Americans.

Abstract Background Steroid 5β-reductase (AKR1D1) plays important roles in hepatic glucocorticoid clearance and bile acid synthesis. Glucocorticoids and bile acids are potent metabolic regulators, but whether AKR1D1 controls metabolic phenotype in vivo is unknown. Methods Akr1d1-/- mice were generated on a C57BL/6 background. Liquid chromatography / mass spectrometry, metabolomic and transcriptomic approaches were used to determine effects on glucocorticoid and bile acid homeostasis. Metabolic phenotypes including body weight and composition, lipid homeostasis, glucose tolerance and insulin sensitivity were evaluated. Molecular changes were assessed by RNASeq and western blotting. Male Akr1d1-/- mice were challenged with a 60% high fat diet. Results Akr1d1-/- mice had a sex specific metabolic phenotype. At 30-weeks of age male, but not female, Akr1d1-/- mice were more insulin sensitive and had reduced lipid accumulation in the liver and adipose tissue, concomitant with hypertriglyceridemia and increased intramuscular triacylglycerol. This phenotype was underpinned by sexually dimorphic changes in bile acid metabolism and composition, but without overt effects on glucocorticoid action. Male Akr1d1-/- mice were not protected against diet induced obesity and insulin resistance. Conclusion This study shows that AKR1D1 controls bile acid homeostasis in vivo and that altering its activity can affect insulin sensitivity and lipid homeostasis in a sex dependent manner.

Abstract Steroid hormones, including glucocorticoids and androgens, exert a wide variety of effects in the body across almost all tissues. The steroid A-ring 5β-reductase (AKR1D1) is expressed in human liver and testes, and three splice variants have been identified ( AKR1D1-001, AKR1D1-002, AKR1D1-006 ). Amongst these, AKR1D1-002 is the best described; it modulates steroid hormone availability and catalyses an important step in bile acid synthesis. However, specific activity and expression of AKR1D1-001 and AKR1D1-006 are unknown. AKR1D1-002, AKR1D1-001 and AKR1D1-006 were measured in human liver biopsies and human hepatoma cell lines by qPCR. Three-dimensional (3D) structures of AKR1D1 variants were determined using in silico approaches. AKR1D1 variants were over-expressed in HEK293 cells, and successful overexpression confirmed by qPCR and western blotting. Steroid hormone clearance was measured by mass spectrometry and ELISA, and steroid receptor activation determined by luciferase reporter assays. AKR1D1-002 and AKR1D1-001 are expressed in human liver, and only AKR1D1-006 is expressed in human testes. Following over-expression in HEK293 cells, AKR1D1-001 and AKR1D1-006 protein levels were lower than AKR1D1-002, but significantly increased following treatment with the proteasomal inhibitor, MG-132. AKR1D1-002 efficiently metabolised glucocorticoids and androgens and decreased receptor activation. AKR1D1-001 and AKR1D1-006 poorly metabolised dexamethasone, but neither protein metabolised cortisol, prednisolone or testosterone. We have demonstrated the differential expression and role of AKR1D1 splice variants to regulate steroid hormone clearance and receptor activation. AKR1D1-002 is the predominant functional protein in steroidogenic and metabolic tissues. In addition, AKR1D1-001 and AKR1D1-006 may have a limited role in the regulation of synthetic glucocorticoid action.