The role of HSD17B3 in male development and health: Disruption of testosterone production and its effects

Abstract

ABSTRACT Hydroxysteroid (17β) dehydrogenase type 3 (HSD17B3) is known to be the primary enzyme converting androstenedione (A) to testosterone (T) in human and mouse testes. It is therefore important for male development and reproductive health. Inherited HSD17B3 deficiency is a known cause of a disorder of sex development (DSD) in humans, where XY individuals are born with a female appearance due to testosterone deficiency, but are virilized during puberty as T starts to suddenly rise. Due to the rarity of the condition, many open questions remain on e.g. the compensatory source of testosterone, and the wider consequences of the T deficiency. We have established and characterized mouse lines lacking either HSD17B3 (3-KO), HSD17B1, or both (DKO). 3-KO males were born apparently phenotypically normal, but presented signs of undermasculinization at later ages, including delayed puberty, a shortened anogenital distance, subfertility with normal spermatogenesis, Leydig cell maturation defects, and lower size of many androgen-sensitive tissues. The cause of the undermasculinization was a fetal delay in testosterone production, but by birth and in adulthood 3-KO males produced significant amounts of testosterone due to massive upregulation of androstenedione production, and compensatory enzymes. In the DKO mice the fetal testosterone production was abolished almost completely, confirming HSD17B1 as the enzyme compensating for the lack of HSD17B3 in early development. The resulting undermasculinization in DKO was also much more drastic than in 3-KO. However, adult DKO testosterone production was comparable to 3-KO, indicating that yet other enzymes take over the compensation after puberty. In 3-KO, we also identified a novel developmental programming mechanism, where fetal androgen deficiency led to reduced kidney size in adult males. This mechanism resembles the effects of the so-called masculinization programming window, thus far only identified for reproductive organs. Finally, we observed that the lack of HSD17B3 led to weight gain through excess adipocity in male mice. Together, these results confirm that HSD17B3 is essential for properly functioning testosterone biosynthesis, but compensatory mechanisms exist, and that fetal androgen deficiency has long-lasting effects on later phenotype.

KEYWORDS: Steroidogenesis, testosterone, HSD17B3, male development, developmental programming

TIIVISTELMÄ Hydroksisteroidi-(17β)-dehydrogenaasi, tyyppi 3 (HSD17B3) on pääasiallinen androstenedionia testosteroniksi muuntava entsyymi ihmisen ja hiiren kiveksessä. Täten se on oleellinen miesten ja urosten kehitykselle ja lisääntymisterveydelle. Peritty HSD17B3-puutos tiedetään yhdeksi sukupuolen kehityksen häiriöiden aiheuttajaksi. Tällöin XY-yksilöt syntyvät ulkoisesti feminisoituneina testosteronipuutoksen vuoksi, mutta murrosiässä virilisoituvat yllättäen testosteronituotannon aktivoituessa. Harvinaisuudestaan johtuen monet HSD17B3-puutoksen yksityiskohdat, kuten korvaava testosteronin lähde ja testosteronipuutteen laajemmat vaikutukset, ovat epäselviä. Olemme luoneet ja kuvanneet hiirilinjoja, joilta puuttuu joko HSD17B3 (3-KO), HSD17B1, tai molemmat (DKO). 3-KO –urokset syntyivät ilmiasultaan normaaleina, mutta osoittivat myöhemmällä iällä merkkejä alimaskulinisaatiosta, mukaan lukien puberteetin myöhästyminen, lyhentynyt anogenitaalimitta, vähentynyt hedelmällisyys, ongelmat Leydigin solujen kypsymisessä ja androgeeniherkkien kudosten pienempi koko. Alimaskulinisaation taustalla oli sikiöaikainen viivästys testosteronituotannossa, mutta syntymään mennessä ja aikuisina 3-KO –urokset tuottivat merkittäviä määriä testosteronia korvaavien entsyymien kautta, androstenedionin tuotannon lisääntyessä huomattavasti. DKO-uroksilla taas sikiöaikainen testosteronituotanto puuttui lähes kokonaan, vahvistaen HSD17B1:n kompensoivan HSD17B3:n puutosta varhaisessa kehityksessä. Myös alimaskulinisaatio oli vakavampaa DKO:lla kuin 3-KO:lla. Aikuisilla DKO-uroksilla testosteronituotanto kuitenkin vertautui 3-KO-uroksiin, joten eri entsyymit ovat vastuussa kompensaatiosta murrosiän jälkeen. 3-KO –uroksissa kuvasimme uuden kehityksen säätelyn mekanismin, jossa sikiöaikainen androgeenipuutos johti pienempään munuaisten kokoon aikuisissa. Tämä mekanismi muistuttaa ns. maskulinisaation määräytymisen aikaikkunaa, joka on tähän mennessä osoitettu vain lisääntymiselimille. Havaitsimme myös HSD17B3:n puutoksen johtavan uroshiirten painon nousuun rasvan kertymisen kautta. Yhdessä nämä tulokset vahvistavat HSD17B3:n olevan oleellinen tehokkaalle testosteronituotannolle, mutta sen puutetta kyetään myös kompensoimaan; lisäksi sikiökautisella androgeenipuutoksella on pitkäkestoisia vaikutuksia myöhempään ilmiasuun.

AVAINSANAT: Steroidogeneesi, testosteroni, HSD17B3, sukupuolenkehitys