Structural and Functional Analysis of the Glucocorticoid Receptor Multimerization: Implications for Human Pathophysiology

Abstract

El receptor de glucocorticoides (GR) es un factor de transcripción que se expresa de forma ubicua y controla procesos esenciales para la vida como el metabolismo, la inflamación y la homeostasis. Aunque se han publicado numerosas estructuras cristalinas del dominio de unión al ligando de este receptor (GR-LBD), el estado oligomérico funcional del receptor en su totalidad, el cual es esencial para su actividad transcripcional, sigue siendo cuestionado. En esta disertación doctoral presentamos seis nuevas estructuras cristalinas del dominio GR-LBD unido a un agonista, junto con un extensivo análisis del trabajo estructural previamente publicado. Como resultado de esta investigación, se ha identificado un catálogo de 20 conformaciones diméricas distintas a partir de los estudios estructurales (usando cristalografía de rayos X y complementándolo con cálculos in silico), así como homodímeros biológicamente importantes corroborados con una batería de mutaciones puntuales de GR en áreas cruciales para el autoensamblaje de este receptor. Además, GR y sus mutantes han sido analizados usando ensayos de crosslinking y resonancia de plasmones superficiales en solución, así como con microscopia cuantitativa de fluorescencia en células. Nuestros resultados destacan la relevancia de los modelos no canónicos de dimerización para GR, especialmente los contactos mediante residuos localizados en el loop L1-3 como la Tyr545. No solo esto, sino que también describimos un pocket secundario ubicado en la superficie del dominio LBD del receptor, al cual hemos denominado sensor site, capaz de modular la actividad transcripcional de GR al unir derivados del colesterol, tanto endógenos como sintéticos, convirtiéndose así en un potencial candidato como diana para nuevos tratamientos. Nuestro trabajo revela los ensamblajes cuaternarios (pato) fisiológicamente relevantes de este receptor nuclear que tienen importantes implicaciones para la acción de los glucocorticoides y que serán cruciales para el futuro diseño de fármacos.

The glucocorticoid receptor (GR) is a ubiquitously expressed transcription factor that controls metabolic and homeostatic processes essential for life. Although numerous crystal structures of the GR ligand-binding domain (GR-LBD) have been reported, the functional oligomeric state of the full-length receptor (FL-GR), which is essential for its transcriptional activity, remains disputed. In this thesis dissertation we present six new crystal structures of agonist-bound GR-LBD, along with an extensive analysis of previous structural work. A catalog of 20 different dimeric arrangements have been identified from the structural studies (using X-ray crystallography and complementary in silico calculations) and biologically meaningful homodimers were corroborated by studying a battery of GR point mutants in selected areas crucial for GR-LBD self-assembly. In addition, GR mutants were analyzed using crosslinking and surface plasmon resonance assays in solution and quantitative fluorescence microscopy in living cells. Our results highlight the relevance of non-canonical dimerization modes for GR, especially of contacts made by loop L1-3 residues such as Tyr545. Additionally, we describe a second surface pocket placed in the LBD that can modulate GR activity by binding several endogenous and synthetic cholesterol derivatives. We have coined the term GR sensor site for this newly identified druggable pocket on the receptor. Our work unveils likely (patho)physiologically relevant quaternary assemblies of this nuclear receptor with important implications for glucocorticoid action and drug design.