A hotspot for posttranslational modifications on the androgen receptor dimer interface drives pathology and anti-androgen resistance

Abstract

[eng] Nuclear receptors (NRs) are a superfamily of ligand-activated transcription factors that function as biological sensors to regulate gene expression in a timeand tissue-specific and manner. The coordinated actions of NRs affect the proliferation, differentiation, and apoptosis of different cell types. This thesis unravels new structural and functional information regarding the implications for human pathophysiology of two evolutionary highly related members of this superfamily that are regulated by steroid hormones, the androgen (AR) and glucocorticoid (GR) receptors. The AR directs male development, phenotype maintenance and adult physiology and reproduction. AR mutations associated with prostate cancer and androgen insensitivity syndromes may profoundly influence its structure, protein interaction network, and binding to chromatin, resulting in altered transcription signatures and drug responses. Current structural information fails to explain the effect of pathological mutations on AR structured function relationship. In this thesis dissertation, we have thoroughly studied the effects of five selected mutations that span the complete dimer interface of AR ligand binding domain (AR-LBD) using X-ray crystallography in combination with in vitro, in silico, and cell-based assays. These variants alter AR-dependent transcription and responses to antiandrogens by inducing a previously undescribed allosteric switch in the AR-LBD that increases exposure of a major methylation target, Arg761. We also corroborate the relevance of residues Arg761 and Tyr764 for AR dimerization and function. Together, our results reveal allosteric coupling of AR dimerization and posttranslational modifications as a disease mechanism with relevant implications for precision medicine. The GR is a ubiquitously expressed protein that controls metabolic and homeostatic processes essential for life. Although numerous crystal structures of the GR ligand-binding domain (GR-LBD) have been previously reported, the functional, (patho)-physiologically relevant oligomeric state of the full-length receptor (FL-GR) remains disputed. We have recently presented a catalogue of 20 different dimeric arrangements of the GR-LBD, including both transcriptionally active and self-repressed, antagonistic bound GR-LBD homodimers, with important implications for FL-GR multimerization in living cells. In this thesis, we go further and present evidence of the heterodimerization of AR and GR, a complex that has been hypothesized to have important implications in the pathophysiology of castration-resistant prostate cancer.

[cat] Els receptors nuclears (NR) són una superfamília de factors de transcripció activats per lligands que funcionen com a sensors biològics per regular l'expressió gènica de manera específica en temps i teixit. Les accions coordinades dels NR afecten la proliferació, diferenciació i apoptosi de diferents tipus cel·lulars. Aquesta tesi aporta nova informació estructural i funcional sobre les implicacions en la fisiopatologia humana de dos receptors d'aquesta superfamília, estretament relacionats evolutivament, que estan regulats per hormones esteroides, els andrògens (AR) i els de glucocorticoides (GR). L'AR dirigeix el desenvolupament i manteniment del fenotip masculí, així com la fisiologia i la reproducció en l'adultesa. Les mutacions a l'AR associades al càncer de pròstata i a la síndrome d'insensibilitat als andrògens poden afectar la seva estructura, xarxa d'interacció de proteïnes i unió a la cromatina, resultant en l'alteració del patró de transcripció de l'AR i de la resposta cel·lular a fàrmacs. La informació estructural actual no explica l'efecte de les mutacions patològiques en l'estructura-funció de l'AR. En aquesta tesi, hem estudiat a fons els efectes de cinc mutacions de la interfície de dimerització del domini d'unió a lligand de l'AR (AR-LBD) utilitzant cristal·lografia de raigs X en combinació amb assajos in vitro, in silico i en cèl·lules. Aquestes variants alteren la transcripció dependent d'AR i la resposta als anti-andrògens mitjançant un canvi al·lostèric prèviament desconegut en l'AR-LBD que augmenta l'exposició d'un important lloc de metilació, la Arg761. També corroborem la rellevància dels residus Arg761 i Tyr764 per a la dimerització i funció de l'AR. En conjunt, els nostres resultats mostren la comunicació al·lostèrica entre dimerització i modificació posttraduccional de l'AR com a mecanisme patogènic amb implicacions rellevants pels fàrmacs de precisió. El GR és una proteïna expressada de manera ubiqua que controla processos metabòlics i homeostàtics essencials per la vida. Tot i que s'han reportat nombroses estructures cristal·logràfiques del GR-LBD, l'estat oligomèric funcional i fisiològicament rellevant del receptor complert (FL-GR) segueix sent objecte de disputa. Recentment hem presentat un catàleg de 20 disposicions dimèriques diferents del GR-LBD, incloent tant aquelles transcripcionalment actives com auto-reprimides, amb implicacions importants per la oligomerització de FL-GR en cèl·lules vives. En aquesta tesi, anem més enllà i presentem evidència de la heterodimerització de l'AR i el GR, un complex que es proposa que té importants efectes en la fisiopatologia del càncer de pròstata resistent a la castració.