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Die Funktion nukleärer Rezeptoren (NR) beruht auf einem empfindlichen Zusammenspiel zwischen ihren Domänen, Coregulatoren und Liganden. Die meisten Rezeptoren binden die DNA als Homo- oder Heterodimere und transregulieren die Gentranskription in Folge von Ligandenbindung. Klassische Assay-Systeme, die sich auf die Untersuchung der NR-Funktion oder auf die Charakterisierung von Substanzen richten, bilden nur die Coregulator-Rekrutierung zu isolierten NR-Ligandenbindungsdomänen (LBDs) ab und vernachlässigen dabei die NR:NR-Interaktion. Damit klammern sie die NR:NR-Wechselwirkung aus, obwohl die Rekrutierung von Cofaktoren durch allosterischen Crosstalk mit der Oligomerisierung verbunden ist. Dies war die Motivation dafür, Assay-Systeme zu entwickeln, welche die Untersuchung von NR-Interaktionen,
insbesondere der NR-Dimerisierung, und deren Modulation durch verschiedene Arten von Liganden ermöglichen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wird ein vielfältiges modulares Set von Assays für die Untersuchung der NR-Dimerisierung und NR-Coregulator-Rekrutierung vorgestellt und deren Anwendbarkeit auf eine Vielzahl von NRs demonstriert. Die Verwendung einer
rekrutierungsunfähigen RXRα-Variante mit einer mutierten AF-2-Domäne ermöglichte den spezifischen Nachweis der Coaktivatorrekrutierung durch PPARγ im Kontext des Heterodimers mit seinem obligatorischen Dimerpartner RXRα. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung der RXRα LBD mit ihrem Agonisten SR11237 zu einer Destabilisierung des RXRα-Homodimers, aber zu einer Förderung der Bildung des Heterodimers mit der PPARγ LBD führte.
Ein zentrales Ergebnis war das Phänomen, dass der Einbau von PPARγ in das Heterodimer zu einem erheblichen Anstieg an Affinität gegenüber Coaktivatoren führt, auch in Abwesenheit von Liganden. Somit fördert die RXRα-Aktivierung die Coaktivator-Rekrutierung von PPARγ indirekt durch eine Verschiebung der Oligomerisierungspräferenz von RXRα in Richtung des Heterodimers. Zusätzlich wurde die Wirkung von Tetrac, einem nicht-klassischen Schilddrüsenhormon, auf PPARγ und RXRα untersucht und dessen Aktivierungsvermögen gegenüber beiden Rezeptoren mit einer deutlich vervielfachten Wirkung auf das Heterodimer demonstriert. Mit Hilfe des neu etablierten Cofaktor-Rekrutierungsscreens konnte die Dynamik
zwischen dem Nurr1 NR und 29 kanonischen Coregulatoren, von denen einige ligandenabhängig hohe Affinitäten zum Rezeptor aufwiesen, beleuchtet werden. Diese Interaktionen wurden
bidirektional durch eine Reihe von strukturell unterschiedlichen nicht-steroidalen Antirheumatika moduliert, die auch die Affinitäten sowohl des Nurr1-Homodimers als auch des Heterodimers mit der RXRα LBD beeinflussen konnten. Die Nurr1-Dimere zeigten zudem auch eine hohe Empfindlichkeit gegenüber dem Endocannabinoid Anandamid. Zusätzlich zu PPARγ, RXRα und Nurr1 wurden erste Schritte zur Untersuchung der TLX NR-Funktion unternommen. Unter Anwendung der entwickelten Assays konnte die Heterodimerbildung der TLX und der RXRα LBD
beschrieben und die ligandenabhängige Rekrutierung des Corepressors SMRT beobachtet werden.
Zusammenfassend beschreibt diese Arbeit einen Satz von Werkzeugen für die Untersuchung von ligandenabhängiger NR-Coregulator-Interaktion und Oligomerisierung. Auf diese Weise trug sie zu einer umfassenderen Identifizierung und Charakterisierung von NR-Liganden bei und stellt eine valide Basis für die weitere Assayentwicklung und Ligandendesign dar.
Nuclear receptors (NRs) activate transcription of target genes in response to binding of ligands to their ligand-binding domains (LBDs). Typically, in vitro assays use either gene expression or the recruitment of coactivators to the isolated LBD of the NR of interest to measure NR activation. However, this approach ignores that NRs function as homo- as well as heterodimers and that the LBD harbors the main dimerization interface. Cofactor recruitment is thereby interconnected with oligomerization status as well as ligand occupation of the partnering LBD through allosteric cross talk. Here we present a modular set of homogeneous time-resolved FRET–based assays through which we investigated the activation of PPARγ in response to ligands and the formation of heterodimers with its obligatory partner RXRα. We introduced mutations into the RXRα LBD that prevent coactivator binding but do not interfere with LBD dimerization or ligand binding. This enabled us to specifically detect PPARγ coactivator recruitment to PPARγ:RXRα heterodimers. We found that the RXRα agonist SR11237 destabilized the RXRα homodimer but promoted formation of the PPARγ:RXRα heterodimer, while being inactive on PPARγ itself. Of interest, incorporation of PPARγ into the heterodimer resulted in a substantial gain in affinity for coactivator CBP-1, even in the absence of ligands. Consequently, SR11237 indirectly promoted coactivator binding to PPARγ by shifting the oligomerization preference of RXRα toward PPARγ:RXRα heterodimer formation. These results emphasize that investigation of ligand-dependent NR activation should take NR dimerization into account. We envision these assays as the necessary assay tool kit for investigating NRs that partner with RXRα.
Nuclear receptor related 1 (Nurr1) is an orphan ligand-activated transcription factor and considered as neuroprotective transcriptional regulator with great potential as therapeutic target for neurodegenerative diseases. However, the collection of available Nurr1 modulators and mechanistic understanding of Nurr1 are limited. Here, we report the discovery of several structurally diverse non-steroidal anti-inflammatory drugs as inverse Nurr1 agonists demonstrating that Nurr1 activity can be regulated bidirectionally. As chemical tools, these ligands enable unraveling the co-regulatory network of Nurr1 and the mode of action distinguishing agonists from inverse agonists. In addition to its ability to dimerize, we observe an ability of Nurr1 to recruit several canonical nuclear receptor co-regulators in a ligand-dependent fashion. Distinct dimerization states and co-regulator interaction patterns arise as discriminating factors of Nurr1 agonists and inverse agonists. Our results contribute a valuable collection of Nurr1 modulators and relevant mechanistic insights for future Nurr1 target validation and drug discovery.
Designed multitarget ligands are a popular approach to generating efficient and safe drugs, and fragment-based strategies have been postulated as a versatile avenue to discover multitarget ligand leads. To systematically probe the potential of fragment-based multiple ligand discovery, we have employed a large fragment library for comprehensive screening on five targets chosen from proteins for which multitarget ligands have been successfully developed previously (soluble epoxide hydrolase, leukotriene A4 hydrolase, 5-lipoxygenase, retinoid X receptor, farnesoid X receptor). Differential scanning fluorimetry served as primary screening method before fragments hitting at least two targets were validated in orthogonal assays. Thereby, we obtained valuable fragment leads with dual-target engagement for six out of ten target combinations. Our results demonstrate the applicability of fragment-based approaches to identify starting points for polypharmacological compound development with certain limitations.
The retinoid X receptor (RXR) is a ligand-sensing transcription factor acting mainly as a universal heterodimer partner for other nuclear receptors. Despite presenting as a potential therapeutic target for cancer and neurodegeneration, adverse effects typically observed for RXR agonists, likely due to the lack of isoform selectivity, limit chemotherapeutic application of currently available RXR ligands. The three human RXR isoforms exhibit different expression patterns; however, they share high sequence similarity, presenting a major obstacle toward the development of subtype-selective ligands. Here, we report the discovery of the saturated fatty acid, palmitic acid, as an RXR ligand and disclose a uniform set of crystal structures of all three RXR isoforms in an active conformation induced by palmitic acid. A structural comparison revealed subtle differences among the RXR subtypes. We also observed an ability of palmitic acid as well as myristic acid and stearic acid to induce recruitment of steroid receptor co-activator 1 to the RXR ligand-binding domain with low micromolar potencies. With the high, millimolar endogenous concentrations of these highly abundant lipids, our results suggest their potential involvement in RXR signaling.
The ligand-sensing transcription factor Nurr1 emerges as a promising therapeutic target for neurodegenerative pathologies but Nurr1 ligands for functional studies and therapeutic validation are lacking. Here pronounced Nurr1 modulation by statins for which clinically relevant neuroprotective effects are demonstrated, is reported. Several statins directly affect Nurr1 activity in cellular and cell-free settings with low micromolar to sub-micromolar potencies. Simvastatin as example exhibits anti-inflammatory effects in astrocytes, which are abrogated by Nurr1 knockdown. Differential gene expression analysis in native and Nurr1-silenced cells reveals strong proinflammatory effects of Nurr1 knockdown while simvastatin treatment induces several neuroprotective mechanisms via Nurr1 involving changes in inflammatory, metabolic and cell cycle gene expression. Further in vitro evaluation confirms reduced inflammatory response, improved glucose metabolism, and cell cycle inhibition of simvastatin-treated neuronal cells. These findings suggest Nurr1 involvement in the well-documented but mechanistically elusive neuroprotection by statins.
