The mechanisms of action of pure antiestrogens

About 70% of breast tumors express the estrogen receptor alpha (ERα). Antiestrogens (AEs) are used to treat all stages of ER+ breast cancer. There are two types of AEs: Selective Estrogen Receptor Modulators (SERMs) and Selective Estrogen Receptor Downregulators (SERDs). SERMs such as Tamoxifen (Tam) have tissue-specific partial agonist activity, while SERDs such as Fulvestrant or Faslodex (ICI182, 780) fully repress estrogen target genes regardless of the tissue and cell type. Previously, it has been reported that SERDs induce ERα ubiquitination and degradation. ERα is also SUMOylated in the presence of SERDs. Abrogating SUMOylation of ERα using a deSUMOylase (SENP1) resulted in a partial de-repression of estrogen target genes in the presence of SERDs. Mapping the domains using deletion mutagenesis in the presence of ICI 182,780 showed that C-terminal domain (CDEF regions) is required of the ICI induced modification but not the N-terminal domain (AB region). Thus, a detailed dissection of the structural determinants for the selective action of SERDs on ERα SUMOylation and ubiquitination remained unknown. Our work shows that pure antiestrogens like ICI182,780 induce SUMOylation and ubiquitination of ERα but not ERβ in live cells. Utilizing the fact that domains of ERα and ERβ display sequence homology, we designed chimeras to map the minimal domain required for ERα modification in the presence of antiestrogens. Interestingly, swapping domains between ERα and ERβ showed that the Ligand Binding Domain (LBD) of ERα is sufficient to confer the induction of ERα modification in the presence of AEs such as Raloxifene (Ral) and ICI182,780. Further dissecting this region, we also found that helices 3 to 6 (H3H6) located in the LBD region is sufficient to confer the induction of SUMOylation and ubiquitination in the ICI182,780. Importantly, the lysine residues in this region between ERα and ERβ are conserved, which suggests that conformational differences in the LBD determine the capacity of ICI182, 780 bound ERα to be modified by SUMO and ubiquitin. Replacement of Leucine at position 536 in helix 12 (H12) of ERα’s LBD by a Valine residue or mutating Aspartate at position 351 abolished the increase in SUMOylation and ubiquitination observed in the presence of Ral. This suggested that Ral, a SERM, required a different set of determinants than ICI182,780 present in the LBD of ERα. vi Our work has also showed that saturating concentrations (increasing the amount of drug added will not result in a higher response) of ICI 182,780 modified and fully repressed constitutively active mutations such as Y537C, N or S and D538G. Other mutation such V534E and L536R/Q mutants exhibited some residual activity and were not modified in the presence of saturating concentrations of ICI182,780. Interestingly, the loss of SUMOylation correlated with the partial resistance to AEs. Structure function analysis of residues at position 536 indicates amino acids with a bulky hydrophobic side chain residue at this position result in preservation of ERα modifications in the presence of ICI 182,780. However, Using BRET-FECT, we have demonstrated that ERαwt/L536R heterodimerize and have intermediate levels of SUMOylation compared to ERαwt in the presence of ICI 182,780. Our results shed light onto the molecular basis for the diverse pharmacological properties of antiestrogens and should help guide the design of novel SERDs for breast cancer treatment.Environ 70% des cancers du sein expriment le récepteur des oestrogènes alpha (ERα). Les anti-oestrogènes (AEs) sont utilisés pour traiter tous les stades de cancer du sein ER+. Il y a deux types d’AEs : les Selective ER Modulators (SERMs) et les Selective ER Downregulators (SERDs). Les SERMs, comme le Tamoxifen (Tam), ont une activité agoniste partielle tissu-spécifique, alors que les SERDs, tel Fulvestrant ou Faslodex (ICI182,780), répriment entièrement les gènes cibles d’ER, quel que soit l’organe ou le type cellulaire. Il a précédemment été montré que les SERDs induisent l’ubiquitination et la dégradation d’ERα. ERα est aussi SUMOylé en présence des SERDs. Supprimer la SUMOylation d’ERα en utilisant une déSUMOylase (SENP1) résulte en une dérépression partielle des gènes cibles d’ER en présence de SERDs. La délétion successive des différents domaines d’ERα en présence d’ICI182,780 a révélé que la région C-terminale (domaines CDEF) est requise pour la modification induite par ICI, mais pas la région N-terminale (domaines AB). Ainsi, la dissection détaillée des déterminants structuraux responsables de l’activité sélective des SERDs pour la SUMOylation et l’ubiquitination d’ERα reste à entreprendre. Nos travaux montrent que les AEs purs comme ICI182,780 induisent la SUMOylation d’ERα, mais pas d’ERβ, dans des cellules en culture. Tirant profit de l’homologie de séquences des différents domaines d’ERα et ERβ, nous avons conçu des chimères pour cartographier la région minimale requise pour la modification d’ERα en présence d’AEs. De manière intéressante, l’interversion des domaines d’ERα et ERβ a montré que le domaine de liaison au ligand (LBD) d’ERα est suffisant pour permettre l’induction de la modification d’ERα en présence d’AEs tels le Raloxifene (Ral) et ICI182,780. En décortiquant davantage ce domaine, nous avons trouvé que les hélices 3 à 6 (H3H6) du LBD sont suffisantes pour induire la SUMOylation et l’ubiquitination d’ERα en présence d’ICI182,780. De manière importante, les résidus Lysine de cette région sont conservées entre ERα et ERβ, ce qui suggère que des différences conformationnelles entre les deux LBD déterminent la capacité d’ERα lié par ICI182,780 d’être modifié par SUMO et l’ubiquitine. La mutation de la Leucine à la position 536 dans l’hélice H12 du LBD d’ERα par une Valine, ou la mutation de l’Aspartate à la position 351 abolissent l’augmentation de la SUMOylation et l’ubiquitination observée en présence de iv Ral. Cela suggère que Ral, un SERM, requière différents déterminants structuraux du LBD d’ERα qu’ICI182,780. Nos travaux ont aussi montré que des concentrations saturantes (l’augmentation de la quantité de drogue ajoutée ne mènera pas à une réponse plus élevée) d’ICI182,780 modifient et répriment entièrement des mutants constitutivement actifs d’ERα comme Y537C, N ou S et D538G. D’autres mutants, tels V534E et L536R/Q, présentent une activité résiduelle et ne sont pas modifiés sous traitement avec des concentrations saturantes d’ICI182,780. De façon intéressante, la perte de SUMOylation corrèle avec la résistance partielle aux AEs. Une analyse structure – fonction des résidus à la position 536 indique que les acides aminés avec une chaine latérale hydrophobe volumineuse à cette position permettent de préserver les modifications d’ERα en présence d’ICI182,780. Cependant, en utilisant la technique BRET-FECT, nous avons démontré que les récepteurs ERα sauvage et L536R forment un hétérodimère qui présente des niveaux intermédiaires de SUMOylation en présence d’ICI182,780. Nos résultats révèlent les bases moléculaires des diverses propriétés pharmacologiques des AEs et devraient aider à guider la conception de nouveaux SERDs pour le traitement des cancers du sein