Phase Separation of the Intrinsically Disordered Activation Domain of the Androgen Receptor and Therapeutic Approaches

Abstract

[eng] Transcription factors represent highly attractive therapeutic targets, yet they are among the most challenging due to the intrinsically disordered nature of their activation domains (ADs). In this study, we focus on the intrinsically disordered AD of the androgen receptor (AR), a key therapeutic target in castration-resistant prostate cancer (CRPC), an aggressive form of prostate cancer (PC) with a poor prognosis. EPI-001, a small molecule discovered through phenotypic screening, was the first drug targeting an intrinsically disordered protein (IDP) to enter clinical trials. However, the molecular mechanisms underlying its interaction with the AR AD remain unclear, hindering progress in rational drug design for CRPC.

Using various biophysical techniques, we demonstrate that the aromatic nature of the AR AD is critical for both its ability to form biomolecular condensates via liquid- liquid phase separation and its transcriptional activity. This aromatic character also facilitates the translocation of the AR AD to the nucleus and enables its partitioning into transcriptional condensates. Additionally, our study of EPI-001 binding to the AR AD reveals that the aromatic residues and helical propensity of the AR AD are pivotal for its selective interaction with the drug. We found that EPI-001 binding alters the network of contacts within the AR AD, enhancing its oligomerization and increasing the rigidity of the condensates. Also, our findings provide a deeper understanding of the interactions that stabilize AR AD condensates, allowing for the structural optimization of small molecules, leading to greater efficacy compared to EPI-001. Finally, we demonstrate that the AR AD adopts a more ordered secondary structure within the condensates, which might increase the stability of drug-binding sites. Collectively, these insights could not only help to rationalize drug discovery for CRPC but also extend to other diseases where IDPs play a central role.

[cat] Els factors de transcripció representen objectius terapèutics altament atractius, però són dels més desafiants degut a la naturalesa intrínsecament desordenada dels seus dominis d'activació (ADs). En aquest estudi, ens centrem en el AD intrínsecament desordenat del receptor d'andrògens (AR), un objectiu terapèutic clau en el càncer de pròstata resistent a la castració (CRPC), una forma agressiva de càncer de pròstata (PC) amb un mal pronòstic. L’EPI-001, una petita molècula descoberta a través d’un cribratge fenotípic, va ser el primer fàrmac que apuntava a una proteïna intrínsecament desordenada (IDP) en entrar en assaigs clínics. No obstant això, els mecanismes moleculars subjacents a la seva interacció amb l’AD de l’AR segueixen sent poc clars, fet que dificulta el progrés en el disseny racional de fàrmacs per al CRPC. Mitjançant diverses tècniques biofísiques, demostrem que la naturalesa aromàtica de l’AD de l’AR és crítica tant per a la seva capacitat de formar condensats biomoleculars a través de la separació de fases líquid-líquid com per a la seva activitat transcripcional. Aquest caràcter aromàtic també facilita la translocació de l'AD de l'AR al nucli i permet la seva partició en condensats transcripcionals. A més, el nostre estudi sobre la unió de l’EPI-001 a l’AD de l’AR revela que els residus aromàtics i la propensió helicoïdal de l’AD de l’AR són fonamentals per a la seva interacció selectiva amb el fàrmac. Hem trobat que la unió d'EPI-001 altera la xarxa de contactes dins de l'AR AD, millorant la seva oligomerització i augmentant la rigidesa dels condensats. A més, els nostres resultats proporcionen una comprensió més profunda de les interaccions que estabilitzen els condensats de l’AD de l’AR, cosa que permet l’optimització estructural de petites molècules, donant lloc a una major eficàcia en comparació amb l’EPI-001. Finalment, demostrem que l’AD de l’AR adopta una estructura secundària més ordenada dins dels condensats, fet que podria augmentar l'estabilitat dels llocs de fixació del fàrmac. Col·lectivament, aquestes troballes podrien no només ajudar a racionalitzar el descobriment de fàrmacs per al CRPC, sinó també estendre's a altres malalties on les IDPs protagonitzen un paper fonamental.