Genetic and chemical hydrophobic modification of transcription factor condensates in human disease

Abstract

The work in this thesis examines how hydrophobic modifications within intrinsically disordered regions (IDRs) of transcription factors (TFs), caused by genetic mutations and drug-induced changes, disrupt TF condensation and gene expression programs in various human disease states. I establish as a general paradigm that disease-associated poly-alanine repeat expansions promote the formation of homotypic TF condensates with gel-like material properties, at the expense of heterotypic interactions with other components of the transcriptional apparatus. This effect was elicited by hydrophobic repeat expansions found in the following developmental disorders: synpolydactyly (SPD), cleidocranial dysplasia (CCD), and hand-foot-genital-syndrome (HFGS). Utilizing insights from this paradigm, I hypothesized that the condensation capacity of TFs may be controlled with chemical modifiers of TF-IDRs, in efforts to treat diseases reliant on aberrant transcriptional programs, such as cancer. To this end, this thesis provides evidence that the condensation of an oncogenic transcription factor, the androgen receptor (AR), can be targeted with small molecules that selectively partition into condensates formed by the disordered activation domain of the AR. Increasing the hydrophobicity of the small molecule resulted in higher potency in the arrest of proliferation and AR-driven gene expression programs in a human model of prostate cancer (PCa). Together, these results suggest that hydrophobic modification of transcription factors and small molecules that partition into condensates can be leveraged for therapeutic intent.

In dieser Dissertation wurde untersucht, wie hydrophobe Modifikationen innerhalb von intrinsisch ungeordneten Regionen (IDRs) von Transkriptionsfaktoren (TFs), verursacht durch genetische Mutationen und arzneimittelinduzierte Veränderungen, die TF- Kondensation und Genexpressionsprogramme in verschiedenen menschlichen Krankheitsstadien stören. Dadurch konnte etabliert werden, dass krankheitsassoziierte Poly- Alanin-Expansionen die Bildung von homotypischen TF-Kondensaten mit gelartigen Materialeigenschaften fördern, auf Kosten heterotypischer Wechselwirkungen mit anderen Komponenten des Transkriptionsapparates. Dieser Effekt wurde in folgenden Entwicklungsstörungen charakterisiert: Synpolydaktylie (SPD), cleidocraniale Dysplasie (CCD) und Hand-Fuß-Genital-Syndrom (HFGS). Basierend auf diesen Erkenntnissen folgte die Hypothese, dass die Kondensationskapazität von TFs mit chemischen Modifikationen von TF-IDRs kontrolliert werden kann, um Krankheiten wie z.B. Krebs zu behandeln, die auf abweichende Transkriptionsprogramme angewiesen sind. In diesem Zusammenhang konnte ich in meiner Dissertation belegen, dass die Kondensation eines onkogenen Transkriptionsfaktors, des Androgenrezeptors (AR), mit kleinen Molekülen moduliert werden kann, die sich selektiv in Kondensate integrieren, die von der ungeordneten Aktivierungsdomäne des AR gebildet werden. Eine Erhöhung der Hydrophobie dieses Moleküls führte zu einer stärkeren Hemmung von Proliferations- und AR-gesteuerten Genexpressionsprogrammen, welche in einem menschlichen Prostatakrebsmodell (PCa) nachgewiesen wurde. Zusammengenommen legen diese Ergebnisse nahe, dass die hydrophobe Modifikation von Transkriptionsfaktoren und kleine Moleküle, die sich in Kondensate integrieren, für therapeutische Zwecke genutzt werden kann.