ABSTRACT The prevailing model of steroid hormone nuclear receptor function assumes ligand-induced homodimer formation followed by binding to DNA hormone response elements (HREs). This model has been challenged by evidence showing that the glucocorticoid receptor (GR) forms tetramers upon ligand and DNA binding, which then drive receptor-mediated gene transactivation and transrepression. GR and the closely-related mineralocorticoid receptors (MR) interact to transduce corticosteroid hormone signaling, but whether they share the same quaternary arrangement is unknown. Here, we used a fluorescence imaging technique, Number & Brightness, to study oligomerization in a cell system allowing real-time analysis of receptor-DNA interactions. Agonist-bound MR forms tetramers in the nucleoplasm and higher order oligomers upon binding to HREs. Antagonists form intermediate quaternary arrangements, suggesting that large oligomers are essential for function. Divergence between MR and GR quaternary structure is driven by different functionality of known and new multimerization interfaces, which does not preclude formation of heteromers. Thus, influencing oligomerization may be important to selectively modulate corticosteroid signaling.

The glucocorticoid and mineralocorticoid receptors (GR and MR, respectively) have distinct, yet overlapping physiological and pathophysiological functions. There are indications that both receptors interact functionally and physically, but the precise role of this interdependence is poorly understood. Here, we analyzed the impact of GR co-expression on MR genome-wide chromatin binding and transcriptional responses to aldosterone and glucocorticoids, both physiological ligands of this receptor. Our data show that GR co-expression alters MR genome-wide binding to consensus DNA sequences in a locus- and ligand-specific way. MR binding to consensus DNA sequences is affected by GR. Transcriptional responses of MR in the absence of GR are weak and show poor correlation with chromatin binding. In contrast, co-expression of GR potentiates MR-mediated transcription, particularly in response to aldosterone. Finally, single-molecule tracking of MR suggests that the presence of GR contributes to productive binding of MR/aldosterone complexes to chromatin. Together, our data indicate that co-expression of GR potentiates aldosterone-mediated MR transcriptional activity, even in the absence of glucocorticoids.

ABSTRACT How transcription factors (TFs) navigate the complex nuclear environment to assemble the transcriptional machinery at specific genomic loci remains elusive. Using single-molecule tracking, coupled with machine learning, we examined the mobility of multiple transcriptional regulators. We show that H2B and ten different transcriptional regulators display two distinct low-mobility states. Our results indicate that both states represent dynamic interactions with chromatin. Ligand activation results in a dramatic increase in the proportion of steroid receptors in the lowest mobility state. Mutational analysis revealed that only chromatin interactions in the lowest mobility state require an intact DNA-binding domain as well as oligomerization domains. Importantly, these states are not spatially separated as previously believed but in fact, individual H2B and TF molecules can dynamically switch between them. Together, our results identify two unique and distinct low-mobility states of transcriptional regulators that appear to represent common pathways for transcription activation in mammalian cells.

Abstract The glucocorticoid receptor (GR) is a ubiquitously expressed transcription factor that controls metabolic and homeostatic processes essential for life. Although numerous crystal structures of the GR ligand-binding domain (GR-LBD) have been reported, the functional oligomeric state of the full-length receptor, which is essential for its transcriptional activity, remains disputed. Here we present five new crystal structures of agonist-bound GR-LBD, along with a thorough analysis of previous structural work. Biologically relevant homodimers were identified by studying a battery of GR point mutants including crosslinking assays in solution and quantitative fluorescence microscopy in living cells. Our results highlight the relevance of non-canonical dimerization modes for GR, especially of contacts made by loop L1-3 residues such as Tyr545. Our work unveils likely pathophysiologically relevant quaternary assemblies of the nuclear receptor with important implications for glucocorticoid action and drug design.

Single-molecule tracking allows the study of transcription factor dynamics in the nucleus, giving important information regarding the search and binding behavior of these proteins with chromatin in vivo. However, these experiments suffer from limitations due to photobleaching of the tracked protein and assumptions about the exponential behavior required for data interpretation, potentially leading to serious artifacts. Here, we developed an improved method to account for photobleaching effects, theory-based models to accurately describe transcription factor dynamics, and an unbiased model selection approach to determine the best predicting model. A new biological interpretation of transcriptional regulation emerges from the proposed models wherein transcription factor searching and binding on the DNA results in a broad distribution of binding affinities and accounts for the power-law behavior of transcription factor residence times.