Steroid hormones exert profound effects on differentiation, development, and homeostasis in higher eukaryotes through interactions with nuclear receptors. We describe a novel orphan nuclear receptor, termed the pregnane X receptor (PXR), that is activated by naturally occurring steroids such as pregnenolone and progesterone, and synthetic glucocorticoids and antiglucocorticoids. PXR exists as two isoforms, PXR.1 and PXR.2, that are differentially activated by steroids. Notably, PXR.1 is efficaciously activated by pregnenolone 16alpha-carbonitrile, a glucocorticoid receptor antagonist that induces the expression of the CYP3A family of steroid hydroxylases and modulates sterol and bile acid biosynthesis in vivo. Our results provide evidence for the existence of a novel steroid hormone signaling pathway with potential implications in the regulation of steroid hormone and sterol homeostasis.

Nuclear hormone receptors comprise a superfamily of ligand-modulated transcription factors that mediate the transcriptional activities of steroids, retinoids, and thyroid hormones. A growing number of related proteins have been identified that possess the structural features of hormone receptors, but that lack known ligands. Known as orphan receptors, these proteins represent targets for novel signaling molecules. We have isolated a mammalian orphan receptor that forms a heterodimeric complex with the retinoid X receptor. A screen of candidate ligands identified farnesol and related metabolites as effective activators of this complex. Farnesol metabolites are generated intracellularly and are required for the synthesis of cholesterol, bile acids, steroids, retinoids, and farnesylated proteins. Intermediary metabolites have been recognized as transcriptional regulators in bacteria and yeast. Our results now suggest that metabolite-controlled intracellular signaling systems are utilized by higher organisms.

Dopamine neurons of the substantia nigra and ventral tegmental area regulate movement and affective behavior and degenerate in Parkinson’s disease. The orphan nuclear receptor Nurr1 was shown to be expressed in developing dopamine neurons before the appearance of known phenotypic markers for these cells. Mice lacking Nurr1 failed to generate midbrain dopaminergic neurons, were hypoactive, and died soon after birth. Nurr1 expression continued into adulthood, and brains of heterozygous animals, otherwise apparently healthy, contained reduced dopamine levels. These results suggest that putative Nurr1 ligands may be useful for treatment of Parkinson’s disease and other disorders of midbrain dopamine circuitry.

The retinoid X receptor (RXR) is a nuclear receptor that functions as a ligand-activated transcription factor. Little is known about the ligands that activate RXR in vivo. Here, we identified a factor in brain tissue from adult mice that activates RXR in cell-based assays. Purification and analysis of the factor by mass spectrometry revealed that it is docosahexaenoic acid (DHA), a long-chain polyunsaturated fatty acid that is highly enriched in the adult mammalian brain. Previous work has shown that DHA is essential for brain maturation, and deficiency of DHA in both rodents and humans leads to impaired spatial learning and other abnormalities. These data suggest that DHA may influence neural function through activation of an RXR signaling pathway.

Summary

 The prospect of using cell replacement therapies has raised the key issue of whether elucidation of developmental pathways can facilitate the generation of therapeutically important cell types from stem cells. Here we show that the homeodomain proteins Lmx1a and Msx1 function as determinants of midbrain dopamine neurons, cells that degenerate in patients with Parkinson's disease. Lmx1a is sufficient and required to trigger dopamine cell differentiation. An early activity of Lmx1a is to induce the expression of Msx1, which complements Lmx1a by inducing the proneural protein Ngn2 and neuronal differentiation. Importantly, expression of Lmx1a in embryonic stem cells results in a robust generation of dopamine neurons with a "correct" midbrain identity. These data establish that Lmx1a and Msx1 are critical intrinsic dopamine-neuron determinants in vivo and suggest that they may be essential tools in cell replacement strategies in Parkinson's disease.

Members of the nuclear receptor (NR) superfamily of transcription factors modulate gene transcription in response to small lipophilic molecules1. Transcriptional activity is regulated by ligands binding to the carboxy-terminal ligand-binding domains (LBDs) of cognate NRs. A subgroup of NRs referred to as ‘orphan receptors’ lack identified ligands, however, raising issues about the function of their LBDs2. Here we report the crystal structure of the LBD of the orphan receptor Nurr1 at 2.2 Å resolution. The Nurr1 LBD adopts a canonical protein fold resembling that of agonist-bound, transcriptionally active LBDs in NRs3, but the structure has two distinctive features. First, the Nurr1 LBD contains no cavity as a result of the tight packing of side chains from several bulky hydrophobic residues in the region normally occupied by ligands. Second, Nurr1 lacks a ‘classical’ binding site for coactivators. Despite these differences, the Nurr1 LBD can be regulated in mammalian cells. Notably, transcriptional activity is correlated with the Nurr1 LBD adopting a more stable conformation. Our findings highlight a unique structural class of NRs and define a model for ligand-independent NR function.

In addition to its role as a 9-cis retinoic acid receptor, RXR has an important role in the regulation of multiple hormonal pathways through heterodimerization with nuclear receptors. Here, we show that two orphan receptors, NGFI-B and NURR1, which have been shown previously to interact with DNA as monomers, also can heterodimerize with RXR. These heterodimers bind selectively to a class of retinoic acid response elements composed of direct repeats spaced by 5 nucleotides. In this respect they are similar to heterodimers formed between RXR and the receptor for all-trans retinoic acid, RAR. However, whereas RXR is inhibited in the RXR-RAR heterodimer, NGFI-B/NURR1 promote efficient activation in response to RXR ligands and therefore shift RXR from a silent to an active heterodimerization partner. These data show that NGFI-B and NURR1 can increase the potential of RXR to modulate gene expression in a ligand-dependent manner by allowing a distinct class of direct repeats to serve as specific RXR response elements. Because expression of both NGFI-B and NURR1 is rapidly induced by various growth factors, these findings also suggest a novel mechanism for convergence between vitamin A or retinoid and growth factor signaling pathways.

Recently, we have shown that receptors for vitamin D3 (VDR), thyroid hormone (TR), and retinoic acid (RAR) activate preferentially through direct repeats (DRs) spaced by 3, 4, and 5 nucleotides, respectively. In addition, the RAR can activate weakly through DRs spaced by 2 nucleotides. A common feature of RAR, TR, and VDR is their ability to heterodimerize with the retinoid X receptor (RXR) through their ligand-binding domains (LBDs) to form high-affinity DNA-binding complexes that are specific for appropriately spaced repeats. In this paper we demonstrate that selective binding of RAR-RXR and TR-RXR heterodimers to their cognate DRs is a consequence of a novel cooperative dimer interaction within the DNA-binding domains (DBDs). Accordingly, a region in the first zinc finger of the TR and RAR DBDs interacts with the second zinc finger in the RXR DBD to promote selective DNA-binding to DRs spaced by 4 and 5 nucleotides, respectively. The resulting polarity established by this interaction places RXR in the 5' position of the direct repeats. These data provide a mechanism for selective receptor recognition of a restricted set of target sequences in DR DNA and explains the structural basis for physiological specificity.

The trophic response of dopamine neurons to GDNF, mediated by the transcription factor Nurr1, protects them from α-synuclein–mediated toxicity.