Abstract The estrogen receptor-α (ER) is thought to function only as a homodimer, but responds to a variety of environmental, metazoan, and therapeutic estrogens at sub-saturating doses, supporting binding mixtures of ligands as well as dimers that are only partially occupied. Here, we present a series of flexible ER ligands that bind to receptor dimers with individual ligand poses favoring distinct receptor conformations —receptor conformational heterodimers—mimicking the binding of two different ligands. Molecular dynamics simulations showed that the pairs of different ligand poses changed the correlated motion across the dimer interface to generate asymmetric communication between the dimer interface, the ligands, and the surface binding sites for epigenetic regulatory proteins. By examining binding of the same ligand in crystal structures of ER in the agonist versus antagonist conformers, we also showed that these allosteric signals are bidirectional. The receptor conformer can drive different ligand binding modes to support agonist versus antagonist activity profiles, a revision of ligand binding theory that has focused on unidirectional signaling from ligand to the coregulator binding site. We also observed differences in the allosteric signals between ligand and coregulator binding sites in the monomeric versus dimeric receptor, and when bound by two different ligands, states that are physiologically relevant. Thus, ER conformational heterodimers integrate two different ligand-regulated activity profiles, representing new modes for ligand-dependent regulation of ER activity. Significance The estrogen receptor-α (ER) regulates transcription in response to a hormonal milieu that includes low levels of estradiol, a variety of environmental estrogens, as well as ER antagonists such as breast cancer anti-hormonal therapies. While ER has been studied as a homodimer, the variety of ligand and receptor concentrations in different tissues means that the receptor can be occupied with two different ligands, with only one ligand in the dimer, or as a monomer. Here, we use X-ray crystallography and molecular dynamics simulations to reveal a new mode for ligand regulation of ER activity whereby sequence-identical homodimers can act as functional or conformational heterodimers having unique signaling characteristics, with ligand-selective allostery operating across the dimer interface integrating two different signaling outcomes.

The hippocampus is involved in aspects of both working and episodic memory, and is a central region of interest in diseases affecting these processes. While the role of the hippocampus in memory is studied predominantly in rodents, rodent neurological disease models have not historically translated well to human treatment. Non-human primate disease models, while highly translational, present both economic and ethical challenges. Therefore, an alternative research model is required to study memory and cognition during development and to follow disease progression. Because pig models are widely used in other translational research, they may provide an excellent compromise between rodents and non-human primates due in part to the gyrencephalic neuroanatomy and significant white matter composition of the porcine brain. In addition, the porcine hippocampal anatomy and cytoarchitecture more closely resembles that of primates than rodents. To advance the study of the neurophysiology of the pig hippocampus and related structures, we utilized stereotaxis combined with single-unit electrophysiological mapping to precisely place laminar silicon depth probes into the dorsal hippocampus of miniature pigs without the need for image guidance. We then implemented an in vivo, electrophysiology-based methodology to identify hippocampal layers and to examine hippocampal neurophysiology using these depth probes. This methodology allowed for the simultaneous recording of laminar field potentials and single-cell activity in multiple layers in the dorsal hippocampus. The laminar structure of dorsal hippocampus and the precise location of the probes were confirmed by electrophysiology and histopathology, eliminating the need to recover electrode tracks in future animals. This methodology allows us to investigate hippocampal electrophysiology under anesthesia, with potential expansion into awake behaving neurophysiology. Accessible neurophysiology of the pig hippocampus may allow for the development of new translational models of neurological disorders, with the possibility of evaluating the neuronal and circuitry disruptions that underlie cognitive and memory dysfunction.

The estrogen receptor-α (ER) is thought to function only as a homodimer but responds to a variety of environmental, metazoan, and therapeutic estrogens at subsaturating doses, supporting binding mixtures of ligands as well as dimers that are only partially occupied. Here, we present a series of flexible ER ligands that bind to receptor dimers with individual ligand poses favoring distinct receptor conformations—receptor conformational heterodimers—mimicking the binding of two different ligands. Molecular dynamics simulations showed that the pairs of different ligand poses changed the correlated motion across the dimer interface to generate asymmetric communication between the dimer interface, the ligands, and the surface binding sites for epigenetic regulatory proteins. By examining the binding of the same ligand in crystal structures of ER in the agonist vs. antagonist conformers, we also showed that these allosteric signals are bidirectional. The receptor conformer can drive different ligand binding modes to support agonist vs. antagonist activity profiles, a revision of ligand binding theory that has focused on unidirectional signaling from the ligand to the coregulator binding site. We also observed differences in the allosteric signals between ligand and coregulator binding sites in the monomeric vs. dimeric receptor, and when bound by two different ligands, states that are physiologically relevant. Thus, ER conformational heterodimers integrate two different ligand-regulated activity profiles, representing different modes for ligand-dependent regulation of ER activity.