ABSTRACT Activating estrogen receptor alpha (ER) mutations are present in primary endometrial and metastatic breast cancers, promoting estrogen-independent activation of the receptor. Functional characterizations in breast cancer have established unique molecular and phenotypic consequences of the receptor, yet the impact of ER mutations in endometrial cancer has not been fully explored. In this study, we used CRISPR-Cas9 to model the clinically prevalent ER-Y537S mutation and compared results to ER-D538G to discover allele-specific differences between ER mutations in endometrial cancer. We found that constitutive activity of mutant ER resulted in changes in the expression of thousands of genes, stemming from combined alterations to ER binding and chromatin accessibility. The unique gene expression programs resulted in ER mutant cells developing increased cancer associated phenotypes, including migration, invasion, anchorage independent growth, and growth in vivo . To uncover potential treatment strategies, we identified ER associated proteins via Rapid Immunoprecipitation and Mass Spectrometry of Endogenous Proteins (RIME) and interrogated two candidates, CDK9 and NCOA3. Inhibition of these regulatory proteins resulted in decreased growth and migration, representing potential novel treatment strategies for ER mutant endometrial cancer. Implications This study provides insight into mutant ER activity in endometrial cancer and identifies potential therapies for women with ER mutant endometrial cancer. STATEMENT OF SIGNIFICANCE Activating estrogen receptor alpha (ER) mutations promote ligand-independent activity of the receptor. This study evaluates ER-Y537S and ER-D538G mutations in primary endometrial cancer, revealing their effects on gene regulation and cancer-associated phenotypes. By identifying ER associated proteins, we also uncover potential novel treatments for women with ER mutant endometrial cancer.

Steroid hormone receptors are simultaneously active in many tissues and are capable of altering each other's function. Estrogen receptor ɑ (ER) and glucocorticoid receptor (GR) are expressed in the uterus and their ligands have opposing effects on uterine growth. In endometrial tumors with high ER expression, we surprisingly found that expression of GR is associated with poor prognosis. Dexamethasone reduced normal uterine growth in vivo; however, this growth inhibition was abolished in estrogen-induced endometrial hyperplasia. We observed low genomic binding site overlap when ER and GR are induced with their respective ligands; however, upon simultaneous induction they co-occupy more sites. GR binding is significantly altered by estradiol with GR recruited to ER bound loci that become more accessible upon estradiol induction. Gene expression responses to co-treatment were more similar to estradiol, but with novel regulated genes. Our results suggest phenotypic and molecular interplay between ER and GR in endometrial cancer.

Multiple regulatory regions bound by the same transcription factor have been shown to simultaneously control a single gene’s expression. However, it remains unclear how these regulatory regions combine to regulate transcription. Here we test the sufficiency of promoter-distal estrogen receptor α (ER)-binding sites (ERBS) for activating gene expression by recruiting synthetic activators in the absence of estrogens. Targeting either dCas9-VP16(10x) or dCas9-p300(core) to ERBS induces H3K27ac and activates nearby expression in a manner similar to an estrogen induction, with dCas9-VP16(10x) acting as a stronger activator. The sufficiency of individual ERBS is highly correlated with their necessity, indicating an inherent activation potential that is associated with the binding of RNA polymerase II and several transcription factors. By targeting ERBS combinations, we found that ERBS work independently to control gene expression when bound by synthetic activators. The sufficiency results contrast necessity assays that show synergy between these ERBS, suggesting that synergy occurs between ERBS in terms of activator recruitment, whereas directly recruiting activators leads to independent effects on gene expression.

Estrogen signaling through estrogen receptor alpha (ER) plays a major role in endometrial cancer risk and progression; however, the molecular mechanisms underlying ER’s regulatory role in endometrial cancer are poorly understood. In breast cancer cells, ER genomic binding is enabled by FOXA1 and GATA3, but the transcription factors that control ER genomic binding in endometrial cancer cells remain unknown. We previously identified ETV4 as a candidate factor controlling ER genomic binding in endometrial cancer cells and here we explore the functional importance of ETV4. Homozygous deletion of ETV4 , using CRISPR/Cas9, led to greatly reduced ER binding at the majority of loci normally bound by ER. Consistent with the dramatic loss of ER binding, the gene expression response to estradiol was dampened for most genes. ETV4 contributes to estrogen signaling in two distinct ways; ETV4 loss impacts chromatin accessibility at some ER bound loci and impairs ER nuclear translocation. The diminished estrogen signaling upon ETV4 deletion led to decreased growth, particularly in 3D culture where hollow organoids were formed and in vivo in the context of estrogen dependent growth. Our results show that ETV4 plays an important role in estrogen signaling in endometrial cancer cells.