Структурная основа передачи сигналов гормона FGF

Природа (2023)Цитировать эту статью

6 Альтметрика

Подробности о метриках

Корецепторы α/βKlotho одновременно взаимодействуют с гормонами фактора роста фибробластов (FGF) (FGF19, FGF21 и FGF23)1,2 и родственными им рецепторами FGF на клеточной поверхности (FGFR1–4), тем самым стабилизируя эндокринный комплекс FGF-FGFR3,4,5,6 . Однако этим гормонам по-прежнему требуется протеогликан гепарансульфат (HS) в качестве дополнительного корецептора, чтобы индуцировать димеризацию/активацию FGFR и, следовательно, вызывать их необходимую метаболическую активность6. Чтобы выявить молекулярный механизм, лежащий в основе корецепторной роли HS, мы расшифровали с помощью криоэлектронной микроскопии структуры трех различных 1:2:1:1 четвертичных комплексов FGF23-FGFR-αKlotho-HS, включающих сплайсинговые изоформы FGFR1 (FGFR1c). , FGFR3 (FGFR3c) или FGFR4 в качестве компонента рецептора. Эти структуры, подтвержденные экспериментами по комплементации и гетеродимеризации клеточных рецепторов, показывают, что одна цепь HS позволяет FGF23 и его первичному FGFR в тройном комплексе FGF23-FGFR-αKlotho с соотношением 1:1:1 совместно рекрутировать одиночную вторичную молекулу FGFR, что приводит к асимметричная димеризация и активация рецепторов. Однако αKlotho не участвует напрямую в рекрутировании/димеризации вторичного рецептора. Мы также показываем, что асимметричный режим димеризации рецепторов применим к паракринным FGF, которые передают сигнал исключительно HS-зависимым способом. Наши структурные и биохимические данные опровергают текущую парадигму симметричной димеризации FGFR и предоставляют основу для рационального открытия модуляторов передачи сигналов FGF2 в качестве терапевтических средств для лечения метаболических заболеваний и рака у человека.

Семейство факторов роста фибробластов млекопитающих (FGF) включает 18 полипептидов, содержащих гомологичный домен β-трилистника, разделенных на пять паракринных подсемейств и одно эндокринное подсемейство7. Паракринные подсемейства управляют множеством событий во время эмбрионального развития8, тогда как члены эндокринного подсемейства (FGF19, FGF21 и FGF23) представляют собой гормоны, которые регулируют гомеостаз желчных кислот, липидов, глюкозы, витамина D и минеральных ионов1,4,9,10. Гормоны FGF являются многообещающими мишенями для лечения целого ряда метаболических заболеваний, включая диабет II типа, ожирение, неалкогольный стеатогепатит, первичный билиарный цирроз печени, диарею желчных кислот, нарушения атрофии фосфатов почками и хроническую болезнь почек2,11,12,13, 14,15,16,17,18,19. FGFs опосредуют свое действие путем связывания, димеризации и, таким образом, активации однопроходных тирозинкиназ рецептора FGF (FGFR1-4)20,21. Внеклеточная область прототипного FGFR содержит три иммуноглобулиновых (Ig)-подобных домена (D1, D2 и D3). D2, D3 и короткий линкер D2–D3 необходимы и достаточны для связывания лиганда и димеризации рецептора. В FGFR1–FGFR3 альтернативный сплайсинг двух взаимоисключающих экзонов (называемых «b» и «c») изменяет состав основных сайтов связывания лигандов в доменах D3 этих трех FGFR, эффективно увеличивая количество основных изоформ FGFR до семи. (то есть FGFR1b–3b, FGFR1c–3c и FGFR4)22,23,24.

Паракринные FGF зависят от гликозаминогликанов гепарансульфата (HS) как обязательного корецептора для стабильного связывания и димеризации родственных им FGFR. HS представляют собой линейные гликановые цепи протеогликанов HS (HSPG), которые обильно экспрессируются во внеклеточном матриксе всех тканей25. В соответствии с кристаллической структурой димера FGF2-FGFR1c-HS 2:2:2, HS одновременно задействует сайты связывания HS паракринных FGF и FGFR, тем самым обеспечивая близость FGF-FGFR. При этом HS (1) усиливает аффинность связывания FG-FGFR в соотношении 1:1; и (2) усиливает взаимодействие между двумя комплексами 1:1, приводя к образованию двукратно симметричных димеров 2:226. Внеклеточная димеризация FGFR способствует образованию термодинамически слабого асимметричного комплекса внутриклеточных киназных доменов27, который опосредует трансфосфорилирование тирозина (A)-петли и, следовательно, активацию киназы и внутриклеточную передачу сигналов.

Сайты связывания HS гормонов FGF отличаются как по составу, так и по конформации от сайтов паракринных FGF, резко ослабляя их сродство к HS28. Следовательно, гормоны FGF избегают захвата HSPG во внеклеточном матриксе и могут попадать в кровоток. Более того, гормоны FGF имеют слабое сродство к FGFR28,29 из-за замен их ключевых остатков, связывающихся с рецепторами. Хотя эти структурные и биохимические особенности определяют гормональный механизм действия, они делают HS недостаточным для эндокринного FGF для связывания FGFR и индукции димеризации рецепторов. Действительно, чтобы компенсировать эти недостатки, гормоны FGF развили абсолютную зависимость от αKlotho или βKlotho как дополнительных корецепторов для передачи сигналов. α- и βKlotho представляют собой однопроходные трансмембранные белки с большим внеклеточным доменом, состоящим из двух тандемных гликозидазоподобных доменов (KL1 и KL2), и коротким внутриклеточным доменом3,5. Корецептор αKlotho (или βKlotho) одновременно связывает гормон FGF и родственный ему FGFR, тем самым обеспечивая связывание эндокринного FGF с FGFR. Корецепторы Klotho обладают уникальными специфичностями связывания гормона FGF и FGFR, которые в конечном итоге определяют специфичность связывания FGFR и селективность эндокринных FGF к тканям/органам. αKlotho связывается исключительно с FGF23 (ссылки 30), тогда как βKlotho связывает как FGF19, так и FGF21 (ссылки 31,32,33,34). Что касается взаимодействия FGFR, αKlotho и βKlotho демонстрируют общую специфичность к FGFR1c и FGFR4, но ни один из них не распознает изоформы сплайсинга 'b' FGFR1-3. Однако они проявляют противоположную специфичность по отношению к FGFR2c и FGFR3c: αKlotho связывает FGFR3c, но не FGFR2c, тогда как βKlotho связывает FGFR2c, но не FGFR3c (ссылка 35).