Basi strutturali per la segnalazione dell'ormone FGF

Natura (2023) Cita questo articolo

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I corecettori α/βKlotho coinvolgono simultaneamente gli ormoni del fattore di crescita dei fibroblasti (FGF) (FGF19, FGF21 e FGF23)1,2 e i loro recettori FGF affini sulla superficie cellulare (FGFR1–4), stabilizzando così il complesso endocrino FGF-FGFR3,4,5,6 . Tuttavia, questi ormoni richiedono ancora il proteoglicano eparan solfato (HS) come corecettore aggiuntivo per indurre la dimerizzazione/attivazione dell'FGFR e quindi stimolare le loro attività metaboliche essenziali6. Per rivelare il meccanismo molecolare alla base del ruolo corecettore di HS, abbiamo risolto le strutture di microscopia crioelettronica di tre distinti complessi quaternari FGF23–FGFR–αKlotho–HS 1:2:1:1 caratterizzati dalle isoforme di giunzione 'c' di FGFR1 (FGFR1c) , FGFR3 (FGFR3c) o FGFR4 come componente recettore. Queste strutture, supportate da esperimenti di complementazione di recettori cellulari ed eterodimerizzazione, rivelano che una singola catena HS consente a FGF23 e al suo FGFR primario all'interno di un complesso ternario FGF23–FGFR–αKlotho 1:1:1 di reclutare congiuntamente una molecola FGFR secondaria solitaria che porta a dimerizzazione e attivazione asimmetrica dei recettori. Tuttavia, αKlotho non partecipa direttamente al reclutamento del recettore/dimerizzazione secondario. Mostriamo anche che la modalità asimmetrica di dimerizzazione del recettore è applicabile agli FGF paracrini che segnalano esclusivamente in modo dipendente dall'HS. I nostri dati strutturali e biochimici ribaltano l’attuale paradigma di dimerizzazione simmetrica dell’FGFR e forniscono progetti per la scoperta razionale di modulatori della segnalazione dell’FGF2 come terapie per le malattie metaboliche umane e il cancro.

La famiglia del fattore di crescita dei fibroblasti dei mammiferi (FGF) comprende 18 polipeptidi contenenti domini di omologia β-trifoglio organizzati in cinque sottofamiglie paracrine e una sottofamiglia endocrina7. Le sottofamiglie paracrine governano molteplici eventi durante lo sviluppo embrionale8 mentre i membri della sottofamiglia endocrina (FGF19, FGF21 e FGF23) sono ormoni che regolano l'omeostasi degli acidi biliari, dei lipidi, del glucosio, della vitamina D e degli ioni minerali1,4,9,10. Gli ormoni FGF sono obiettivi promettenti per il trattamento di uno spettro di malattie metaboliche, tra cui il diabete di tipo II, l'obesità, la steatoepatite non alcolica, la cirrosi biliare primitiva, la diarrea da acidi biliari, i disturbi renali da deperimento di fosfato e la malattia renale cronica2,11,12,13, 14,15,16,17,18,19. Gli FGF mediano le loro azioni legando, dimerizzando e quindi attivando le tirosin chinasi transmembrana del recettore FGF a passaggio singolo (FGFR1–4)20,21. La regione extracellulare di un FGFR prototipo contiene tre domini simili alle immunoglobuline (Ig) (D1, D2 e ​​D3). D2, D3 e il linker corto D2-D3 sono necessari e sufficienti per il legame del ligando e la dimerizzazione del recettore. In FGFR1-FGFR3, lo splicing alternativo di due esoni mutuamente esclusivi (denominati "b" e "c") altera la composizione dei principali siti di legame del ligando all'interno dei domini D3 di questi tre FGFR, espandendo effettivamente il numero delle principali isoforme FGFR a sette (ovvero FGFR1b–3b, FGFR1c–3c e FGFR4)22,23,24.

Gli FGF paracrini dipendono dai glicosaminoglicani dell'eparan solfato (HS) come corecettore obbligatorio per legare e dimerizzare stabilmente i loro FGFR affini. Gli HS sono catene glicaniche lineari di proteoglicani HS (HSPG) che sono abbondantemente espressi nella matrice extracellulare di tutti i tessuti25. Secondo la struttura cristallina del dimero 2:2:2 FGF2–FGFR1c–HS, HS impegna contemporaneamente i siti di legame HS di FGF e FGFR paracrini, rafforzando così la prossimità FGF–FGFR. In tal modo, HS (1) migliora l'affinità di legame FG-FGFR 1: 1; e (2) rafforza le interazioni tra due complessi 1:1 per dare origine a dimeri 2:2 simmetrici duplici26. La dimerizzazione extracellulare del FGFR promuove la formazione di un complesso asimmetrico termodinamicamente debole dei domini chinasici intracellulari27 che media la transfosforilazione della tirosina del loop (A) e quindi l'attivazione della chinasi e la segnalazione intracellulare.

I siti di legame dell’HS degli ormoni FGF divergono sia dal punto di vista compositivo che conformazionale da quelli degli FGF paracrini, indebolendo drasticamente la loro affinità per HS28. Di conseguenza, gli ormoni FGF evitano l’intrappolamento degli HSPG nella matrice extracellulare e possono entrare in circolo. Inoltre, gli ormoni FGF hanno una debole affinità per gli FGFR28,29 a causa della sostituzione dei loro residui leganti i recettori chiave. Sebbene queste idiosincrasie strutturali e biochimiche conferiscano una modalità d'azione ormonale, rendono l'HS insufficiente affinché l'FGF endocrino si leghi all'FGFR e induca la dimerizzazione del recettore. Infatti, per compensare queste carenze, gli ormoni FGF hanno sviluppato una dipendenza assoluta da αKlotho o βKlotho come corecettore aggiuntivo per la segnalazione. α- e βKlotho sono proteine ​​transmembrana a passaggio singolo con un ampio dominio extracellulare comprendente due domini tandem simili alla glicosidasi (KL1 e KL2) e un breve dominio intracellulare3,5. Il corecettore αKlotho (o βKlotho) lega simultaneamente l'ormone FGF e il suo affine FGFR, rafforzando così il legame dell'FGF endocrino con l'FGFR. I corecettori Klotho hanno specificità uniche di legame dell'ormone FGF e di FGFR che, in ultima analisi, dettano la specificità di legame dell'FGFR e la selettività del tessuto/organo bersaglio degli FGF endocrini. αKlotho si lega esclusivamente a FGF23 (rif. 30) mentre βKlotho lega sia FGF19 che FGF21 (rif. 31,32,33,34). Per quanto riguarda l'interazione FGFR, αKlotho e βKlotho mostrano specificità condivisa per FGFR1c e FGFR4 ma nessuno dei due riconosce le isoforme di giunzione 'b' di FGFR1–3. Tuttavia, mostrano una specificità opposta verso FGFR2c e FGFR3c con αKlotho che lega FGFR3c ma non FGFR2c, mentre βKlotho lega FGFR2c ma non FGFR3c (rif. 35).