トランスフォーミング成長因子βとアクチビン受容体複合体形成の計算モデル化

Computational modeling of transforming growth factor β and activin a receptor complex formation in the context of promiscuous signaling regulation.

• Stephen M Farmer
• Claudia D Andl

抄録

トランスフォーミング成長因子β（TGFβ）スーパーファミリーは、増殖、休止期、および分化を制御する多能性成長因子のグループです。そのため、シグナル伝達異常と下流の標的活性化は腫瘍形成に寄与しており、標的治療は有望な手段であると考えられています。本研究では、TGFβファミリーのリガンド分子と受容体分子の構造と機能の関係を様々なモデル化パイプラインを用いて解析した。さらに、現在FDAの承認を得て臨床試験が行われているがんのTGFβシグナルを標的とした低分子阻害剤であるガルニセルチブの分子ドッキングシミュレーションを行いました。私たちは、アクティビンのアイソフォームのプロタンパク質二量体が鎖内ジスルフィド結合で異なることを発見し、プロドメインの安定性とアイソフォームの嗜好性が異なることを示しました。さらに、成熟タンパク質は保存されたシスチン結び目の周りに柔軟性を有しており、TGFβとは類似しているが異なる方法で受容体や調節分子と相互作用している。我々は、すべてのアクティビンアイソフォームが閉二量体または開二量体の状態をとることが可能であることを示し、受容体結合のための開二量体の構造的プロミスキュイティを明らかにした。我々は、TGFβ型I型受容体(TGFβR1)と事前らせん延長を共有するタイプI受容体(ACVR1B)を含むアクチビン受容体複合体の最初の構造景観を提案する。ここでは、アクチビンがTGFβR1をTGFβ様に結合し、TGFβ1がACVR1Bとシグナリング複合体を形成することを人工的に実証している。興味深いことに、GalunisertibはTGFβR1とACVR1Bの両方の相同キナーゼドメイン内に安定した阻害構造を形成し、このようにして、受容体特異的なシグナル伝達を停止させることが判明しました。以上の結果から、がん治療における特異的TGFβカスケードターゲティングの課題が浮き彫りになりました。

The Transforming growth factor-beta (TGFβ) superfamily is a group of multipotent growth factors that control proliferation, quiescence and differentiation. Aberrant signal transduction and downstream target activation contribute to tumorigenesis and targeted therapy has therefore been considered a promising avenue. Using various modeling pipelines, we analyzed the structure-function relationship between ligand and receptor molecules of the TGFβ family. We further simulated the molecular docking of Galunisertib, a small molecule inhibitor targeting TGFβ signaling in cancer, which is currently undergoing FDA-approved clinical trials. We found that proprotein dimers of Activin isoforms differ at intrachain disulfide bonds, which support prior evidence of varying pro-domain stability and isoform preference. Further, mature proteins possess flexibility around conserved cystine knots to functionally interact with receptors or regulatory molecules in similar but distinct ways to TGFβ. We show that all Activin isoforms are capable of assuming a closed- or open-dimer state, revealing structural promiscuity of their open forms for receptor binding. We propose the first structural landscape for Activin receptor complexes containing a type I receptor (ACVR1B), which shares a pre-helix extension with TGFβ type I receptor (TGFβR1). Here, we artificially demonstrate that Activin can bind TGFβR1 in a TGFβ-like manner and that TGFβ1 can form signaling complexes with ACVR1B. Interestingly, Galunisertib was found to form stable inhibitory structures within the homologous kinase domains of both TGFβR1 and ACVR1B, thus halting receptor-promiscuous signaling. Overall, these observations highlight the challenges of specific TGFβ cascade targeting in the context of cancer therapies.Communicated by Ramaswamy H. Sarma.