ACVRL1（Alk1）：TGF-β受體家族成員之一，全新的抗血管生成藥物研究靶點！
日期：2024-01-05 15:48:39
近期，Nature Communications雜志發(fā)表了題為“Alk1 acts in non-endothelial VE-cadherin+ perineurial cells to maintain nerve branching during hair homeostasis”的研究論文 [1]，強調(diào)了TGF-β受體Alk1在神經(jīng)分支維持中的重要性。Alk1，又稱ACVRL1，屬于TGF-β受體家族，其作為新近報道的抗血管生成靶點受到研究者關(guān)注。盡管Alk1在多種信號通路中的調(diào)控機制尚未全面闡明，但陸續(xù)的研究揭示了ACVRL1（Alk1）在多種實體瘤和血管生成中發(fā)揮重要作用。目前，針對ACVRL1的靶向策略已經(jīng)在探索中，且靶向ACVRL1在改善相關(guān)疾病癥狀方面展示出研究潛力。因此，ACVRL1（Alk1）作為全新的抗血管生成藥物靶點，未來有望成為多種研究領(lǐng)域的有效靶點，為多種疾病的藥物研究帶來新的可能性和機遇！
1. 什么是TGF-β家族？
TGF-β家族是一類在結(jié)構(gòu)、功能上相關(guān)的轉(zhuǎn)化生長因子，包括TGF-β、活化素（Activin）、骨形成蛋白（bone morphogenic proteins，BMPs）等。TGF-β存在TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3三種亞型。其中，TGF-β1是其主要存在形式，具有最強的生物活性。BMPs屬于TGF-β超家族成員，大約有20多種，如BMP2和4，5，6，7，8a和8b，BMP9和BMP10，以及BMP12，BMP13和BMP14。TGF-β受體（TGF-β receptors，TβR）廣泛存在于正常細(xì)胞及腫瘤細(xì)胞表面，包括I型（TβRI）、II型（TβRII）、III型TβRIII（betaglycan）及endoglin等。目前研究較多的是I型和II型兩種受體，參與多種信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)。迄今為止，已鑒定出七種I型TGF-β受體（TβRI），分別命名為活化素受體樣激酶1-7 (activin receptor-like kinase，ALK1-7)（點擊查看“TGF-beta受體”專題報道） [2-4]。
2. 什么是ACVRL1？
2.1 ACVRL1的結(jié)構(gòu)
活化素受體樣激酶1（activin receptor-like kinase-1，ACVRL1/ALK1）屬于TGF-β家族的I型受體（TβRI或ALK）成員之一，是絲氨酸/蘇氨酸激酶受體。ACVRL1/ALK1基因定位于12q13，含10個外顯子，基因組全長約15 kb，編碼ACVRL1受體蛋白。ACVRL1是一種整合在細(xì)胞膜上的同形二聚體跨膜糖蛋白，含503個氨基酸殘基，由N端胞外區(qū)、跨膜區(qū)和幾乎全由絲氨酸-蘇氨酸激酶區(qū)構(gòu)成的胞內(nèi)區(qū)三部分組成。ACVRL1與其他I型受體在絲氨酸-蘇氨酸激酶亞結(jié)構(gòu)域、GS結(jié)構(gòu)域（位于激酶結(jié)構(gòu)域之前的富含甘氨酸和絲氨酸的區(qū)域）和C末端尾部具有高度的相似性（圖1） [5-6]。
2.2 ACVRL1的表達(dá)和功能
TGF-β家族的I型受體ACVRL1在內(nèi)皮細(xì)胞和一些富含血管的組織，如肺、胎盤中具有高表達(dá)，其激活后可刺激內(nèi)皮細(xì)胞增殖，與血管發(fā)生及形成密切相關(guān)。ACVRL1受體主要與轉(zhuǎn)化生長因子（TGF-βs）結(jié)合，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、遷移、存活、粘附和發(fā)育等，例如ACVRL1在骨骼肌細(xì)胞中，促進(jìn)肌肉再生，在成纖維細(xì)胞中促進(jìn)傷口愈合。同時，ACVRL1作為重要的細(xì)胞信號傳導(dǎo)分子，在多種生理和病理過程中扮演關(guān)鍵角色，陸續(xù)研究表面，異常的ACVRL1表達(dá)與多種癌癥的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)，凸顯其在腫瘤病理生理中的重要性 [7-8]。
圖1. ACVRL1/ALK1的結(jié)構(gòu) [5]
3. 什么是ACVRL1的配體？
ACVRL1的配體來自TGF-β家族成員，其中TGF-β與ALK1的親和力較低，而BMP和BMP10被認(rèn)為是與ACVRL1/ALK1具有高親和力的生理學(xué)配體。但是，這兩個配體并不會直接激活A(yù)CVRL1/ALK-1的絲氨酸/蘇氨酸激酶活性，而需要在TβR-II或激活素II型受體的協(xié)助下才能完成激活過程。當(dāng)配體與TGF-β受體相結(jié)合時，I型受體收到磷酸化后活化，而后進(jìn)一步使包括ACVRL1/ALK-1的I型受體激活，并結(jié)合形成受體復(fù)合物，進(jìn)一步激活下游的相關(guān)信號通路。這意味著，ACVRL1/ALK1的激活并不完全由其配體決定，而是由其配體與其他受體的相互作用決定。因此，ACVRL1/ALK-1被認(rèn)為是一種“孤兒”受體，其活性的調(diào)節(jié)涉及多種信號通路和復(fù)合物的相互作用。這種復(fù)雜的調(diào)控機制使得ACVRL1/ALK1在細(xì)胞信號傳導(dǎo)和生物學(xué)效應(yīng)中扮演著多樣化而關(guān)鍵的角色 [6, 9]。
4. ACVRL1相關(guān)的信號通路
4.1 ACVRL1-Smads信號調(diào)節(jié)機制
TGF-β需要ACVRL1（ALK1）和ALK5受體來發(fā)揮作用。在信號傳導(dǎo)中，TGF-β首先與TβRII結(jié)合，激活TβRI，形成復(fù)合物并啟動Smads信號通路。在內(nèi)皮細(xì)胞中，激活兩種不同的Smad信號通路會導(dǎo)致相反的效應(yīng)。一方面，當(dāng)BMP-9（或-10）與ACVRL1/ALK1受體結(jié)合后，會激活Smad1/Smad5信號級聯(lián)，進(jìn)一步招募BMPRII受體和輔助受體Endoglin（ENG）形成細(xì)胞表面復(fù)合物。TGF-β也可以通過結(jié)合到活躍的Tβ RII而啟動此信號通路，隨后招募并磷酸化ACVRL1/ALK1。Endoglin有助于配體-ALK1相互作用，并成為受體復(fù)合物的一部分 [10-11]。
當(dāng)ALK1誘導(dǎo)Smad1/5（R-Smads）磷酸化后，這些激活的R-Smads能與共同型Smad4形成復(fù)合物，隨后轉(zhuǎn)運到細(xì)胞核，調(diào)控特定靶基因的轉(zhuǎn)錄，例如ID1和ID3。這些調(diào)控反應(yīng)可能導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞增殖和遷移的增加。另一方面，TGF-β也可以激活（依賴于Tβ RII）ALK5受體，導(dǎo)致Smad2/Smad3的磷酸化。激活的Smad2/3也能與Smad4形成復(fù)合物，并進(jìn)入細(xì)胞核。這些核內(nèi)Smad復(fù)合物可能調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，例如PAI1，對內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和遷移產(chǎn)生抑制效應(yīng)（圖2） [10-11]。
圖2. ACVRL1相關(guān)的信號通路 [11]
4.2 ACVRL1抗腫瘤血管生成機制
ALK1作為TGF-β/BMPS家族的I型受體，與血管發(fā)生及形成密切相關(guān)，是介導(dǎo)TGF-β家族調(diào)節(jié)血管生成的重要因子。近年來發(fā)現(xiàn)，抑制ALK1信號通路可作為抗腫瘤血管生成的另一重要策略。研究發(fā)現(xiàn)，在胚胎肝臟中，ALK1通過與SMAD6相互作用，調(diào)節(jié)血管發(fā)育和功能。當(dāng)SMAD6缺失時，ALK1信號傳導(dǎo)過度激活，導(dǎo)致胚胎肝臟血管畸形和出血。在體內(nèi)實驗中，減少Alk1基因劑量可以挽救由Smad6缺失引起的胚胎肝臟出血和微血管毛細(xì)血管化。機制研究表明，ALK1信號傳導(dǎo)過度激活會導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞連接不穩(wěn)定和收縮性增加。這會導(dǎo)致血管壁脆弱，容易破裂。因此，ALK1在胚胎肝臟血管發(fā)育中發(fā)揮著重要的“守護(hù)者”作用。它通過與SMAD6相互作用，維持血管發(fā)育和功能的正常。ALK1功能喪失會導(dǎo)致血管畸形和出血，表明平衡的ALK1信號傳導(dǎo)對于血管發(fā)育至關(guān)重要 [12]。
5. ACVRL1在疾病中的研究
5.1 ACVRL1和遺傳性出血性毛細(xì)血管擴張癥研究
ACVRL1（ALK1）作為一種跨膜受體，參與血管生成和血管發(fā)育相關(guān)的關(guān)鍵信號通路。抑制ALK1信號傳導(dǎo)已成為各種血管生成相關(guān)疾病（如遺傳性出血性毛細(xì)血管擴張癥）的一種有前途的研究策略。遺傳性出血性毛細(xì)血管擴張癥（hereditary hemorrhagic telangiectasis，HHT）是常染色體顯性遺傳性血管發(fā)育異常的一種疾病。臨床可分HHT1、HHT2以及幼年性息肉病伴HHT（JPHT）三種表型。目前為止，已發(fā)現(xiàn)ALK-l、ENG（endoglin，CD105）和SMAD4基因突變可導(dǎo)致HHT。相關(guān)的研究已揭示，ENG基因突變引起HHT1型，ALK-1基因突變引起HHT2型，SMAD4基因突變引起JPHT型。因此，抑制ACVRL1（ALK1）可能成為HHT等多種血管生成相關(guān)疾病研究的重要靶點 [13]。
5.2 ACVRL1和系統(tǒng)性硬皮病研究
一項研究分析了ACVRL1（ALK1）在系統(tǒng)性硬皮病患者皮膚成纖維細(xì)胞中的表達(dá)功能情況。系統(tǒng)性硬皮病（Systemic Sclerosis，SSc）是一種結(jié)締組織疾病，其特征是細(xì)胞外基質(zhì)在皮膚和內(nèi)臟等組織中的大量沉積，導(dǎo)致纖維化和功能障礙，同時伴隨廣泛的血管損傷和免疫系統(tǒng)的激活。這項結(jié)果顯示，在SSc患者中，ALK1表達(dá)量明顯高于正常人。免疫熒光結(jié)果證實ALK1主要分布在成纖維細(xì)胞的胞膜和胞漿。ALK1 siRNA轉(zhuǎn)染實驗中，成纖維細(xì)胞中ALK1、纖維連接蛋白和PAL-1的表達(dá)水平均呈下降趨勢。相反，TGFβ1處理對照siRNA組后，對以上蛋白表達(dá)產(chǎn)生顯著促進(jìn)作用。這些研究結(jié)果暗示著，TGFβ1通過ALK1在成纖維細(xì)胞中調(diào)節(jié)了纖維連接蛋白和PAI-1的表達(dá)。這可能意味著ALK1在系統(tǒng)性硬皮病的纖維化過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用 [14]。
5.3 ACVRL1和腫瘤研究
目前國外內(nèi)關(guān)于ACVRL1（ALK1）基因在腫瘤中的相關(guān)報道較少，只是通過不同研究實驗證實了ALK1基因與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。在結(jié)直腸癌（CRC）治療中，瑞戈非尼（Regorafenib）和索拉非尼（Sorafenib）等多靶點酪氨酸激酶抑制劑（mTKI）已獲批準(zhǔn)，但其在CRC療效受限。最新實驗表明，ACVRL1介導(dǎo)的耐藥機制可能解釋了這一限制。ACVRL1的敲低或過表達(dá)顯著影響CRC細(xì)胞對mTKI的體內(nèi)外敏感性，因此，針對ACVRL1可能是克服mTKI耐藥的有效策略 [15]。
一項Ib期研究分析了Dalantercept和Sorafenib聯(lián)合治療晚期肝癌的安全性和有效性。Dalantercept是一種可溶性的ALK1受體融合蛋白，通過結(jié)合BMP9和BMP10，抑制ALK1信號通路，從而干擾成熟血管的形成，雖然該組合的抗腫瘤活性很低，但是ALK1作為HCC的研究靶點，其新穎性已引起研究人員的關(guān)注 [16]；在非小細(xì)胞肺癌中，研究提示，相對于正常肺組織，ALK1 mRNA及蛋白在非小細(xì)胞肺癌組織中特異性上調(diào)表達(dá)，推測ALK1基因可能作為非小細(xì)胞肺癌分子靶向治療的一個潛在靶點或者血清學(xué)腫瘤標(biāo)志物 [17]。
5.4 ACVRL1和其它疾病研究
ACVRL1在其他疾病研究中也同樣發(fā)揮重要作用。針對ALK1在腦神經(jīng)方面的研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β1-ALK1p-Smad1對神經(jīng)保護(hù)起著作用，相反，TGF-β1-ALK5-p-Smad2/3則促發(fā)癲痛。在腦組織受損時，神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞可以通過TGF-β1-ALK1-p-Smad1和TGF-β1-ALK5-p-Smad2/3通路發(fā)揮功能 [18]。此外，LRG-TGF-β-Alk-1/TGF?RII-Smads被探討作為動脈瘤性蛛網(wǎng)膜下腔出血后慢性腦積水的預(yù)測生物標(biāo)志物 [19]。
針對ALK1和ALK2在BMP9誘導(dǎo)成骨中的作用，體內(nèi)外實驗證實了其重要性。在體內(nèi)體外水平驗證了ALK1和ALK2對于BMP9誘導(dǎo)成骨的影響。在體外實驗中，siALK1和siALK2能有效抑制堿性磷酸酶、鈣鹽和熒光素酶的活性，這三項是驗證BMP9信號傳導(dǎo)和體外成骨的重要指標(biāo)。值得注意的是，實驗結(jié)果表明siALK1和siALK2不僅抑制了BMP9信號傳導(dǎo)，還阻礙了BMP9引導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的過程。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了ALK1在調(diào)控BMP9介導(dǎo)的骨細(xì)胞分化中的重要性，為未來針對骨相關(guān)疾病的治療提供了有力的依據(jù) [20]。
6. ACVRL1的臨床藥物研究前景
目前有三種藥物針對ACVRL1（ALK1）正在進(jìn)行研發(fā)，分別是單克隆抗體Ascrinvacumab、雙特異性抗體ALK-1/VEGF bispecific antibody、單克隆抗體TATX-21。前兩款藥物由蘇州開拓藥業(yè)和輝瑞公司聯(lián)合開發(fā)。TATX-21由ImmunoPrecise Antibodies和Talem Therapeutics聯(lián)合開發(fā)。早前另有一款融合蛋白Dalantercept，但現(xiàn)在尚處于終止階段。三款在研的藥物的階段不同，其中Ascrinvacumab已經(jīng)進(jìn)入中國的臨床試驗，其他2種藥物還處于海外的早期研究階段。這些藥物的治療領(lǐng)域也不同，Ascrinvacumab和ALK-1/VEGF bispecific antibody主要針對實體瘤，TATX-21主要用于治療動脈硬化和心臟病。總之，ALK1作為一個全新的抗腫瘤血管新生的靶點，有望為心血管疾病、免疫系統(tǒng)疾病、腫瘤等研究帶來新的突破和進(jìn)展！
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參考文獻(xiàn)：
[1] Chovatiya, Gopal, et al. "Alk1 acts in non-endothelial VE-cadherin+ perineurial cells to maintain nerve branching during hair homeostasis." Nature Communications 14.1 (2023): 5623.
[2] Bierie, Brian, and Harold L. Moses. "TGF-β and cancer." Cytokine & growth factor reviews 17.1-2 (2006): 29-40.
[3] Tzavlaki, Kalliopi, and Aristidis Moustakas. "TGF-β Signaling." Biomolecules 10.3 (2020): 487.
[4] Vander Ark, Alexandra, Jingchen Cao, and Xiaohong Li. "TGF-β receptors: In and beyond TGF-β signaling." Cellular signalling 52 (2018): 112-120.
[5] Munoz-Felix, Jose M., Maria Gonzalez-Nunez, and Jose M. Lopez-Novoa. "ALK1-Smad1/5 signaling pathway in fibrosis development: friend or foe?." Cytokine & growth factor reviews 24.6 (2013): 523-537.
[6] Bhave, Shreyas, et al. "ALK1 Deficiency Impairs the Wound-Healing Process and Increases Mortality in Murine Model of Myocardial Infarction." Journal of Cardiovascular Translational Research (2023): 1-9.
[7] Li, Kefei Nina, et al. "Blood endothelial ALK1‐BMP4 signaling axis regulates adult hair follicle stem cell activation." The EMBO Journal (2023): e112196.
[8] Johnston, E. D., W. Wang, and K. Lyons. "A single-cell rna sequencing analysis of alk1 and related bmp pathway proteins in osteoarthritis progression." Osteoarthritis and Cartilage 31.5 (2023): 673-674.
[9] Chu, Kit Yee. Elucidating the Role of the TGF-β Superfamily Signaling in Pulmonary Vascular Cell Proliferation. Diss. Michigan State University, 2023.
[10] Finnson, Kenneth W., et al. "ALK1 opposes ALK5/Smad3 signaling and expression of extracellular matrix components in human chondrocytes." Journal of bone and mineral research 23.6 (2008): 896-906.
[11] Hawinkels, Lukas JAC, Amaya Garcia de Vinuesa, and Peter Ten Dijke. "Activin receptor-like kinase 1 as a target for anti-angiogenesis therapy." Expert opinion on investigational drugs 22.11 (2013): 1371-1383.
[12] Kulikauskas, Molly R., et al. "Endothelial Cell SMAD6 Balances ACVRL1/Alk1 Function to Regulate Adherens Junctions and Hepatic Vascular Development." bioRxiv (2023): 2023-03.
[13] Duerig, Inga, et al. "Nonfunctional TGF-β/ALK1/ENG signaling pathway supports neutrophil proangiogenic activity in hereditary hemorrhagic telangiectasia." Journal of Leukocyte Biology 114.6 (2023): 639-650.
[14] Morris, Erin, et al. "Endoglin promotes TGF‐β/Smad1 signaling in scleroderma fibroblasts." Journal of cellular physiology 226.12 (2011): 3340-3348.
[15] Lu, Xiaolin, et al. "ACVRL1 drives resistance to multitarget tyrosine kinase inhibitors in colorectal cancer by promoting USP15-mediated GPX2 stabilization." BMC medicine 21.1 (2023): 366.
[16] Abou‐Alfa, Ghassan K., et al. "A phase Ib, open‐label study of dalantercept, an activin receptor‐like kinase 1 ligand trap, plus sorafenib in advanced hepatocellular carcinoma." The Oncologist 24.2 (2019): 161-e70.
[17] Casaluce, Francesca, et al. "ALK inhibitors: a new targeted therapy in the treatment of advanced NSCLC." Targeted oncology 8 (2013): 55-67.
[18] Cacheaux, Luisa. A Novel Role for TGF-Beta Signaling in Epileptogenesis. Diss. UC Berkeley, 2010.
[19] Ma, Dongying, et al. "The LRG-TGF-β-Alk-1/TGF?RII-Smads as Predictive Biomarkers of Chronic Hydrocephalus after Aneurysmal Subarachnoid Hemorrhage." Journal of Neurological Surgery Part A: Central European Neurosurgery (2023).
[20] Seong, Chang‐Hwan, et al. "Early induction of Hes1 by bone morphogenetic protein 9 plays a regulatory role in osteoblastic differentiation of a mesenchymal stem cell line." Journal of Cellular Biochemistry 124.9 (2023): 1366-1378.
