ALK4:ActRIIB异二聚体信号轴的协同抑制机制及其在配体选择性捕获中的应用

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ALK4与ActRIIB是转化生长因子-β（TGF-β）超家族信号通路中一对功能耦合的I型与II型跨膜丝氨酸/苏氨酸激酶受体。ActRIIB作为II型受体，其胞外区可高亲和力结合活化素（Activin）、GDF8（肌抑素）、GDF11等多种配体，并具有组成性激酶活性。与之对应，ALK4作为I型受体，其激活严格依赖于II型受体的调控，二者在配体存在下形成稳定的异源四聚体信号转导复合物。

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一、ALK4与ActRIIB：TGF-β超家族信号通路中的核心受体对

在该复合物中，配体首先与ActRIIB结合，进而招募并磷酸化ALK4胞内区高度保守的GS结构域，解除其自抑制状态。活化的ALK4进而特异性磷酸化下游信号介质SMAD2/3，引导其与SMAD4形成转录复合物并转位入核，调控靶基因表达。这一信号轴在胚胎发育、肌肉代谢稳态、红细胞生成及纤维化进程中发挥核心调控作用。

鉴于ALK4:ActRIIB受体对介导了GDF8等关键因子的肌肉生长抑制信号，该通路已成为治疗肌肉萎缩性疾病、代谢综合征及纤维化疾病的明星靶点。针对该系统的拮抗策略，包括可溶性受体陷阱和中和抗体，已在临床前及临床研究中展现出显著的治疗潜力。

阿塞勒隆制药公司申请了关于ALK4:ACTRIIB异多聚体和其用途的专利，该专利提供了可溶性异聚多肽复合物，其包含ALK4受体的细胞外结构域和ActRIIB的细胞外结构域。在某些方面，这样的可溶性ALK4:ActRIIB复合物可用于调节(促进或抑制)组织或细胞的生长，包括例如，肌肉、骨、软骨、脂肪、神经组织、肿瘤和/或癌细胞。在某些方面，这样的ALK4:ActRIIB复合物可用于改进肌肉形成、骨形成、代谢参数和与这些组织、细胞网络、肾和内分泌系统有关的病症。

二、ALK4:ACTRIIB异多聚体和其用途创新点概述

专利（CN107709357A）的核心创新在于开发了一种新型的可溶性异多聚体复合物，该复合物由ALK4（活化素受体样激酶4）的细胞外结构域与ActRIIB（活化素II型受体B）的细胞外结构域组成。与传统的同源二聚体（如ActRIIB-Fc同二聚体）相比，ALK4:ActRIIB异多聚体表现出独特的配体结合选择性：

增强的结合能力：对活化素A、活化素B、GDF8和GDF11等配体具有高亲和力；

显著减弱的结合能力：对BMP9、BMP10和GDF3的结合能力显著降低，尤其是对BMP9几乎不结合；

选择性信号抑制：在细胞模型中，该异多聚体能够有效抑制活化素A/B、GDF8和GDF11的信号传导，而对BMP9/BMP10的信号抑制能力大幅减弱。

这种配体选择性的转变使得ALK4:ActRIIB异多聚体成为一种更具靶向性的拮抗剂，适用于需要精准调控特定TGF-β超家族通路而不影响其他通路（如BMP9介导的血管生成）的疾病治疗场景。

三、ALK4:ACTRIIB异多聚体和其用途靶点筛选与表型筛选方法

1.靶点筛选策略

专利在靶点筛选方面采用了结构生物学与功能域分析相结合的方法：

结构域截断与功能验证：

通过对ALK4和ActRIIB的细胞外结构域进行系统截断（如ALK4的34–101位氨基酸、ActRIIB的29–109位氨基酸），确定了维持配体结合能力的核心区域；

利用半胱氨酸结结构（cysteine-knot motif）界定配体结合口袋，并通过突变分析验证关键残基（如ActRIIB中的L79不宜为酸性氨基酸）。

配体结合谱分析：

使用表面等离子共振（SPR）等技术系统评估了异多聚体与多种TGF-β配体（包括活化素、GDFs、BMPs）的结合动力学；

发现异多聚体对活化素B的亲和力强于同源二聚体，而对BMP9几乎无结合。

2.表型筛选方法

专利中采用了多层次表型筛选策略，包括：

细胞水平筛选：

使用SMAD报告基因系统（如A-204细胞系）评估异多聚体对下游信号通路（Smad2/3、Smad1/5/8）的抑制效果；

验证其在细胞模型中特异性抑制活化素A/B、GDF8、GDF11信号传导的能力。

动物模型验证：

在小鼠模型中评估异多聚体对肌肉、骨、脂肪组织代谢的影响；

在单侧输尿管梗阻（UUO）模型中验证其对肾纤维化、炎症和损伤的改善作用；

结果表明，异多聚体在促进肌肉生长、抑制脂肪积累、改善肾功能方面具有与ActRIIB同二聚体相当的效力，但避免了BMP9/BMP10通路抑制可能带来的血管生成副作用。

四、PROTAC与小分子治疗策略的拓展分析

尽管该专利主要聚焦于蛋白类异多聚体，但其揭示的ALK4:ActRIIB靶点机制为开发PROTAC与小分子治疗策略提供了重要基础：

PROTAC策略：

基于ALK4:ActRIIB复合物的结构信息，可设计双功能PROTAC分子，一端结合ALK4或ActRIIB，另一端招募E3泛素连接酶，诱导靶蛋白降解；

这种策略可用于增强靶向选择性，尤其是在需要彻底清除受体复合物的病理场景（如纤维化或肿瘤）；

例如，针对ALK4:ActRIIB信号异常激活的疾病，PROTAC可实现对通路的长效抑制，避免传统拮抗剂的耐药性问题。

小分子抑制剂策略：

通过高通量筛选或结构导向设计，开发能够特异性结合ALK4或ActRIIB胞外域的小分子拮抗剂；

小分子可靶向配体-受体相互作用界面，阻断活化素、GDF8/11等配体的结合；

优势在于口服生物利用度高、生产成本低，适用于慢性疾病（如肌肉萎缩、肥胖、糖尿病）的长期治疗；

结合该专利中揭示的配体选择性机制，小分子设计可优先针对异聚体界面，实现更精准的通路调控。

五、总结与展望

该专利通过构建ALK4:ActRIIB异多聚体，成功实现了一种高选择性、多功能的TGF-β超家族信号调节工具。其在靶点筛选上结合了结构生物学与功能验证，在表型筛选上涵盖了细胞与动物多层次模型，为治疗肌肉萎缩、肥胖、纤维化、肾病等疾病提供了新思路。

未来，基于该靶点的PROTAC与小分子开发有望进一步拓展其治疗潜力，尤其是在需要高选择性、长效作用的复杂疾病中。同时，该异多聚体平台也可与抗体、融合蛋白等生物制剂结合，构建更复杂的多特异性药物系统，实现更精准的疾病调控。

如何解决ActRIIB与ActRIIA酶活性抑制剂筛选试剂盒难题？

优爱生物基于其在TGF-β信号通路研究领域的深厚积累，精准推出了与CN107709357A专利核心靶点高度协同的系列研究工具。

该专利揭示了ALK4:ActRIIB异二聚体作为选择性配体陷阱的独特优势，其效力依赖于对ActRIIB和ALK4受体活性的精确调控。为此，优爱生物开发的ActRIIB与ActRIIA酶活性抑制剂筛选试剂盒，为科研人员提供了功能验证的关键工具，能够高效筛选和评估特异性靶向II型受体的候选化合物。同时，南京优爱其提供的高纯度ALK4靶点蛋白，则为研究I型受体的结构生物学、结合动力学及开发新型ALK4靶向药物奠定了坚实的物质基础。这一系列产品线与专利揭示的机制紧密结合，共同构成了一个从靶点验证到抑制剂发现的完整研究解决方案，将显著推动针对肌肉萎缩、纤维化及代谢性疾病的新型疗法开发进程。