DLK1 blockiert den muskelalternden Rezeptor ACVR2B – nicht Notch, wie lange geglaubt

DLK1 (Delta-like non-canonical Notch ligand 1) wurde lange Zeit als Regulator der Entwicklung betrachtet – einschließlich Myogenese, Adipogenese und Neurogenese – der primär durch Hemmung des Notch-Signalwegs wirkt. Die molekulare Grundlage dieser Annahme stützte sich jedoch größtenteils auf indirekte Befunde sowie auf Hefe-Zwei-Hybrid-Daten, die unter nicht-physiologischen Bedingungen gewonnen wurden. Diese Studie stellt dieses Paradigma auf struktureller und funktioneller Ebene in Frage.

Mithilfe von Oberflächenplasmonresonanz (SPR), Durchflusszytometrie und fluoreszenzbasierten Reporterassays zeigten die Autoren eindeutig, dass DLK1 weder an NOTCH1, NOTCH2 noch NOTCH3 bindet und dass weder immobilisiertes noch lösliches DLK1 den ligandinduzierten Notch-Signalweg aktiviert oder hemmt. Die Sequenzanalyse bestätigte, dass DLK1 die für kanonische Notch-Liganden-Interaktionen erforderlichen C2- und DSL-Domänen fehlen und dass die hydrophoben Notch-bindenden Reste in JAG1 in DLK1 durch kleinere Aminosäuren ersetzt sind.

Durch Auswertung der Bioplex 3.0-Protein-Protein-Interaktionsdatenbank identifizierten die Forscher ACVR2B – einen Typ-II-Rezeptor der TGF-β-Superfamilie – als einzigen bekannten Zelloberflächenrezeptor unter den Kandidaten-Bindungspartnern von DLK1. SPR bestätigte eine direkte Interaktion mit einer Dissoziationskonstante (KD) von ~1,4 µM. Ein Hefe-Oberflächenanzeigescreen gegen 12 Rezeptoren der TGF-β-Superfamilie zeigte, dass DLK1 ausschließlich an ACVR2B bindet – eine bemerkenswerte Selektivität im Vergleich zu promiskuitiven TGF-β-Liganden wie Activin oder BMP-2.

Die Kristallstruktur des DLK1-EGF4-6-Fragments im Komplex mit der extrazellulären Domäne von ACVR2B zeigte, dass DLK1 die kanonische Ligandenbindungsstelle von ACVR2B besetzt. EGF5 von DLK1 fügt eine hydrophobe „Finger-Schleife" in eine konservierte hydrophobe Tasche von ACVR2B ein – dieselbe Bindungsstelle, die auch von Myostatin und Activin genutzt wird. In Funktionsassays antagonisierte DLK1 den Myostatin-ACVR2B-Signalweg (durch Blockade der SMAD2/3-Phosphorylierung) und förderte die Myoblasten-Differenzierung in C2C12-Zellen, was die etablierten Effekte einer ACVR2B-Inhibition im Muskel phänokopiert.

Schließlich zeigten die Autoren, dass der indirekte Einfluss von DLK1 auf Notch-Signalausgaben durch die Störung der Co-Lokalisierung von SMAD2/3 und der intrazellulären Notch-Domäne (NICD) vermittelt wird – einem bekannten Crosstalk-Mechanismus – und nicht durch direkte Notch-Rezeptorbindung. Dies lässt sich mit widersprüchlichen Berichten, die DLK1 mit Notch-Phänotypen in Verbindung bringen, vereinbaren, ohne eine direkte physische Interaktion vorauszusetzen. In therapeutischer Hinsicht positionieren diese Befunde DLK1 als natürliche endogene Bremse des Myostatin/Activin-Signalwegs mit Implikationen für Muskelatrophie, Sarkopenie und Krebs-Kachexie.