ALK2与BMP6的冷冻电镜结构揭示其双向配体结合机制：骨形态发生蛋白与激活素信号通路的独特互作模式

（编辑推荐）本研究通过冷冻电镜解析ALK2:BMP6复合物结构，首次阐明ALK2作为TGF-β家族中唯一能同时结合BMP和激活素（ActA）的I型受体，其通过糖基化依赖的腕部螺旋稳定机制（BMP6）与指尖区互作（ActA）实现"混合受体"功能，为骨建模异常（如FOP）和信号调控紊乱疾病提供分子靶点。

　　

Significance

激活素受体样激酶2（ALK2）作为TGF-β家族中的特殊成员，能同时结合骨形态发生蛋白（BMP）和激活素两类配体。与BMP配体结合时，ALK2通过SMAD1/5/8信号通路参与骨建模；而与激活素结合时则形成非信号复合物负调控信号。本研究首次揭示ALK2与优选配体BMP6的结合依赖于糖基化稳定的腕部-螺旋结构，而非类似受体ALK3的电荷相互作用。同时发现ALK2与激活素A（ActA）的结合仅需单一受体-配体界面互作，这些发现为理解ALK2的双重配体识别机制提供了结构基础。

Abstract

TGF-β家族配体通过桥接两个I型和两个II型受体传递信号。在七种TGF-β I型受体中，ALK2是唯一能同时结合激活素和BMP配体的受体。本研究通过冷冻电镜解析了ALK2与II型受体ActRIIB、配体BMP6的三元复合物结构，并与ALK3复合物进行对比。结构显示ALK2和ALK3通过不同机制结合BMP6的腕部界面：ALK2依赖BMP6糖基化，而ALK3依赖盐桥。对ALK2:ActA的建模表明其结合依赖于ActA指尖区，类似于ActA与ALK4的互作模式。这些结果证实ALK2是一种"混合受体"，兼具ALK3（腕部界面）和ALK4（指尖界面）的特征。

Results

ALK2-ActRIIB和ALK3-ActRIIB与BMP6的高亲和力结合

为解决ALK2低亲和力难题，研究团队设计将ALK2与高亲和力II型受体ActRIIB融合。表面等离子共振（SPR）显示，异源二聚体陷阱（ALK2-ActRIIB-Fc和ALK3-ActRIIB-Fc）对BMP6的结合亲和力与ActRIIB₂-Fc相当（36.6 pM vs 42.1 pM），显著高于单臂ActRIIB₁-Fc（108 pM）。

冷冻电镜解析ALK2-ActRIIB和ALK3-ActRIIB与BMP6复合物

去除Fc片段后获得3.2?分辨率的ALK2-ActRIIB:BMP6结构，清晰显示ALK2（31-109）、ActRIIB（26-118）和BMP6成熟域（410-513）的相互作用。BMP6呈现典型的"双手"二聚体结构，II型受体结合于β-带凸面（指节），I型受体结合于由手指和腕部螺旋构成的凹面复合界面。

BMP6与ActRIIB、ALK2和ALK3的结合差异

结构比较发现，ALK3结合时BMP6埋藏表面积更大（1,325.4 ?² vs ALK2的1,113.8 ?²）。关键区别在于：ALK2通过β2β3环与BMP6带电荷口袋形成极性相互作用（Ser⁴¹/Asn⁶⁰/Asp⁶⁰），而ALK3的β2β3环位置偏移27°；ALK3通过Gln¹¹⁷结合BMP6后螺旋环的Asn⁴⁶⁹，这是ALK2不具备的特征。

BMP6前螺旋环糖基化稳定ALK2相互作用

实验证实仅糖基化BMP6能激活ALK2信号。冷冻电镜结构显示BMP6的Asn⁴⁵⁴糖链通过疏水作用（His⁴⁵²）和氢键（Lys⁴⁸²）稳定前螺旋环构象，但未与ALK2直接接触。相比之下，ALK3通过Asp⁶⁹与BMP6 Arg⁴¹³形成盐桥稳定界面。将ALK3的β1β2环替换为ALK2同源序列后，其对去糖基化BMP6的结合能力显著降低，证实两种受体采用不同稳定策略。

ActA与ALK2结合依赖独特的指尖-β4β5环互作

AlphaFold建模显示，ALK2的β4β5环额外螺旋转折使Tyr⁷⁴更接近配体指尖，与ActA的Asp⁴⁰⁶形成氢键。在FOP突变体ALK2.R206H细胞中，Tyr⁷⁴突变（Y74A/Y74V/Y74E）可特异性消除ActA信号而不影响BMP6响应，证实该残基对激活素选择性结合的关键作用。

Discussion

ALK2作为能结合BMP和激活素的双重受体，其腕部界面采用类似ALK3的糖基化依赖机制，而指尖界面则模仿ALK4的激活素识别模式。BMP6糖基化状态的调控可能通过影响ALK2（非ALK3）信号传导发挥生理调节作用。进化分析显示，ALK2与激活素的互作能力可能在硬骨形成过程中获得，其果蝇同源物Saxophone仅保留BMP调控功能。这些发现不仅阐明ALK2的独特配体识别机制，也为FOP等骨代谢疾病治疗提供新思路。

Methods

研究采用CHO细胞表达受体陷阱，通过Fc-Star或杵臼策略（knob-in-hole）促进异源二聚体形成。冷冻电镜数据在Titan Krios G3i上收集，使用cryoSPARC v4处理。SPR分析在CM4芯片上进行，采用1:1结合模型。细胞实验采用HEK293报告基因系统和基因编辑的mESCs，通过Western blot检测pSmad1/5/8信号激活。