Dit artikel is opgesteld door prof. dr. P. ten Dijke, verbonden aan het Leids Universitair Medisch Centrum. Prof. ten Dijke heeft ook een inleiding gehouden op het symposium in het conferentie centrum Woudschoten op 13 november 2009.

Afwijkend ALK2 eiwit in FOP patiënten maakt cellen overgevoelig voor BMP botgroei-factoren

Fibrodysplasia Ossificans Progressiva (FOP) patiënten hebben een mutatie in het alk2 gen, waardoor ze een afwijkend ALK2 eiwit (FOP-ALK2) produceren. Het ALK2 eiwit bevindt zich op het celoppervlak en geeft daar signalen door als cellen in aanraking komen met bepaalde botgroeifactoren, de zogenaamde Bone Morphogenetic Proteins (BMPs). Medewerkers van het Leids Universitair Medisch Centrum hebben nu ontdekt dat het FOP-ALK2 eiwit continu signalen kan afgeven, ook in afwezigheid van BMPs. Ook is aangetoond dat cellen met FOP-ALK2 overgevoelig zijn voor BMPs. Met deze resultaten is een systeem in muizen ontwikkeld dat gebruikt kan worden om medicijnen te testen die de overtollige botvorming in FOP patiënten zouden moeten tegengaan.

FOP patiënten hebben een afwijkend ALK 2 eiwit

In 2006 werd ontdekt dat patiënten met Fibrodysplasia Ossificans Progressiva (FOP) allemaal dezelfde afwijking (mutatie) in hun DNA hebben. Deze mutatie bevindt zich in het gen dat verantwoordelijk is voor de aanmaak van het eiwit ALK2, ook wel bekend als ACVR1. Door de DNA mutatie wijkt ook het ALK2 eiwit in FOP patiënten af van het ALK2 eiwit in gezonde personen. Eiwitten zijn opgebouwd uit aminozuren en in FOP patiënten bleek 1 van de 509 aminozuren van ALK2 veranderd te zijn. Het gevolg van deze ALK2 verandering voor de FOP patiënten was echter nog onduidelijk. Dit hebben wij nu in onze studie onderzocht en de resultaten hiervan zullen worden gepubliceerd in het Journal of Bone and Mineral Research.

ALK2 eiwitten en botvorming

Het ALK2 eiwit bevindt zich op de oppervlakte van cellen en bindt daar de zogenaamde Bone Morphogenetic Protein (BMP) groeifactoren. Deze groeifactoren zijn betrokken bij botvorming en spelen ondermeer een rol bij herstel van botbreuken. BMP kan bijvoorbeeld stamcellen uit bot-, kraakbeen-, spier- of vetweefsel aanzetten zich om te vormen (differentiëren) tot botvormende cellen. Ook zijn BMP groeifactoren in staat om spierweefsel tot bot te transformeren. Om dit te kunnen doen, moet het signaal dat BMP op het celoppervlak veroorzaakt stapsgewijs worden doorgegeven naar het binnenste deel van de cel (de celkern). Deze kan zich dan aanpassen en bijvoorbeeld botbestanddelen aan gaan aanmaken. Het ALK2 eiwit is een van de eerste schakels in de signaaloverdracht van BMP; na binding van BMP wordt ALK2 actief en stimuleert de cel om de botvorming op gang te brengen.

ALK2 wordt hyperactief door de mutatie in FOP patiënten

Aangezien in FOP patiënten spieren en pezen worden omgezet in bot, werd al langer verondersteld dat de normale werking van BMP groeifactoren in FOP patiënten verstoord is; met andere woorden dat BMP in FOP patiënten veel sterkere effecten heeft dan in gezonde personen. Dit zou veroorzaakt kunnen worden doordat het afwijkende ALK2 eiwit in FOP patiënten veel meer signaal doorgeeft dan in gezonde personen. Om dit te testen hebben wij het ALK2 eiwit zoals dat voorkomt in FOP patiënten (zogenaamd FOP-ALK2) nagemaakt en ingebracht in cellen. Deze cellen zijn vervolgens vergeleken met controle cellen die normaal ALK2 produceren. We hebben gevonden dat in cellen met het normale ALK2 alleen een BMP signaal waarneembaar is wanneer er voldoende BMP aanwezig is. In cellen met FOP-ALK2 bleek echter ook al een BMP signaal meetbaar in afwezigheid van BMP Bovendien konden we laten zien dat spiercellen en stamcellen met FOP-ALK2 al in aanwezigheid van een kleine hoeveelheid BMPs in botcellen veranderen. Wij hebben aangetoond dat dit komt doordat FOP-ALK2 ongevoelig is voor één van de in het lichaam aanwezige natuurlijke remmers van BMP.


Figuur: Voorlopercellen van de spier (C2C12) waarin ALK2-FOP is ingebracht zijn overgevoelig voor BMP6-geïnduceerde differentiatie naar botcellen. Normale cellen (control)  en ALK2-FOP-bevattende cellen werden gekweekt in af- of aanwezigheid van een geringe hoeveelheid BMP6 en na enkele dagen werd differentiatie naar botvormende (osteoblast) cellen gemeten. De intensiteit van paarskleuring is een maat voor de differentiatie.

Testsysteem voor mogelijke medicijnen

Een belangrijke vinding was ook dat wanneer we menselijke botstamcellen met FOP-ALK2 in muizen inbrachten, deze meer botweefsel vormden dan cellen met het normale ALK2. Daarmee hebben wij een systeem ontwikkeld dat gebruikt kan worden voor het testen van medicijnen die ongewenste botvorming veroorzaakt door FOP-ALK2 zouden moeten remmen.

Referentie:

van Dinther M, Visser N, de Gorter D, Doorn J, Goumans MJ, de Boer J, ten Dijke P. ALK2 R206H mutation linked to fibrodysplasia ossificans progressiva confers constitutive activity to BMP type I receptor and sensitizes mesenchymal cells to BMP-induced osteoblast differentiation and bone formation, J. Bone Min. Res., in press.