THE PATHOGENIC K650M MUTATION IN THE TYROSINE KINASE DOMAIN OF FGFR3 AFFECTS CYTOSKELETON ORGANIZATION

Il recettore del fattore di crescita dei fibroblasti di tipo 3 (FGFR3) è un recettore transmembrana, avente attività tirosin-chinasica, esposto sulla superficie cellulare come monomero che dimerizza dopo legame specifico con i fattori di crescita dei fibroblasti (FGF). L’interazione FGF-FGFR3 porta ad autofosforilazione di specifici residui di tirosina (Tyr) presenti nel dominio tirosin-chinasico del recettore, evento cruciale per il reclutamento e l’attivazione di numerose proteine di segnalazione. FGFR3 ha un ruolo chiave nello sviluppo scheletrico come regolatore negativo dell'accrescimento delle ossa lunghe degli arti, inibendo la proliferazione e il differenziamento dei condrociti durante il processo di ossificazione endocondrale. In particolare, specifiche mutazioni germinali da “guadagno di funzione”, che rendono il recettore costitutivamente attivato, causano diverse displasie scheletriche. Nel presente studio, abbiamo esaminato le sostituzioni amminoacidiche K650M e K650E associate rispettivamente a due gravi displasie scheletriche, l’acondroplasia grave con ritardo dello sviluppo e acanthosis nigricans (SADDAN) e la displasia tanatofora di tipo II (TDII). In queste due sindromi, entrambe le mutazioni cadono nel dominio tirosin-chinasico di FGFR3 e portano all'attivazione costitutiva/ligando-indipendente del recettore. Studi precedenti hanno dimostrato che il recettore mutante, altamente fosforilato, non completa la sua biosintesi con conseguente accumulo della sua isoforma immatura di 120 kDa nel reticolo endoplasmatico, dal quale si attiva una trasduzione del segnale aberrante. Poiché diverse evidenze sperimentali indicano che le cellule trasfettate con il recettore mutante FGFR3-SADDAN mostrano una morfologia cellulare anomala, abbiamo ipotizzato che la trasduzione del segnale innescata da FGFR3-SADDAN potrebbe influenzare l'organizzazione dell’actina del citoscheletro. Quindi lo scopo del nostro studio è stato determinare, in vitro, il meccanismo molecolare attivato dal recettore FGFR3-SADDAN. Al fine di identificare i partner molecolari del mutante SADDAN coinvolti nelle alterazioni del citoscheletro, abbiamo analizzato la paxillina, una proteina citoscheletrica che svolge un ruolo critico nel controllo della riorganizzazione del citoscheletro e quindi dei cambiamenti della morfologia cellulare che sono necessari per la migrazione e la proliferazione cellulare. Abbiamo osservato che l'espressione del mutante SADDAN provoca una drastica alterazione dell'organizzazione della actina del citoscheletro, evento associato ad un aumento della fosforilazione della paxillina sulla tirosina 118 (Tyr118), un noto bersaglio delle chinasi FAK e c-Src. In aggiunta, mediante studi di immunofluorescenza, abbiamo osservato che il recettore SADDAN co-localizza parzialmente con la paxillina fosforilata all'interno della cellula. Abbiamo dimostrato, inoltre, che l'attività chinasica del recettore mutante SADDAN è richiesta per l’iperfosforilazione di paxillina. La presenza del mutante TDII, al contrario, non induce alterazioni della fosforilazione di paxillina, suggerendo dunque che le due varianti patologiche del recettore attivano un differente meccanismo molecolare. Abbiamo dimostrato, inoltre, che PLC-γ1, un effettore a valle della via di trasduzione del segnale attivata da FGFR3, svolge un ruolo nell’iperfosforilazione di paxillina. In modo particolare, i nostri dati mostrano che il recettore SADDAN promuove l’incremento della fosforilazione di paxillina mediante l'attivazione di c-Src e FAK. Complessivamente, i risultati del nostro studio contribuiscono a chiarire gli eventi molecolari che portano alla disorganizzazione dell’actina del citoscheletro causata dal mutante SADDAN.

Fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) is a transmembrane tyrosine kinase receptor, exposed on cell surface as monomer that dimerizes upon specific binding with fibroblast growth factors (FGFs). The FGF-FGFR3 interaction results in tyrosine (Tyr) autophosphorylation within activation loop of FGFR3 tyrosine kinase domain, crucial event for the recruitment and activation of several signalling proteins. FGFR3 plays a key role in skeletal development as negative regulator of bone elongation by inhibiting the proliferation and differentiation of chondrocytes during the endochondral ossification. Accordingly, specific germline activating mutations in the FGFR3 gene cause several skeletal dysplasias. In the present study, we examined the Lys650Met (K650M) and Lys650Glu (K650E) amino acid substitutions associated with two severe skeletal disorders, respectively, severe achondroplasia with developmental delay and acanthosis nigricans (SADDAN) and thanatophoric dysplasia type II (TDII). In these disorders, both substitutions are located in the FGFR3 kinase activation loop domain and lead to ligand-independent/constitutive activation of the receptor. Previous studies have shown that the highly phosphorylated mutant receptor does not complete its biosynthesis resulting in the accumulation of the 120-kDa immature isoform in the endoplasmic reticulum, from where an aberrant signalling is triggered. Since several experimental evidences indicated that cells transfected with SADDAN-FGFR3 construct show an abnormal cellular morphology, we hypothesized that the anomalous FGFR3 signalling could affect actin cytoskeleton organization. Accordingly, the aim of this study was to define, in vitro, the molecular mechanism triggered by SADDAN-FGFR3 signalling. To identify SADDAN-FGFR3 molecular partners involved in cytoskeleton alterations, we focused on paxillin, a focal adhesion-associated protein playing a crucial role in the control of cell morphology changes and cytoskeleton reorganization both required for cell migration and proliferation. We observed that the expression of the SADDAN-FGFR3 mutant causes drastic changes in actin cytoskeleton organization, event associated with an increase of paxillin phosphorylation at Tyr118, a well-known target of FAK and c-Src kinases. In addition, by immunofluorescence analysis we revealed that the SADDAN receptor partially colocalizes with phosphorylated paxillin. Moreover, we showed that paxillin hyper-phosphorylation requires the kinase activity of the SADDAN mutant receptor. Interestingly, we observed that paxillin is a specific target for SADDAN-FGFR3 since TDII-FGFR3 does not increase paxillin phosphorylation. Furthermore, we showed that PLC-γ1, a downstream effector of FGFR3 signalling, plays a role in paxillin hyper-phosphorylation. Interestingly, our results indicate that SADDAN-FGFR3 receptor enhances paxillin phosphorylation through c-Src and FAK activation. Overall our findings contribute to elucidate the molecular events leading to actin cytoskeleton disorganization by SADDAN-FGFR3 signalling pathway.