Signaling pathways between cell surface receptors and the BCL-2 family of proteins regulate cell death. Survival factors induce the phosphorylation and inactivation of BAD, a proapoptotic member. Purification of BAD kinase(s) identified membrane-based cAMP-dependent protein kinase (PKA) as a BAD Ser-112 (S112) site-specific kinase. PKA-specific inhibitors blocked the IL-3-induced phosphorylation on S112 of endogenous BAD as well as mitochondria-based BAD S112 kinase activity. A blocking peptide that disrupts type II PKA holoenzyme association with A-kinase-anchoring proteins (AKAPs) also inhibited BAD phosphorylation and eliminated the BAD S112 kinase activity at mitochondria. Thus, the anchoring of PKA to mitochondria represents a focused subcellular kinase/substrate interaction that inactivates BAD at its target organelle in response to a survival factor.

Fibrodysplasia ossificans progressiva (FOP) is a rare genetic disorder characterized by episodically exuberant heterotopic ossification (HO), whereby skeletal muscle is abnormally converted into misplaced, but histologically normal bone. This HO leads to progressive immobility with catastrophic consequences, including death by asphyxiation. FOP results from mutations in the intracellular domain of the type I BMP (bone morphogenetic protein) receptor ACVR1; the most common mutation alters arginine 206 to histidine (ACVR1(R206H)) and has been thought to drive inappropriate bone formation as a result of receptor hyperactivity. We unexpectedly found that this mutation rendered ACVR1 responsive to the activin family of ligands, which generally antagonize BMP signaling through ACVR1 but cannot normally induce bone formation. To test the implications of this finding in vivo, we engineered mice to carry the Acvr1(R206H) mutation. Because mice that constitutively express Acvr1[R206H] die perinatally, we generated a genetically humanized conditional-on knock-in model for this mutation. When Acvr1[R206H] expression was induced, mice developed HO resembling that of FOP; HO could also be triggered by activin A administration in this mouse model of FOP but not in wild-type controls. Finally, HO was blocked by broad-acting BMP blockers, as well as by a fully human antibody specific to activin A. Our results suggest that ACVR1(R206H) causes FOP by gaining responsiveness to the normally antagonistic ligand activin A, demonstrating that this ligand is necessary and sufficient for driving HO in a genetically accurate model of FOP; hence, our human antibody to activin A represents a potential therapeutic approach for FOP.

Abstract Fibrodysplasia ossificans progressiva (FOP) is a rare genetic disorder whose most debilitating pathology is progressive and cumulative heterotopic ossification (HO) of skeletal muscles, ligaments, tendons, and fascia. FOP is caused by mutations in the type I BMP receptor gene ACVR1 , which enable ACVR1 to utilize its natural antagonist, Activin A, as an agonistic ligand. The physiological relevance of this property is underscored by the fact that HO in FOP is exquisitely dependent on activation of FOP-mutant ACVR1 by Activin A, an effect countered by inhibition of Activin A via monoclonal antibody treatment. Hence, we surmised that ACVR1 antibodies that block activation of ACVR1 by ligand should also inhibit HO in FOP and provide an additional therapeutic option for this condition. Therefore, we generated ACVR1 monoclonal antibodies that block ACVR1’s activation by its ligands. Surprisingly, in vivo , these ACVR1 antibodies stimulate HO and activate signaling of FOP-mutant ACVR1. This property is restricted to FOP-mutant ACVR1 and results from ACVR1 antibody-mediated dimerization of ACVR1. Conversely, wild type ACVR1 is inhibited by ACVR1 antibodies. These results uncover an additional novel property of FOP-mutant ACVR1 and indicate that ACVR1 antibodies should not be considered as therapeutics for FOP.

Abstract Mitochondria are vital organelles that coordinate cellular energy homeostasis and have important roles in cell death. Therefore, the removal of damaged or excessive mitochondria is critical for maintaining proper cellular function. The PINK1-Parkin pathway removes acutely damaged mitochondria through a well-characterized mitophagy pathway, but basal mitochondrial turnover occurs via distinct and less well-understood mechanisms. Here we report that the MEKK3-MEK5-ERK5 kinase cascade is required for mitochondrial degradation in the absence of exogenous damage. We demonstrate that genetic or pharmacological inhibition of the MEKK3-MEK5-ERK5 pathway increases mitochondrial content by reducing lysosome-mediated degradation of mitochondria under basal conditions. We show that the MEKK3-MEK5-ERK5 pathway plays a selective role in basal mitochondrial degradation but is not required for non-selective bulk autophagy, damage-induced mitophagy, or restraint of mitochondrial biogenesis. This illuminates the MEKK3-MEK5-ERK5 pathway as a positive regulator of mitochondrial degradation that acts independently of exogenous mitochondrial stressors.