The crystal structure of a dimeric 2:2:2 FGF:FGFR:heparin ternary complex at 3 Å resolution has been determined. Within each 1:1 FGF:FGFR complex, heparin makes numerous contacts with both FGF and FGFR, thereby augmenting FGF-FGFR binding. Heparin also interacts with FGFR in the adjoining 1:1 FGF:FGFR complex to promote FGFR dimerization. The 6-O-sulfate group of heparin plays a pivotal role in mediating both interactions. The unexpected stoichiometry of heparin binding in the structure led us to propose a revised model for FGFR dimerization. Biochemical data in support of this model are also presented. This model provides a structural basis for FGFR activation by small molecule heparin analogs and may facilitate the design of heparin mimetics capable of modulating FGF signaling.

Heparin is required for the binding of basic fibroblast growth factor (bFGF) to high-affinity receptors on cells deficient in cell surface heparan sulfate proteoglycan. So that this heparin requirement could be evaluated in the absence of other cell surface molecules, we designed a simple assay based on a genetically engineered soluble form of murine FGF receptor 1 (mFR1) tagged with placental alkaline phosphatase. Using this assay, we showed that FGF-receptor binding has an absolute requirement for heparin. By using a cytokine-dependent lymphoid cell line engineered to express mFR1, we also showed that FGF-induced mitogenic activity is heparin dependent. Furthermore, we tested a series of small heparin oligosaccharides of defined lengths for their abilities to support bFGF-receptor binding and biologic activity. We found that a heparin oligosaccharide with as few as eight sugar residues is sufficient to support these activities. We also demonstrated that heparin facilitates FGF dimerization, a property that may be important for receptor activation.

The gene for fibroblast growth factor receptor-2 (FGFR2) encodes two splice variants designated here as keratinocyte growth factor (KGFR) and bek. Their ligand-binding specificity is markedly different due to mutually exclusive alternative splicing. We asked whether alternative exon usage, in addition to influencing receptor specificity, could be correlated with transcriptional localization. This problem was studied by in situ hybridization and PCR, using probes and primers specific for the alternative exons of FGFR2. Transcripts of both variants were detected in all three germ layers within the embryonic and the extraembryonic areas of the primitive-streak embryo. The overall level of KGFR expression surpassed that of bek. The localized expression of both variant receptors was, however, more diffuse in the gastrula than later during organogenesis, when KGFR transcripts were evident mainly in epithelia, whereas bek was present in the corresponding mesenchymes. Our findings show the following: (1) Expression of both FGFR2 variants is concordant with their involvement in murine gastrulation. They may endow competence to multiple areas, which may be restricted by their more confined ligands. (2) KGFR and bek seem to have unique roles in the development of the skin and its derivatives, whereas bek is preferentially expressed during osteogenesis. The two variants share potential regions of trans regulation in the genome; hence, we suggest that alternative splicing is jointly responsible for ligand binding and spatial specificity. (3) Finally, we defined the binding specificity of KGFR and bek to various FGF. The possibility of identifying specific functional areas for certain ligand-receptor pairs is discussed.

A survey of defined species of cell surface and extracellular matrix heparan sulfate proteoglycans (HSPG) was performed in a search for cellular proteoglycans that can promote bFGF receptor binding and biological activity. Of the various affinity-purified HSPGs tested, perlecan, the large basement membrane HSPG, is found to induce high affinity binding of bFGF both to cells deficient in HS and to soluble FGF receptors. Heparin-dependent mitogenic activity of bFGF is strongly augmented by perlecan. Monoclonal antibodies to perlecan extract the receptor binding promoting activity from active HSPG preparations. In a rabbit ear model for in vivo angiogenesis, perlecan is a potent inducer of bFGF-mediated neovascularization. These results identify perlecan as a major candidate for a bFGF low affinity, accessory receptor and an angiogenic modulator.

Since 1989, the receptors for fibroblast growth factors (FGFs) were cloned and characterized as a subgroup of the family of receptor tyrosine kinases. Four FGF receptor genes were identified, all of which encode membrane-bound glycoproteins containing three immunoglobulin (Ig) -like domains at the extracellular region, where only two of these domains are involved in ligand binding. Three unique features characterize the FGF receptors: 1) overlapping recognition and redundant specificity, where one receptor may bind with a similar affinity several of the seven known FGFs and one FGF may bind similarly to several distinct receptors. 2) The binding of FGFs to their receptors is dependent on the interaction of FGF with cell surface heparan sulfate proteoglycans. 3) A multitude of isoforms of cell-bound or secreted receptors are produced by the same gene. The gene structure of these receptors revealed two major mechanisms that are responsible for the formation of the diverse forms: alternative mRNA splicing, resulting in deletions or alternate exons usage, and internal polyadenylation, resulting in truncated products. These are reminiscent of mechanisms that also operate in the immunoglobulin family to generate diversity and to produce either secreted or cell-bound molecules. Tissue-specific alternative splicing in FGF receptors allows for the generation of two distinct receptors from a single gene because alternative exons determine the sequence of the COOH-terminal half of the third Ig-like domain involved in ligand binding. This represents a novel genetic mechanism to generate receptor diversity and specificity and to increase receptor repertoire.

ABSTRACT Developmental expression of two closely related fibroblast growth factor receptors, bek and fig, is described from early postimplantation until advanced organogenesis. Transcripts of bek and fig were first seen in the primitive ectoderm of egg-cylinder-stage embryos. Later, starting with somitogenesis, and then throughout embryogenesis, they were actively transcribed both in the mesoderm and neuroectoderm. Bek was expressed also in the surface ectoderm and in various epithelia, whereas flg expression was restricted mainly to the mesenchyme. In the limb bud bek transcripts displayed a gradient-like distribution and appeared earlier than flg. The two receptors, in contrast to their almost identical ligand binding specificity, displayed distinct spatial specificities throughout development, suggesting that developmental localization may contribute to functional specificity. The role of bek and flg in gastrulation and in epithelial-mesenchymal interactions of organogenesis will be discussed.