Významně odlišné klinické fenotypy spojené s mutacemi v genech pro syntézu a transamidázu+remodeling biosyntézy glykosylfosfatidylinositolu (GPI)-kotvy

V této práci, předkládáme výpočetní analýzu, která se zabývá otázkou, zda existují rozdíly ve fenotypovém spektru onemocnění spojených s geny ve fázích syntézy a transamidázy+přemodelování biosyntézy GPI kotvy (obr. 1). Nejprve jsme provedli komplexní literární přehled všech publikovaných kazuistik o jedincích, u nichž byla diagnostikována onemocnění způsobená variantami v genu dráhy GPI kotvy. Poté jsme pomocí termínů z HPO extrahovali informace o pacientovi, informace o mutaci (mutacích) a všechny fenotypové údaje o každém pacientovi (tabulky 1 a 2). Do této studie byly zahrnuty klinické údaje z 58 publikací, které zahrnovaly celkem 152 jednotlivých pacientů, u nichž byly k dispozici podrobné fenotypové popisy, představující IGD spojené s celkem 22 geny zapojenými do dráhy biosyntézy GPI (Doplňkový soubor 1: Tabulka S1).

Fenotypy syntézy vs. transamidázy + remodelace

Dráhu biosyntézy GPI jsme rozdělili na fáze syntézy a transamidázy + remodelace. Enzymy ve skupině Syntéza zprostředkovávají sestavení páteře prekurzoru GPI v membráně endoplazmatického retikula (ER). Enzymy ve skupině Transamidase+Remodeling usnadňují připojení GPI k C-konci nově syntetizovaného proteinu v lumen ER, odštěpení C-koncového signálního peptidu přidávajícího GPI a umožňují modifikace lipidových a sacharidových postranních řetězců, které regulují přenos GPI-AP z ER do plazmatické membrány (obr. 1). 1, tabulky 1 a 2).

Srovnávali jsme fenotypové abnormality u pacientů s mutacemi v genech pro syntézu a transamidázu + remodelační skupinu. Několik fenotypů skeletu se významně častěji vyskytovalo u pacientů s mutacemi ve fázi Synthesis biosyntetické dráhy (Synthesis Group). Ve skupině Synthesis Group se častěji (u 33 % pacientů) vyskytovala abnormální morfologie číslic (termíny HPO uvedené kurzívou). Dalšími fenotypy pozorovanými u pacientů Synthesis Group byly Absence distálních prstních článků, aplazie/hypoplazie prstů, krátká číslice, široký prst a široký palec, paličkovitost, klinodaktylie a další abnormality (tabulka 3). U pacientů ze skupiny Transamidase+Remodeling Group (pacienti s mutacemi v genech pozdějšího stadia) se méně často vyskytovala Abnormální morfologie číslic (6,7 %, tabulka 3). Například pacienti ze skupiny Synthesis Group mají statisticky častěji Krátkou číslici (24 % pacientů), zatímco ve skupině Transamidase+Remodeling Group byla Krátká číslice uvedena pouze u jednoho jedince (< 2 %) (tabulka 3).

U pacientů ze skupiny Syntéza byla navíc významně vyšší pravděpodobnost výskytu Abnormální morfologie svalů, Abnormální morfologie šlach a/nebo Abnormální morfologie kloubů. To se týkalo především termínu flekční kontraktury nebo jejich potomků (obr. 2). Osmnáct z devadesáti tří pacientů ve skupině Synthesis mělo flekční kontrakturu jednoho nebo více kloubů (potomek flekční kontraktury). „Kontraktura“ je zkrácení nebo ztvrdnutí svalu nebo šlachy, které vede ke ztrátě pohyblivosti daného kloubu, a proto je uvedena v hierarchii svalů, šlach a kloubů HPO. Kromě flekčních kontraktur přidává těmto nadřazeným třídám význam ještě několik dalších typů fenotypů. Jeden pacient skupiny Synthesis vykazoval Abnormality Achillovy šlachy, což je potomek třídy Abnormální morfologie šlach. Co se týče Abnormality morfologie kloubů, jeden pacient měl Axillary pterygia, což je přítomnost kožní membrány v podpaží . Kromě toho mělo několik pacientů ze skupiny Synthesis a jeden pacient ze skupiny Transamidase+Remodeling hypermobilitu kloubů (tabulky 1 a 2). Kromě kontraktur přispělo k tomu, že fenotyp Abnormální svalová morfologie byl ve skupině Synthesis Group výrazně vyšší, několik dalších pozorovaných fenotypů. Mezi tyto fenotypy patří svalová dystrofie, kamptodaktylie, generalizovaná amyotrofie, makroglosie, myopatie, okrajové vakuoly, štěpení svalových vláken, atrofie kosterního svalu, abnormální exprese svalů a vláken dystrofinu. U dvou pacientů skupiny Transamidase+Remodeling byla zaznamenána Abnormální svalová morfologie, ale tato skupina se liší v typech zaznamenaných fenotypů (atrofie kosterního svalu a zvýšený obsah svalových lipidů).

Pacienti skupiny Transamidase+Remodeling celkově vykazovali rozmanitější fenotypové abnormality, které selektivně postihovaly tuto populaci na rozdíl od skupiny Synthesis (tabulky 3 a 4). Nejčastější změny se týkaly vývoje kostí a obličeje a neurovývojových poruch. Frekvence výskytu Abnormality hustoty kostí je významně vyšší u pacientů skupiny Transamidase+Remodeling ve srovnání s pacienty skupiny Synthesis. Osteopenie, snížení hustoty kostních minerálů pod normální hodnotu, ale ne tak závažné jako osteoporóza, se vyskytla u 22 % pacientů skupiny Transamidase+Remodeling Group, zatímco ve skupině Synthesis Group byla osteopenie zaznamenána pouze u 2 % pacientů. Osteopenie se téměř zcela podílí na významu zjištěném u Snížené hustoty kostních minerálů (termín rodičů), Abnormality hustoty kostních minerálů (termín prarodičů), Abnormální kostní osifikace (termín praprarodičů) a Abnormální struktury kostí (termín praprarodičů) u pacientů skupiny Transamidase+Remodeling. Jedinými dalšími pozorovanými fenotypy Abnormální kostní struktury byla tenká kostní kůra pozorovaná u jednoho pacienta ve skupině Synthesis , a u dvou pacientů byla pozorována Snížená hustota kostních minerálů a u jednoho pacienta ve skupině Transamidase+Remodeling Osteoporóza (tabulka 4).

Podobně je u pacientů ve skupině Transamidáza+Remodeling, převážně u pacientů s mutacemi PGAP3, významně vyšší pravděpodobnost výskytu Makrotie. Pacienti ze skupiny Transamidáza+Remodeling byli klasifikováni jako pacienti s makrocií (velké uši větší než 2x směrodatná odchylka) v 25 % případů, zatímco u pacientů ze skupiny Syntéza byl tento výskyt pouze 2 %. Naprostá většina těchto pacientů skupiny Transamidase+Remodeling Group byla popsána konkrétně jako pacienti s velkýma masitýma ušima, dítě Makrotie (tabulka 4).

Další vývojové abnormality obličeje zjištěné u pacientů skupiny Transamidase+Remodeling Group byly Abnormální morfologie tvrdého patra a jeho dětský termín, rozštěp patra. Oba fenotypy se vyskytovaly s významně vyšší frekvencí ve skupině Transamidáza+Remodeling ve srovnání se skupinou Syntéza (29 % vs. 6 % pacientů) (tab. 4, obr. 2). Rozštěp patra byl převládajícím fenotypem identifikovaným u 16 pacientů skupiny Transamidáza+Remodeling (oproti 6 pacientům ve skupině Syntéza), což vedlo k tomu, že jak Abnormální morfologie tvrdého patra, tak rozštěp patra dosáhly významu. U dvou pacientů ve skupině Transamidase+Remodeling Group byl navíc popsán rozštěp rtu a patra Median, pravnuk rozštěpu patra, což rovněž přispělo k významnosti těchto dvou fenotypů (tab. 4, obr. 2). Vzhledem k tomu, že termín rozštěp patra má v HPO více rodičů, byl rozštěp dutiny ústní rovněž identifikován jako selektivně obohacený u pacientů ze skupiny Transamidase+Remodeling Group. Kromě již zmíněných fenotypů vyplýval význam termínu Rozštěp ústní dutiny z rozštěpu horního rtu a rozštěpu rtu (Tabulka 4, Obr. 2).

Počet pacientů v obou skupinách má Abnormality nosu, ale pacienti ve skupině Transamidase+Remodeling Group měli významně častěji změny v nose (Synthesis Group = 28 % vs. Transamidase+Remodeling Group = 61 %). Obě skupiny měly abnormality nosu, jako je Široká nosní špička a Široký nosní můstek, které byly nejčastější v každé skupině. Zatímco mnoho abnormalit nosu je přítomno v obou skupinách, Prominentní nos byl nalezen pouze ve skupině Transamidase+Remodeling (15 %). Zdá se, že Prominentní nos je silně spojen s mutacemi v PGAP3 a byl zaznamenán pouze u těchto pacientů. Jeden pacient ve skupině Syntéza měl Prominentní nosní můstek (tabulka 4).

V obou skupinách se vyskytují četné mentální a kognitivní fenotypy, zdá se však, že skupina Remodelace byla postižena častěji. Ačkoli obě skupiny mají velké procento pacientů s neurovývojovými abnormalitami, u 98 % skupiny Transamidase+Remodeling byly zaznamenány neurovývojové abnormality, na rozdíl od 73 % skupiny Synthesis. Přesněji řečeno, ve skupině Transamidase+Remodeling byl zaznamenán zvýšený výskyt opoždění neurologického vývoje, intelektuálního postižení a abnormality chování (92, 66, resp. 42 %), zatímco ve skupině Synthesis byl výskyt těchto abnormalit výrazně nižší (61, 16, resp. 15 %) (tabulka 4).

Rozdělení, které jsme zvolili mezi skupinami Syntéza a Transamidáza+Remodeling, je pouze jedním z mnoha možných způsobů rozdělení GPI dráhy a uvažovali jsme, že jiná rozdělení mohou vykazovat jiné fenotypové rozdíly. Abychom to prozkoumali, definovali jsme skupinu sestávající z genů pro syntézu GPI a také z genů pro transamidázový komplex (skupina Syntéza+Transamidáza) a porovnali ji s geny odpovědnými za remodelaci mastných kyselin (skupina Remodelace). Skupina Remodeling se skládá z genů PGAP1, PGAP3, PGAP2 a PGAP5 (podskupina původní skupiny Transamidase+Remodeling). Skupina Syntéza+Transamidáza vykazovala obohacení o anomálie močových cest. Skupina Remodelace vykazovala obohacení o některé stejné termíny jako skupina Transamidáza+Remodelace, včetně Behavioral abnormality, Neurodevelopmental delay, Abnormality of the hard palate, Oral cleft a Cleft palate. Skupina s remodelací měla navíc Zmenšený obvod hlavy, Změněné umístění očí, Abnormality morfologie uší a očních víček, Široký nosní můstek, Abnormality horního rtu a Zvýšenou alkalickou fosfatázu (Additional file 1: Table S3).

Kandidátní kauzální geny pro složkové fenotypy IGDs

Mutace v genech, které kódují enzymy dráhy biosyntézy GPI, vedou k chybnému cílení GPI-APs , ale abnormální distribuce GPI-APs u IGDs nebyla podrobně charakterizována. Naší hypotézou je, že chybné ukotvení, a tedy chybné cílení jednotlivých GPI-APs vede k dysfunkci cílových proteinů, což následně vede k některým nebo všem fenotypovým abnormalitám pozorovaným u IGD. Lepší pochopení chybného zacílení GPI-AP by proto mohlo objasnit molekulární patogenezi IGD a vrhnout světlo na korelace mezi genotypem a fenotypem.

Ve službě UniProt bylo identifikováno více než 142 lidských proteinů, které jsou zakotveny v GPI (doplňkový soubor 1: tabulka S2). Z nich 23 (neboli 16 %) genů kódujících GPI-AP bylo spojeno s alespoň jednou mendelovskou chorobou (celkem bylo identifikováno 34 mendelovských chorob), a tedy i s četnými fenotypy, které tyto choroby definují. U těchto genů jsme nezaznamenali významné obohacení termínů genové ontologie ani obohacení termínů fenotypové ontologie savců (včetně embryonální letality) mezi ortology těchto genů (údaje nejsou uvedeny). Třicet čtyři fenotypů u pacientů s mutacemi v genech ukotvených v GPI se překrývá s fenotypy pacientů s CDG (tabulka 1 a 2). Skutečnost, že mutace genů pro biosyntézu GPI a genů ukotvených v GPI mohou způsobovat překrývající se, ale ne totožné fenotypy, je očekávaná, protože mutace v dráze biosyntézy GPI by pravděpodobně změnily aktivitu a funkci řady proteinů ukotvených v GPI, a tedy více signálních drah.

Abychom dále pronikli do drah ovlivněných mutacemi genů pro biosyntézu GPI, zkoumali jsme fenotypy, které byly pozorovány častěji ve skupinách syntézy nebo transamidázy + remodelace. Ve skupině Synthesis byly porovnávány geny spojené s 5 charakteristickými fenotypy (tabulka 3). Celkem 102 genů bylo spojeno s mendelovskými chorobami, které sdílejí každý z pěti fenotypových znaků (Doplňkový soubor 1: Obrázek S1).

Při porovnání genů spojených se skupinou Transamidáza+Remodeling byly dva geny spojeny s 15 z 16 obohacených fenotypů skupiny Transamidáza+Remodeling: tyrozinkináza receptoru fibroblastového růstového faktoru (FGFR2) a následný signální partner B-Raf (BRAF) (Doplňkový soubor 1: Obrázek S2). FGFR2 a B-Raf jsou spojeny se všemi fenotypy skupiny Transamidase+Remodeling Group s výjimkou velkých masitých uší. Pozoruhodné je, že tyto geny jsou spojeny s nadřazeným termínem Velkých masitých uší, Macrotia. Vyloučení Velkých masitých uší může být způsobeno tím, že se u pacientů vyskytují velké uši, ale ne Velké masité uši, nebo to může být způsobeno specifičností, s jakou lékaři prezentují údaje o pacientech, nebo podrobnostmi zaznamenanými kurátory a výzkumníky. Mutace v genu FGFR2 jsou spojeny s více než deseti různými onemocněními včetně Pfeifferova syndromu a Crouzonova syndromu . Mutace v BRAF jsou spojeny se sedmi onemocněními včetně Noonanova syndromu typu 7 a kardiofaciokutánního syndromu.

Ačkoli ani FGFR2, membránový protein, ani B-Raf nebyly identifikovány jako GPI-AP, bylo prokázáno, že FGFR2 se spojuje s lipidovými rafty v oligodendrocytech a osteoblastech a translokace B-Raf probíhá rychleji v přítomnosti lipidových raftů . GPI-APs jsou asociovány s lipidovými rafty, což naznačuje, že se může jednat o klíčovou změněnou dráhu pro mutace specifické pro transamidázu + remodelační skupinu (obr. 3). Několik dalších signálních partnerů v rámci dráhy FGFR2 je rovněž spojeno s lipidovými rafty, včetně ligandu FGF2 , a FRS2 . Může existovat několik cílů nebo interakcí s GPI-AP a signálními drahami FGFR2.

Zajímavé je, že dva cílové proteiny, GPC3 a GPC6, jsou spojeny s 25 fenotypovými abnormalitami spojenými s GPI-AP (tabulka 5). Oba proteiny jsou členy glypikanové rodiny heparan sulfátových proteoglykanů, které jsou vázány na cytoplazmatický povrch plazmatické membrány kovalentní vazbou GPI. GPC3 může působit jako FGFR1 a FGFR2 koreceptor potřebný pro příjem a následné předávání signálů FGF9 zodpovědných za kontrolu vývoje koronárních cév , což naznačuje možnou souvislost.

.