Signifikant forskellige kliniske fænotyper forbundet med mutationer i syntesen og transamidase+omdannelse af glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anker biosyntesegener

I dette arbejde, præsenterer vi en beregningsanalyse for at besvare spørgsmålet om, hvorvidt der er forskelle i det fænotypiske spektrum af sygdomme, der er forbundet med gener i syntesen og transamidase+omdannelsesfasen af GPI-ankerbiosyntesen (Fig. 1). Vi foretog først en omfattende litteraturgennemgang af alle offentliggjorte caserapporter om personer, der blev diagnosticeret med sygdomme forårsaget af varianter i et GPI-ankervejsgen. Derefter ekstraherede vi patientoplysninger, oplysninger om mutation(er) og alle fænotypiske data om hver patient ved hjælp af termer fra HPO (tabel 1 og 2). Kliniske data fra 58 publikationer blev inkluderet i denne undersøgelse, der omfattede i alt 152 individuelle patienter, for hvilke detaljerede fænotypiske beskrivelser var tilgængelige, og som repræsenterede IGD’er, der var forbundet med i alt 22 gener involveret i GPI-biosyntesebanen (Additional file 1: Table S1).

Syntese vs. Transamidase+Remodeling-fænotyper

Vi opdelte GPI-biosyntesebanen i syntese- og transamidase+Remodeling-stadier. Enzymer i syntesegruppen medierer samling af GPI-prækursorryggen i det endoplasmatiske retikulum (ER) membranen. Enzymer i Transamidase+Remodelleringsgruppen letter koblingen af GPI til C-terminus af et nyligt syntetiseret protein i ER’s lumen, spaltning af et C-terminalt GPI-additionssignalpeptid og muliggør lipid- og kulhydrat-sidekædemodifikationer, der regulerer GPI-AP-trafikken fra ER til plasmamembranen (Fig. 1, tabel 1 og 2).

Vi sammenlignede de fænotypiske abnormiteter hos patienter med mutationer i generne Synthesis og Transamidase+Remodeling Group-gener. Flere skeletfænotyper var signifikant mere sandsynlige for at forekomme hos patienter med mutationer i Synthesis-stadiet af biosyntetikvejen (Synthesis Group). Synthesegruppen havde en større forekomst (33 % af patienterne) af unormal digital morfologi (HPO-termer anført med kursiv). Andre fænotyper, der blev observeret hos patienterne i Synthesegruppen, var fraværende distale phalanges, aplasi/hypoplasi af fingre, korte fingre, brede fingre og brede tæer, clubbing, klinodaktyli og andre abnormiteter (tabel 3). Transamidase+Remodeling Group-patienter (patienter med mutationer i generne i de senere stadier) havde færre forekomster af Abnormal digit morfologi (6,7 %, tabel 3). F.eks. er der statistisk set større sandsynlighed for, at Synthesis Group-patienter har Short digit (24 % af patienterne), mens kun ét individ (< 2 %) blev angivet som havende et Short digit i Transamidase+Remodeling Group (tabel 3).

Dertil kommer, at patienterne i syntesegruppen var signifikant mere tilbøjelige til at have Abnorm muskelmorfologi, Abnormal senemorfologi og/eller Abnormal ledmorfologi. Dette var hovedsageligt relateret til udtrykket Flexionskontraktur eller efterkommere heraf (fig. 2). 18 ud af de 93 patienter i Synthesis-gruppen havde en flexionskontraktur i et eller flere led (efterkommer af flexionskontraktur). En “kontraktur” er en forkortelse eller hærdning af en muskel eller sene, der fører til tab af bevægelse i det pågældende led, og derfor er den opført under HPO’s muskel-, sene- og ledhierarki. Ud over bøjningskontrakturer er der en håndfuld andre typer af fænotyper, som giver disse forældreklasser yderligere betydning. En af Synthesis Group-patienterne udviste Abnormality of the Achilles tendon, som er et barn af Abnormal tendon morphology. Hvad angår Abnormalitet af ledmorfologi, havde en enkelt patient Axillary pterygia, som er tilstedeværelsen af en kutan membran i armhulen . Desuden havde flere patienter i syntesegruppen og en enkelt patient i transamidase+modelleringsgruppen hypermobilitet i leddene (tabel 1 og 2). Ud over kontrakturer bidrog flere andre observerede fænotyper til, at fænotypen Abnormal muskelmorfologi var signifikant forøget i Synthesegruppen. Sådanne fænotyper omfatter Muskeldystrofi, Camptodactyly, Generaliseret amyotrofi, Makroglossia, Myopati, Rimmed vacuoles, Muskelfibersplitting, Skeletmuskelatrofi, Abnormal muskel- og fiberdystrofinudtryk. To patienter i Transamidase+Remodeling-gruppen har bemærket Abnormal muskelmorfologi, men denne gruppe adskiller sig i de typer af fænotyper, der er rapporteret (Skeletmuskelatrofi og Øget muskellipidindhold).

Transamidase+Remodelleringsgruppe-patienter viste generelt mere forskelligartede fænotypiske abnormiteter, der selektivt påvirkede denne population i modsætning til Synthesegruppen (tabel 3 og 4). De mest almindelige ændringer var i knogle- og ansigtsudvikling og neuroudviklingsmæssige handicaps. Hyppigheden af abnormitet i knogletætheden er signifikant højere hos patienterne i Transamidase+Remodeling-gruppen sammenlignet med patienterne i Synthesegruppen. Osteopeni, en reduktion af knoglemineraltætheden under normalen, men ikke så alvorlig som osteoporose, forekom hos 22 % af patienterne i Transamidase+Remodeling-gruppen, mens kun 2 % af patienterne i Synthesegruppen blev rapporteret at have osteopeni. Osteopeni bidrager næsten udelukkende til den signifikans, der er identificeret i Reduceret knoglemineraltæthed (forældrebetegnelse), Unormal knoglemineraltæthed (bedsteforældrebetegnelse), Unormal knogleforbening (tipoldeforældrebetegnelse) og Unormal knoglestruktur (tipoldeforældrebetegnelse) hos patienterne i Transamidase+Remodelleringsgruppen. De eneste yderligere Abnormale knoglestrukturfænotyper, der blev observeret, var en tynd knoglekortex observeret hos en enkelt patient i Synthesegruppen , og der blev observeret to patienter med nedsat knoglemineraltæthed og osteoporose hos en patient i Transamidase+Remodelleringsgruppen (tabel 4).

Sådan er patienter i Transamidase+Remodelleringsgruppen, overvejende patienter med PGAP3-mutationer, signifikant mere tilbøjelige til at have Macrotia. Patienterne i Transamidase+Remodelleringsgruppen blev klassificeret som havende Macrotia (store ører større end 2x standardafvigelsen) i 25 % af tilfældene, mens forekomsten kun var 2 % for patienterne i Syntesegruppen. Langt størstedelen af disse patienter i Transamidase+Remodelleringsgruppen blev beskrevet som specifikt havende Store kødfulde ører, et barn af Macrotia (tabel 4).

Andre ansigtsudviklingsmæssige abnormiteter fundet hos patienterne i Transamidase+Remodelleringsgruppen var Abnormal hård gane-morfologi og dens børnebetegnelse, ganespalte. Begge fænotyper forekom med signifikant højere frekvens i Transamidase+Remodelleringsgruppen sammenlignet med Synthesegruppen (29 % vs. 6 % af patienterne) (Tabel 4, Fig. 2). Gavespalte var den fremherskende fænotype, der blev identificeret hos 16 patienter i Transamidase+Remodelleringsgruppen (sammenlignet med 6 patienter i Synthesegruppen), hvilket resulterede i, at både Abnormal hård gane-morfologi og Gavespalte opnåede signifikans. Derudover blev to patienter i Transamidase+Remodelleringsgruppen beskrevet som havende Median læbe- og ganespalte, oldebarn af ganespalte, hvilket også bidrog til signifikansen af disse to fænotyper (tabel 4, fig. 2). Da udtrykket ganespalte har flere forældre i HPO, blev oral spalte også identificeret som selektivt beriget hos patienter i Transamidase+Remodeling Group. Ud over de allerede nævnte fænotyper stammede betydningen af udtrykket Oral spalt fra Spalt i overlæben og Læbespalte (Tabel 4, Fig. 2).

Antalrige patienter i begge grupper har Abnormitet i næsen, men patienter i Transamidase+Remodelleringsgruppen var signifikant mere tilbøjelige til at have ændringer i næsen (Synthesegruppe = 28 % vs. Transamidase+Remodelleringsgruppe = 61 %). Begge grupper har abnormiteter i næsen, som f.eks. bred næsespids og bred næseryg, der er de mest almindelige i hver gruppe. Mens mange af næseabnormaliteterne er til stede i begge grupper, blev der kun fundet en fremtrædende næse i Transamidase+Remodelleringsgruppen (15 %). Prominent næse synes at være stærkt forbundet med mutationer i PGAP3 og blev kun rapporteret hos disse patienter. En patient i Synthesis-gruppen havde en Prominent næsebro (tabel 4).

Der er mange mentale og kognitive fænotyper, der påvirker begge grupper, men Remodeling-gruppen synes dog at være påvirket oftere. Mens begge grupper har en stor procentdel af patienterne med neurodevelopmental abnormitet, blev 98 % af Transamidase+Remodeling-gruppen noteret med neurodevelopmental abnormitet, i modsætning til 73 % af Synthesegruppen. Mere specifikt havde Transamidase+Remodelleringsgruppen en øget forekomst af neuroudviklingsforsinkelse, intellektuel funktionsnedsættelse og adfærdsmæssig abnormitet (henholdsvis 92, 66 og 42 %), mens Synthesegruppen havde en betydeligt mindre population med disse abnormiteter (henholdsvis 61, 16 og 15 %) (tabel 4).

Den opdeling, vi valgte mellem Synthesis- og Transamidase+Remodeling-grupperne, er blot en af mange mulige måder at opdele GPI-banen på, og vi ræsonnerede, at andre opdelinger kunne vise andre fænotypiske forskelle. For at undersøge dette definerede vi en gruppe bestående af GPI-syntesegener samt transamidase-kompleksgener (Synthesis+Transamidase Group) og sammenlignede den med de gener, der er ansvarlige for remodellering af fedtsyrer (Remodeling Group). Remodelleringsgruppen består af generne PGAP1, PGAP3, PGAP2 og PGAP5 (en delmængde af den oprindelige Transamidase+Remodelleringsgruppe). Synthesis+Transamidase-gruppen viste en berigelse af anomalier i urinvejene. Remodelleringsgruppen viste berigelse for nogle af de samme termer som i Transamidase+Remodelleringsgruppen, herunder Adfærdsanomali, Neurodevelopmental delay, Abnormality of the hard palate, Oral cleft og Cleft palate (ganespalte). Derudover havde Remodelleringsgruppen nedsat hovedomkreds, ændret øjenplacering, morfologiske abnormiteter i øre- og øjenlågsmorfologi, bred næsebro, abnormiteter i overlæben og forhøjet alkalisk fosfatase (Additional file 1: Tabel S3).

Kandidatkausale gener for IGD’ernes komponentfænotyper

Mutationer i gener, der koder for enzymer i GPI-biosyntesen, resulterer i forkert målretning af GPI-AP’er , men den unormale fordeling af GPI-AP’er i IGD’erne er ikke blevet karakteriseret i detaljer. Vores hypotese er, at forkert forankring og dermed forkert målretning af individuelle GPI-AP’er fører til dysfunktion af de målrettede proteiner, hvilket igen fører til nogle af eller alle de fænotypiske abnormiteter, der er observeret i IGD’erne. En bedre forståelse af GPI-AP’ernes forkerte målretning kan derfor klarlægge den molekylære patogenese af IGD’erne og kaste lys over genotype-fænotype-korrelationer.

Over 142 humane proteiner er blevet identificeret i UniProt som GPI-forankrede (Additional file 1: Table S2). Af disse er 23 (eller 16%) af disse gener, der koder for GPI-APs, blevet associeret med mindst én Mendelsk sygdom (i alt 34 Mendelsk sygdomme blev identificeret), og derfor mange fænotyper, der definerer disse sygdomme. Vi observerede ikke en betydelig berigelse af Gene Ontology-termer for generne eller en berigelse af Mammalian Phenotype Ontology-termer (herunder embryonal letalitet) blandt disse geners ortologer (data ikke vist). Fireogtredive fænotyper hos patienter med mutationer i GPI-forankrede gener overlapper med fænotyperne hos CDG-patienter (tabel 1 og 2). Det faktum, at GPI-biosyntese-genmutationer og GPI-forankrede genmutationer kan forårsage overlappende, men ikke identiske fænotyper, er forventeligt, da mutationer i GPI-biosyntesevejen sandsynligvis vil ændre aktiviteten og funktionen af en række GPI-forankrede proteiner og dermed flere signalveje.

For yderligere at uddybe de veje, der påvirkes af GPI-biosyntese-genmutationer, undersøgte vi de fænotyper, der blev observeret at være hyppigere i syntesegrupperne eller transamidase + remodelleringsgrupperne. I syntesegruppen blev gener, der var forbundet med de 5 karakteristiske fænotyper (tabel 3), sammenlignet. I alt 102 gener blev associeret med Mendel-sygdomme, der deler hvert af de fem fænotypiske kendetegn (Yderligere fil 1: Figur S1).

Ved sammenligning af de gener, der var associeret med Transamidase+Remodelleringsgruppen, blev to gener associeret med 15 af de 16 berigede fænotyper i Transamidase+Remodelleringsgruppen: fibroblast growth factor receptor tyrosinkinase (FGFR2) og en downstream signalpartner, B-Raf (BRAF) (Yderligere fil 1: Figur S2). FGFR2 og B-Raf er forbundet med alle Transamidase+Remodeling Group-fænotyperne undtagen Store kødfulde ører. Det er især bemærkelsesværdigt, at disse gener er forbundet med den overordnede term for Store kødfulde ører, Macrotia. Udelukkelsen af Store kødfulde ører kan skyldes, at patienter præsenterer sig med store ører, men ikke Store kødfulde ører, eller det kan skyldes den specificitet, hvormed lægerne præsenterer patientdata eller de detaljer, som kuratorer og forskere har registreret. Mutationer i FGFR2 er forbundet med over ti forskellige sygdomme, herunder Pfeiffers syndrom og Crouzons syndrom . Mutationer i BRAF er forbundet med syv sygdomme, herunder Noonan syndrom type 7 og Cardiofaciocutaneous syndrome.

Selv om hverken FGFR2, et membranoverskridende protein, eller B-Raf er blevet identificeret som GPI-APs, er FGFR2 blevet vist at være associeret med lipid rafts i oligodendrocytter og osteoblaster, og B-Raf-translokation sker hurtigere i tilstedeværelse af lipid rafts . GPI-APs er associeret med lipid rafts, hvilket tyder på, at dette kan være en vigtig ændret vej for Transamidase+Remodeling-Group-specifikke mutationer (fig. 3). Flere andre signaleringspartnere inden for FGFR2-vejen er også associeret med lipid rafts, herunder ligand FGF2 , og FRS2 . Der kan være flere mål eller interaktioner med GPI-APs og FGFR2-signalveje.

Interessant nok er to målproteiner, GPC3 og GPC6, associeret med 25 af GPI-AP-associerede fænotypiske abnormiteter (tabel 5). Begge proteiner er medlemmer af glypican-familien af heparansulfatproteoglykaner, der er bundet til plasmamembranens cytoplasmatiske overflade gennem en kovalent GPI-binding. GPC3 kan fungere som en FGFR1- og FGFR2-coreceptor, der er nødvendig for modtagelse og efterfølgende videresendelse af FGF9-signalerne, der er ansvarlige for kontrollen af udviklingen af kranspulsårerne , hvilket tyder på en mulig sammenhæng.