Signifikant unterschiedliche klinische Phänotypen im Zusammenhang mit Mutationen in Synthese- und Transamidase+Remodeling-Glycosylphosphatidylinositol (GPI)-Anker-Biosynthese-Genen

In dieser Arbeit, stellen wir eine computergestützte Analyse vor, um der Frage nachzugehen, ob es Unterschiede im phänotypischen Spektrum von Krankheiten gibt, die mit Genen in der Synthese- und Transamidase+Remodeling-Phase der GPI-Anker-Biosynthese verbunden sind (Abb. 1). 1). Zunächst führten wir eine umfassende Literaturrecherche aller veröffentlichten Fallberichte über Personen durch, bei denen Krankheiten diagnostiziert wurden, die durch Varianten in einem GPI-Anker-Signalweg-Gen verursacht wurden. Anschließend extrahierten wir die Patienteninformationen, die Mutation(en) und alle phänotypischen Daten zu jedem Patienten unter Verwendung von Begriffen aus dem HPO (Tabellen 1 und 2). Klinische Daten aus 58 Publikationen wurden in diese Studie aufgenommen, die insgesamt 152 individuelle Patienten umfasste, für die detaillierte phänotypische Beschreibungen verfügbar waren, die IGDs repräsentieren, die mit insgesamt 22 Genen assoziiert sind, die am GPI-Biosyntheseweg beteiligt sind (Additional file 1: Table S1).

Synthese vs. Transamidase+Remodeling-Phänotypen

Wir unterteilten den GPI-Biosyntheseweg in Synthese- und Transamidase+Remodeling-Stufen. Die Enzyme der Synthesegruppe vermitteln den Aufbau des GPI-Vorläufergerüsts in der Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER). Enzyme der Transamidase+Remodeling-Gruppe erleichtern die Kopplung des GPI an den C-Terminus eines neu synthetisierten Proteins im Lumen des ER, die Abspaltung eines C-terminalen GPI-Additionssignalpeptids und ermöglichen Lipid- und Kohlenhydratseitenkettenmodifikationen, die den GPI-AP-Transport vom ER zur Plasmamembran regulieren (Abb. 1, Tabellen und Abbildungen). 1, Tabellen 1 und 2).

Wir verglichen die phänotypischen Anomalien bei Patienten mit Mutationen in den Genen der Synthese- und Transamidase+Remodeling-Gruppe. Mehrere Skelettphänotypen traten signifikant häufiger bei Patienten mit Mutationen in der Synthesestufe des Biosynthesewegs auf (Synthesegruppe). In der Synthese-Gruppe traten häufiger (bei 33 % der Patienten) abnormale Ziffernmorphologien auf (HPO-Begriffe in kursiver Schrift). Andere Phänotypen, die bei den Patienten der Synthesis-Gruppe beobachtet wurden, waren fehlende distale Phalangen, Aplasie/Hypoplasie der Finger, kurze Finger, breite Finger und breite Zehen, Klumpigkeit, Klinodaktylie und andere Anomalien (Tabelle 3). Bei Patienten der Transamidase+Remodeling-Gruppe (Patienten mit Mutationen in den Genen des späteren Stadiums) traten weniger Anomalien im Bereich der Finger auf (6,7 %, Tabelle 3). So haben die Patienten der Synthese-Gruppe statistisch gesehen häufiger kurze Finger (24 % der Patienten), während in der Transamidase+Remodeling-Gruppe nur ein einziger Patient (< 2 %) einen kurzen Finger hatte (Tabelle 3).

Außerdem wiesen die Patienten der Synthese-Gruppe signifikant häufiger eine abnorme Muskelmorphologie, eine abnorme Sehnenmorphologie und/oder eine abnorme Gelenkmorphologie auf. Dies stand hauptsächlich im Zusammenhang mit dem Begriff Flexionskontraktur oder deren Abkömmlingen (Abb. 2). Achtzehn der dreiundneunzig Patienten in der Synthesegruppe hatten eine Flexionskontraktur an einem oder mehreren Gelenken (Abkömmling der Flexionskontraktur). Eine „Kontraktur“ ist eine Verkürzung oder Verhärtung des Muskels oder der Sehne, die zu einem Bewegungsverlust des betreffenden Gelenks führt und daher in der Muskel-, Sehnen- und Gelenkhierarchie der HPO aufgeführt ist. Zusätzlich zu den Flexionskontrakturen gibt es noch eine Handvoll anderer Phänotypen, die diese übergeordneten Klassen ergänzen. Ein Patient der Synthesegruppe wies eine Abnormität der Achillessehne auf, die ein Kind der abnormalen Sehnenmorphologie ist. Was die Abnormalität der Gelenkmorphologie betrifft, so hatte ein einziger Patient eine Axillarpterygie, d. h. das Vorhandensein einer Hautmembran in der Achselhöhle. Außerdem wiesen mehrere Patienten der Synthesegruppe und ein einziger Patient der Transamidase+Remodeling-Gruppe eine Hypermobilität der Gelenke auf (Tabellen 1 und 2). Neben Kontrakturen trugen mehrere andere beobachtete Phänotypen dazu bei, dass der Phänotyp Abnormale Muskelmorphologie in der Synthese-Gruppe signifikant erhöht war. Zu diesen Phänotypen gehören Muskeldystrophie, Kamptodaktylie, generalisierte Amyotrophie, Makroglossie, Myopathie, umrandete Vakuolen, Muskelfaserspaltung, Skelettmuskelatrophie, abnorme Muskel- und Faserdystrophinexpression. Bei zwei Patienten der Transamidase+Remodeling-Gruppe wurde eine abnorme Muskelmorphologie festgestellt, aber diese Gruppe unterscheidet sich durch die Art der berichteten Phänotypen (Skelettmuskelatrophie und erhöhter Muskellipidgehalt).

Patienten der Transamidase+Remodeling-Gruppe wiesen insgesamt vielfältigere phänotypische Anomalien auf, die diese Population selektiv betrafen, als die der Synthese-Gruppe (Tabellen 3 und 4). Die häufigsten Veränderungen betrafen die Knochen- und Gesichtsentwicklung sowie neurologische Entwicklungsstörungen. Die Häufigkeit von Anomalien der Knochendichte ist bei Patienten der Transamidase+Remodeling-Gruppe signifikant höher als bei Patienten der Synthese-Gruppe. Osteopenie, eine Verringerung der Knochenmineraldichte unterhalb des Normalwerts, die jedoch nicht so schwerwiegend ist wie Osteoporose, trat bei 22 % der Patienten der Transamidase+Remodeling-Gruppe auf, während nur 2 % der Patienten der Synthesegruppe eine Osteopenie aufwiesen. Osteopenie trägt fast vollständig zu der Signifikanz bei, die bei den Patienten der Transamidase+Remodeling-Gruppe in Bezug auf reduzierte Knochenmineraldichte (übergeordneter Begriff), abnorme Knochenmineraldichte (großelterlicher Begriff), abnorme Knochenverknöcherung (urgroßelter Begriff) und abnorme Knochenstruktur (ururgroßelter Begriff) festgestellt wurde. Die einzigen zusätzlichen Phänotypen einer abnormalen Knochenstruktur waren ein dünner knöcherner Kortex, der bei einem einzigen Patienten in der Synthesegruppe beobachtet wurde, sowie eine verringerte Knochenmineraldichte bei zwei Patienten und Osteoporose bei einem Patienten in der Transamidase+Remodeling-Gruppe (Tabelle 4).

Auch bei Patienten in der Transamidase+Remodeling-Gruppe, überwiegend Patienten mit PGAP3-Mutationen, ist die Wahrscheinlichkeit einer Makrotie signifikant höher. Bei den Patienten der Transamidase+Remodeling-Gruppe wurde in 25 % der Fälle eine Makrotie (große Ohren mit mehr als dem Zweifachen der Standardabweichung) festgestellt, während die Häufigkeit bei den Patienten der Synthese-Gruppe nur 2 % betrug. Die überwiegende Mehrheit dieser Patienten der Transamidase+Remodeling-Gruppe wurde als Patienten mit großen fleischigen Ohren beschrieben, einem Kind der Macrotia (Tabelle 4).

Weitere Entwicklungsanomalien im Gesicht, die bei Patienten der Transamidase+Remodeling-Gruppe gefunden wurden, waren eine abnorme Morphologie des harten Gaumens und die dazugehörige Kinderbezeichnung, Gaumenspalte. Beide Phänotypen traten in der Transamidase+Remodeling-Gruppe signifikant häufiger auf als in der Synthese-Gruppe (29% vs. 6% der Patienten) (Tabelle 4, Abb. 2). Gaumenspalten waren der vorherrschende Phänotyp, der bei 16 Patienten der Transamidase+Remodeling-Gruppe identifiziert wurde (im Vergleich zu 6 Patienten in der Synthese-Gruppe), was dazu führte, dass sowohl die abnorme Morphologie des harten Gaumens als auch die Gaumenspalte Bedeutung erlangten. Darüber hinaus wurden zwei Patienten in der Transamidase+Remodeling-Gruppe als Patienten mit medianer Lippen-Kiefer-Gaumenspalte, Urenkel der Gaumenspalte, beschrieben, was ebenfalls zur Signifikanz dieser beiden Phänotypen beitrug (Tabelle 4, Abb. 2). Da der Begriff Gaumenspalte in der HPO mehrere Eltern hat, wurde auch die orale Spaltbildung bei Patienten der Transamidase+Remodeling-Gruppe als selektiv angereichert identifiziert. Neben den bereits erwähnten Phänotypen ergab sich die Bedeutung des Begriffs Mundspalte aus Oberlippen- und Lippenspalte (Tabelle 4, Abb. 2).

Zahlreiche Patienten in beiden Gruppen haben Anomalien der Nase, aber Patienten in der Transamidase+Remodeling-Gruppe hatten signifikant häufiger Veränderungen an der Nase (Synthese-Gruppe = 28% vs. Transamidase+Remodeling-Gruppe = 61%). Beide Gruppen weisen Anomalien der Nase auf, wie z. B. eine breite Nasenspitze und einen breiten Nasenrücken, die in beiden Gruppen am häufigsten vorkommen. Während viele der Nasenanomalien in beiden Gruppen vorhanden sind, wurde eine prominente Nase nur in der Transamidase+Remodeling-Gruppe (15%) gefunden. Prominente Nase scheint stark mit Mutationen in PGAP3 verbunden zu sein und wurde nur bei diesen Patienten festgestellt. Ein Patient in der Synthese-Gruppe hatte einen prominenten Nasenrücken (Tabelle 4).

Es gibt zahlreiche geistige und kognitive Phänotypen, die beide Gruppen betreffen, jedoch scheint die Remodeling-Gruppe häufiger betroffen zu sein. Zwar weisen beide Gruppen einen hohen Prozentsatz von Patienten mit neurologischen Entwicklungsstörungen auf, doch wurden bei 98 % der Transamidase+Remodeling-Gruppe neurologische Entwicklungsstörungen festgestellt, im Gegensatz zu 73 % der Synthese-Gruppe. Genauer gesagt wies die Transamidase+Remodeling-Gruppe eine erhöhte Inzidenz von neurologischen Entwicklungsverzögerungen, geistiger Behinderung und Verhaltensauffälligkeiten auf (92, 66 bzw. 42 %), während in der Synthesegruppe deutlich weniger dieser Auffälligkeiten zu verzeichnen waren (61, 16 bzw. 15 %) (Tabelle 4).

Die von uns gewählte Aufteilung in Synthese- und Transamidase+Remodeling-Gruppen ist nur eine von vielen möglichen Möglichkeiten, den GPI-Stoffwechselweg aufzuteilen, und wir dachten, dass andere Aufteilungen andere phänotypische Unterschiede aufweisen könnten. Um dies zu untersuchen, definierten wir eine Gruppe, die aus den GPI-Synthesegenen sowie den Genen des Transamidasekomplexes besteht (Synthese+Transamidase-Gruppe), und verglichen sie mit den Genen, die für den Fettsäure-Umbau verantwortlich sind (Umbaugruppe). Die Remodeling-Gruppe besteht aus den Genen PGAP1, PGAP3, PGAP2 und PGAP5 (eine Teilmenge der ursprünglichen Transamidase+Remodeling-Gruppe). Die Synthese+Transamidase-Gruppe zeigte eine Anreicherung von Anomalien des Harntrakts. Die Remodeling-Gruppe zeigte eine Anreicherung für einige der gleichen Begriffe wie in der Transamidase+Remodeling-Gruppe, einschließlich Verhaltensauffälligkeiten, Neuroentwicklungsverzögerung, Anomalien des harten Gaumens, Mundspalte und Gaumenspalte. Darüber hinaus wies die Remodelling-Gruppe einen verminderten Kopfumfang, eine veränderte Augenposition, morphologische Anomalien der Ohren und Augenlider, einen breiten Nasenrücken, Anomalien der Oberlippe und eine erhöhte alkalische Phosphatase auf (Additional file 1: Tabelle S3).

Kandidaten für kausale Gene für Komponentenphänotypen der IGDs

Mutationen in Genen, die für Enzyme des GPI-Biosynthesewegs kodieren, führen zu einer falschen Ausrichtung von GPI-APs, aber die abnormale Verteilung von GPI-APs in den IGDs ist nicht im Detail charakterisiert worden. Unsere Hypothese ist, dass die falsche Verankerung und damit die falsche Ausrichtung einzelner GPI-APs zu einer Fehlfunktion der Zielproteine führt, die wiederum einige oder alle der bei den IGDs beobachteten phänotypischen Anomalien verursacht. Ein besseres Verständnis des Mistargeting von GPI-APs könnte daher die molekulare Pathogenese der IGDs klären und Licht auf Genotyp-Phänotyp-Korrelationen werfen.

Über 142 menschliche Proteine wurden in UniProt als GPI-verankert identifiziert (Additional file 1: Table S2). Davon wurden 23 (oder 16 %) dieser Gene, die für GPI-APs kodieren, mit mindestens einer Mendelschen Krankheit in Verbindung gebracht (insgesamt wurden 34 Mendelsche Krankheiten identifiziert), und damit auch zahlreiche Phänotypen, die diese Krankheiten definieren. Wir konnten weder eine signifikante Anreicherung von Begriffen aus der Gene Ontology für diese Gene noch eine Anreicherung von Begriffen aus der Mammalian Phenotype Ontology (einschließlich embryonaler Letalität) bei den Orthologen dieser Gene feststellen (Daten nicht gezeigt). Vierunddreißig Phänotypen bei Patienten mit Mutationen in GPI-verankerten Genen überschneiden sich mit den Phänotypen von CDG-Patienten (Tabelle 1 und 2). Die Tatsache, dass Mutationen von GPI-Biosynthesegenen und GPI-verankerten Genen zwar überlappende, aber nicht identische Phänotypen verursachen können, ist zu erwarten, da Mutationen im GPI-Biosyntheseweg wahrscheinlich die Aktivität und Funktion einer Reihe von GPI-verankerten Proteinen und damit mehrere Signalwege verändern.

Um die von GPI-Biosynthesegenmutationen betroffenen Wege weiter zu ergründen, untersuchten wir die Phänotypen, die in den Gruppen Synthese oder Transamidase+Remodeling häufiger auftraten. In der Synthesegruppe wurden die Gene verglichen, die mit den 5 charakteristischen Phänotypen (Tabelle 3) assoziiert sind. Insgesamt 102 Gene wurden mit Mendelschen Krankheiten assoziiert, die jedes der fünf phänotypischen Merkmale aufweisen (Zusatzdatei 1: Abbildung S1).

Beim Vergleich der Gene, die mit der Transamidase+Remodeling-Gruppe assoziiert sind, wurden zwei Gene mit 15 der 16 angereicherten Phänotypen der Transamidase+Remodeling-Gruppe assoziiert: Fibroblasten-Wachstumsfaktor-Rezeptor-Tyrosinkinase (FGFR2) und ein nachgeschalteter Signalpartner, B-Raf (BRAF) (Zusatzdatei 1: Abbildung S2). FGFR2 und B-Raf sind mit allen Phänotypen der Transamidase+Remodeling-Gruppe verbunden, mit Ausnahme der großen fleischigen Ohren. Bemerkenswert ist, dass diese Gene mit dem übergeordneten Begriff für große fleischige Ohren, Macrotia, assoziiert sind. Der Ausschluss von großen fleischigen Ohren könnte darauf zurückzuführen sein, dass Patienten zwar große Ohren, aber keine großen fleischigen Ohren haben, oder es könnte an der Spezifität liegen, mit der Ärzte Patientendaten präsentieren, oder an den von Kuratoren und Forschern aufgezeichneten Details. Mutationen in FGFR2 werden mit über zehn verschiedenen Krankheiten in Verbindung gebracht, darunter das Pfeiffer-Syndrom und das Crouzon-Syndrom. Mutationen in BRAF werden mit sieben Krankheiten in Verbindung gebracht, darunter das Noonan-Syndrom Typ 7 und das kardiofaziokutane Syndrom.

Obwohl weder FGFR2, ein membranumspannendes Protein, noch B-Raf als GPI-APs identifiziert wurden, hat sich gezeigt, dass FGFR2 mit Lipid Rafts in Oligodendrozyten und Osteoblasten assoziiert ist und dass die Translokation von B-Raf in Gegenwart von Lipid Rafts schneller erfolgt. GPI-APs sind mit Lipid Rafts assoziiert, was darauf schließen lässt, dass dies ein wichtiger veränderter Signalweg für Transamidase+Remodeling-Group-spezifische Mutationen sein könnte (Abb. 3). Mehrere andere Signalpartner innerhalb des FGFR2-Signalwegs sind ebenfalls mit Lipid Rafts assoziiert, darunter der Ligand FGF2 und FRS2 . Möglicherweise gibt es mehrere Ziele oder Interaktionen mit GPI-APs und FGFR2-Signalwegen.

Interessanterweise sind zwei Zielproteine, GPC3 und GPC6, mit 25 von GPI-AP-assoziierten phänotypischen Anomalien assoziiert (Tabelle 5). Beide Proteine sind Mitglieder der Glypican-Familie von Heparansulfat-Proteoglykanen, die über eine kovalente GPI-Bindung an die zytoplasmatische Oberfläche der Plasmamembran gebunden sind. GPC3 kann als FGFR1- und FGFR2-Korezeptor fungieren, der für den Empfang und die anschließende Weiterleitung der FGF9-Signale erforderlich ist, die für die Steuerung der koronaren Gefäßentwicklung verantwortlich sind, was auf eine mögliche Verbindung hindeutet.