En este trabajo, presentamos un análisis computacional para abordar la cuestión de si existen diferencias en el espectro fenotípico de las enfermedades asociadas a los genes de las fases de Síntesis y Transamidasa+Remodelación de la biosíntesis del ancla GPI (Fig. 1). En primer lugar, realizamos una revisión bibliográfica exhaustiva de todos los informes de casos publicados sobre individuos diagnosticados con enfermedades causadas por variantes en un gen de la vía del anclaje GPI. A continuación, extrajimos la información del paciente, la información de la(s) mutación(es) y todos los datos fenotípicos sobre cada paciente utilizando términos de la HPO (Tablas 1 y 2). Se incluyeron en este estudio los datos clínicos de 58 publicaciones, que comprendían un total de 152 pacientes individuales para los que se disponía de descripciones fenotípicas detalladas, que representaban IGD asociadas a un total de 22 genes implicados en la vía de la biosíntesis de GPI (Archivo adicional 1: Tabla S1).
Fenotipos de síntesis frente a Transamidasa+Remodelación
Dividimos la vía de la biosíntesis de GPI en etapas de Síntesis y Transamidasa+Remodelación. Las enzimas del grupo de síntesis median el ensamblaje de la columna vertebral del precursor de GPI en la membrana del retículo endoplásmico (RE). Las enzimas del Grupo Transamidasa+Remodelación facilitan el acoplamiento de la GPI al C-terminal de una proteína recién sintetizada dentro del lumen del RE, el corte de un péptido señal de adición de GPI en el C-terminal, y permiten las modificaciones de las cadenas laterales de lípidos y carbohidratos que regulan el tráfico de GPI-AP desde el RE a la membrana plasmática (Fig. 1, Tablas 1 y 2).
Comparamos las anomalías fenotípicas en los pacientes con mutaciones en los genes del Grupo de Síntesis y Transamidasa+Remodelación. Varios fenotipos esqueléticos fueron significativamente más probables en los pacientes con mutaciones en la etapa de Síntesis de la vía biosintética (Grupo de Síntesis). El Grupo de Síntesis tuvo una mayor ocurrencia (33% de los pacientes) de morfología anormal de los dígitos (los términos HPO aparecen en cursiva). Otros fenotipos observados en los pacientes del Grupo de Síntesis fueron Ausencia de falanges distales, Aplasia/Hipoplasia de los dedos, Dedo corto, Dedo ancho y Dedo ancho, Dedos en palillo de tambor, Clinodactilia y otras anomalías (Tabla 3). Los pacientes del Grupo Transamidasa+Remodelación (pacientes con mutaciones en los genes de la fase posterior) tuvieron menos incidencias de morfología anormal de los dedos (6,7%, Tabla 3). Por ejemplo, los pacientes del Grupo de Síntesis son estadísticamente más propensos a tener un dígito corto (24% de los pacientes), mientras que sólo se indicó que un individuo (< 2%) tenía un dígito corto en el Grupo de Transamidasa+Remodelación (Tabla 3).
Además, los pacientes del Grupo de Síntesis eran significativamente más propensos a tener una morfología muscular anormal, una morfología tendinosa anormal y/o una morfología articular anormal. Esto estaba relacionado principalmente con el término contractura de flexión o sus descendientes (Fig. 2). Dieciocho de los noventa y tres pacientes del grupo de Síntesis tenían una contractura de flexión de una o más articulaciones (descendiente de contractura de flexión). Una «contractura» es un acortamiento o endurecimiento del músculo o del tendón que conduce a la pérdida de movimiento de esa articulación y, por lo tanto, figura en las jerarquías de músculos, tendones y articulaciones de la HPO. Además de las contracturas de flexión, un puñado de otros tipos de fenotipos añaden importancia a estas clases parentales. Un paciente del Grupo de Síntesis presentaba Anomalía del tendón de Aquiles, que es hijo de Morfología anormal del tendón. En cuanto a la Morfología anormal de las articulaciones, un solo paciente tenía Pterigia axilar, que es la presencia de una membrana cutánea en la axila . Además, varios pacientes del Grupo de Síntesis y un solo paciente del Grupo de Transamidas+Remodelación presentaban hipermovilidad articular (Tablas 1 y 2). Además de las contracturas, otros fenotipos observados contribuyeron a que el fenotipo Morfología muscular anormal aumentara significativamente en el Grupo de Síntesis. Tales fenotipos incluyen Distrofia muscular, Camptodactilia, Amiotrofia generalizada, Macroglosia, Miopatía, Vacuolas con borde, División de la fibra muscular, Atrofia del músculo esquelético, Músculo anormal, y expresión de distrofina de la fibra. Dos pacientes del Grupo Transamidasa+Remodelación han notado Morfología muscular anormal, pero este grupo difiere en los tipos de fenotipos reportados (Atrofia muscular esquelética y Aumento del contenido de lípidos en el músculo).
Ejemplo de jerarquía de HPO. La jerarquía en la HPO para paladar hendido y fenotipos vecinos
Los pacientes del Grupo de Transamidasa+Remodelación, en general, mostraron anomalías fenotípicas más diversas que afectaron selectivamente a esta población en contraposición al Grupo de Síntesis (Tablas 3 y 4). Las alteraciones más comunes fueron en el desarrollo óseo y facial y en las discapacidades del neurodesarrollo. La frecuencia de la anormalidad de la densidad ósea es significativamente mayor en los pacientes del Grupo de Transamidas+Remodelación en comparación con los del Grupo de Síntesis. La osteopenia, una reducción de la densidad mineral ósea por debajo de lo normal pero no tan grave como la osteoporosis, se produjo en el 22% de los pacientes del Grupo Transamidasa+Remodelación, mientras que sólo el 2% de los pacientes del Grupo de Síntesis presentaban osteopenia. La osteopenia contribuye casi por completo a la importancia identificada en Densidad mineral ósea reducida (término de los padres), Densidad mineral ósea anormal (término de los abuelos), Osificación ósea anormal (término de los bisabuelos) y Estructura ósea anormal (término de los tatarabuelos) en los pacientes del Grupo Transamidasa+Remodelación. Los únicos fenotipos adicionales de estructura ósea anormal observados fueron una corteza ósea delgada observada en un solo paciente del Grupo de Síntesis , y se observó que dos pacientes tenían una densidad mineral ósea reducida y osteoporosis en un paciente del Grupo de Transamidasa+Remodelación (Tabla 4).
De forma similar, los pacientes del Grupo Transamidasa+Remodelación, predominantemente pacientes con mutaciones PGAP3, son significativamente más propensos a tener Macrotia. Los pacientes del Grupo Transamidasa+Remodelación fueron clasificados con Macrotia (orejas grandes mayores a 2 veces la desviación estándar) el 25% de las veces, mientras que la incidencia fue sólo del 2% para los pacientes del Grupo Síntesis. La gran mayoría de estos pacientes del Grupo Transamidasa+Remodelación se describieron específicamente con orejas grandes y carnosas, un hijo de la Macrotia (Tabla 4).
Otras anomalías del desarrollo facial encontradas en los pacientes del Grupo Transamidasa+Remodelación fueron la morfología anormal del paladar duro y su término infantil, el paladar hendido. Ambos fenotipos se presentaron con una frecuencia significativamente mayor en el Grupo de Transamidasa+Remodelación en comparación con el Grupo de Síntesis (29% frente al 6% de los pacientes) (Tabla 4, Fig. 2). El paladar hendido fue el fenotipo predominante identificado en 16 pacientes del Grupo de Transamidasa+Remodelación (frente a 6 pacientes del Grupo de Síntesis), por lo que tanto la morfología anormal del paladar duro como el paladar hendido alcanzaron significación. Además, en dos pacientes del Grupo Transamidasa+Remodelación se describió el labio leporino y el paladar hendido medio, bisabuelo del paladar hendido, lo que también contribuyó a la significación de estos dos fenotipos (Tabla 4, Fig. 2). Dado que el término Paladar Hendido tiene múltiples progenitores en la HPO, también se identificó que la Fisura Oral estaba selectivamente enriquecida en los pacientes del Grupo Transamidasa+Remodelación. Además de los fenotipos ya mencionados, la importancia del término Fisura oral se derivó del Labio superior hendido y del Labio leporino (Tabla 4, Fig. 2).
Numerosos pacientes de ambos grupos tienen Anomalías de la nariz, pero los pacientes del Grupo de Transamidasa+Remodelación eran significativamente más propensos a tener alteraciones en la nariz (Grupo de Síntesis = 28% frente al Grupo de Transamidasa+Remodelación = 61%). Ambos grupos presentan anomalías en la nariz, como la punta nasal ancha y el puente nasal ancho, que son las más comunes en cada grupo. Aunque muchas de las anomalías de la nariz están presentes en ambos grupos, la nariz prominente sólo se encontró en el grupo Transamidasa+Remodelación (15%). La nariz prominente parece estar fuertemente asociada a las mutaciones en PGAP3 y sólo se registró en esos pacientes. Un paciente del Grupo de Síntesis tenía un puente nasal prominente (Tabla 4).
Hay numerosos fenotipos mentales y cognitivos que afectan a ambos grupos, sin embargo, el Grupo de Remodelación parece haberse visto afectado con más frecuencia. Aunque ambos grupos tienen un gran porcentaje de pacientes con anomalías del neurodesarrollo, el 98% del grupo de Transamidasa+Remodelación presentaba anomalías del neurodesarrollo, frente al 73% del grupo de Síntesis. Más concretamente, el Grupo Transamidasa+Remodelación tuvo una mayor incidencia de retraso en el desarrollo neurológico, discapacidad intelectual y anomalías del comportamiento (92, 66 y 42%, respectivamente), mientras que el Grupo de Síntesis tuvo una población significativamente menor con estas anomalías (61, 16 y 15%, respectivamente) (Tabla 4).
La división que elegimos entre los Grupos de Síntesis y Transamidasa+Remodelación no es más que una de las muchas formas posibles de dividir la vía GPI, y razonamos que otras particiones podrían mostrar otras diferencias fenotípicas. Para explorar esto, definimos un grupo que consiste en los genes de síntesis de GPI así como los genes del complejo de transamidasas (Grupo de Síntesis+Transamidasa) y lo comparamos con los genes responsables de la remodelación de los ácidos grasos (Grupo de Remodelación). El grupo de remodelación está formado por los genes PGAP1, PGAP3, PGAP2 y PGAP5 (un subconjunto del grupo original Transamidasa+Remodelación). El grupo Síntesis+Transamidasa mostró un enriquecimiento de anomalías del tracto urinario. El grupo Remodelación mostró un enriquecimiento para algunos de los mismos términos que en el grupo Transamidasa+Remodelación, incluyendo Anomalía del comportamiento, Retraso del neurodesarrollo, Anomalía del paladar duro, Hendidura oral y Paladar hendido. Además, el grupo de Remodelación presentaba Circunferencia craneal disminuida, Localización ocular alterada, Anomalías de la morfología de las orejas y los párpados, Puente nasal ancho, Anomalías del labio superior y Fosfatasa alcalina elevada (Archivo adicional 1: Tabla S3).
Genes causales candidatos para los fenotipos componentes de las IGDs
Las mutaciones en los genes que codifican las enzimas de la vía de biosíntesis de la GPI dan lugar a un mal anclaje de las GPI-APs , pero la distribución anormal de las GPI-APs en las IGDs no se ha caracterizado en detalle. Nuestra hipótesis es que el anclaje incorrecto y, por lo tanto, la mala orientación de las GPI-AP individuales conduce a la disfunción de las proteínas dirigidas, lo que a su vez conduce a algunas o todas las anormalidades fenotípicas observadas en las IGD. Por lo tanto, una mejor comprensión de la mala orientación de las GPI-APs podría aclarar la patogénesis molecular de las IGDs y arrojar luz sobre las correlaciones genotipo-fenotipo.
Más de 142 proteínas humanas han sido identificadas en UniProt como ancladas a GPI (Archivo adicional 1: Tabla S2). De ellos, 23 (o el 16%) de estos genes que codifican para GPI-APs han sido asociados con al menos una enfermedad mendeliana (se identificaron un total de 34 enfermedades mendelianas), y por tanto, numerosos fenotipos que definen estas enfermedades. No observamos un enriquecimiento significativo de términos de la Ontología de Genes para los genes, ni un enriquecimiento de términos de la Ontología de Fenotipos de Mamíferos (incluyendo la letalidad embrionaria) entre los ortólogos de estos genes (datos no mostrados). Treinta y cuatro fenotipos de los pacientes con mutaciones en los genes anclados a la GPI se solapan con los fenotipos de los pacientes con CDG (tablas 1 y 2). El hecho de que la mutación del gen de la GPI-biosíntesis y las mutaciones de los genes anclados a la GPI puedan causar fenotipos superpuestos pero no idénticos es de esperar, ya que las mutaciones en la vía de la GPI-biosíntesis probablemente alterarían la actividad y la función de varias proteínas ancladas a la GPI y, por tanto, de múltiples vías de señalización.
Para profundizar en las vías afectadas por las mutaciones de los genes de la GPI-biosíntesis, investigamos los fenotipos que se observaron con mayor frecuencia en los Grupos de Síntesis o de Transamidasa+Remodelación. En el Grupo de Síntesis, se compararon los genes asociados a los 5 fenotipos característicos (Tabla 3). Un total de 102 genes se asociaron con enfermedades mendelianas que comparten cada una de las cinco características fenotípicas (Archivo adicional 1: Figura S1).
Al comparar los genes asociados con el Grupo de Transamidasa+Remodelación, dos genes se asociaron con 15 de los 16 fenotipos enriquecidos del Grupo de Transamidasa+Remodelación: la tirosina quinasa receptora del factor de crecimiento de fibroblastos (FGFR2), y un socio de señalización descendente, B-Raf (BRAF) (Archivo adicional 1: Figura S2). FGFR2 y B-Raf están asociados a todos los fenotipos del grupo Transamidase+Remodeling, excepto a las orejas grandes y carnosas. En particular, estos genes están asociados con el término parental de Orejas grandes y carnosas, Macrotia. La exclusión de Orejas grandes y carnosas puede deberse al hecho de que los pacientes presentan orejas grandes pero no Orejas grandes y carnosas, o podría deberse a la especificidad con la que los médicos presentan los datos de los pacientes o el detalle registrado por los conservadores e investigadores. Las mutaciones en FGFR2 se asocian a más de diez enfermedades distintas, como el síndrome de Pfeiffer y el síndrome de Crouzon . Las mutaciones en BRAF se asocian a siete enfermedades, incluyendo el síndrome de Noonan tipo 7 y el síndrome cardiofaciocutáneo.
Aunque ni FGFR2, una proteína que se extiende por la membrana, ni B-Raf han sido identificados como GPI-APs, se ha demostrado que FGFR2 se asocia con balsas lipídicas en oligodendrocitos y osteoblastos y la translocación de B-Raf se produce más rápidamente en presencia de balsas lipídicas . Los GPI-APs se asocian con las balsas lipídicas, lo que sugiere que ésta puede ser una vía alterada clave para las mutaciones específicas de la Transamidasa+Remodelación (Fig. 3). Varios otros socios de señalización dentro de la vía del FGFR2 también están asociados con las balsas lipídicas, incluyendo el ligando FGF2 , y el FRS2 . Puede haber varias dianas o interacciones con las GPI-APs y las vías de señalización del FGFR2.
Representación esquemática de la señalización del FGFR2 a través de la vía Ras/Raf/MAPK. FGFR2 y B-Raf se encontraron 2 asociados a 15 de los 16 fenotipos sobrerrepresentados en el Grupo Transamidasa+Remodelación y están en cascadas de señalización asociadas a balsas lipídicas que contienen proteínas ancladas a GPI. *Numerosos FGFs activan el FGFR2. Sólo se sabe que el FGF2 está asociado a las balsas lipídicas (púrpura)
Interesantemente, dos proteínas diana, la GPC3 y la GPC6 están asociadas a 25 de las anomalías fenotípicas asociadas a la GPI-AP (Tabla 5). Ambas proteínas son miembros de la familia de glicanos de proteoglicanos de heparán sulfato que se unen a la superficie citoplasmática de la membrana plasmática a través de un enlace GPI covalente. GPC3 puede actuar como un coreceptor de FGFR1 y FGFR2 necesario para la recepción y posterior retransmisión de las señales de FGF9 responsables del control del desarrollo vascular coronario , lo que sugiere una posible relación.