Työssämme esitellään, esitämme laskennallisen analyysin, jolla pyrimme vastaamaan kysymykseen, onko GPI-ankkurin biosynteesin synteesi- ja transamidaasi+remodeling-vaiheissa oleviin geeneihin liittyvien sairauksien fenotyyppisessä kirjossa eroja (Kuva. 1). Teimme ensin kattavan kirjallisuuskatsauksen kaikista julkaistuista tapausraporteista, jotka koskivat henkilöitä, joilla oli diagnosoitu GPI-ankkurireitin geenin varianttien aiheuttamia sairauksia. Sen jälkeen poimimme potilastiedot, mutaatiotiedot ja kaikki fenotyyppiset tiedot kustakin potilaasta käyttäen HPO:n termejä (taulukot 1 ja 2). Tähän tutkimukseen sisällytettiin kliiniset tiedot 58 julkaisusta, jotka käsittivät yhteensä 152 yksittäistä potilasta, joista oli saatavilla yksityiskohtaiset fenotyyppiset kuvaukset, ja jotka edustivat IGD:tä, jotka liittyivät yhteensä 22:een GPI-biosynteesireittiin osallistuvaan geeniin (Lisätiedosto 1: Taulukko S1).
Synteesi- vs. transamidaasi+Remodelointi-fenotyypit
Jakauttimme GPI-biosynteesireitin synteesi- ja transamidaasi+remodelointivaiheisiin. Synteesiryhmän entsyymit välittävät GPI:n esiasteen selkärangan kokoamista endoplasmisen retikulumin (ER) kalvossa. Transamidaasi + uudelleenmuokkaus -ryhmän entsyymit helpottavat GPI:n kytkeytymistä vastasyntetisoidun proteiinin C-terminaaliin ER:n luumenissa, C-terminaalisen GPI:n lisäyssignaalipeptidin pilkkomista ja mahdollistavat lipidien ja hiilihydraattien sivuketjujen modifikaatiot, jotka säätelevät GPI:n ja AP:n kulkeutumista ER:stä plasmamembraaniin (kuva 1). 1, taulukot 1 ja 2).
Vertailimme fenotyyppisiä poikkeavuuksia potilailla, joilla oli mutaatioita Synteesi- ja Transamidase+Remodeling Group -geeneissä. Useita luuston fenotyyppejä esiintyi merkitsevästi todennäköisemmin potilailla, joilla oli mutaatioita biosynteesireitin Synthesis-vaiheessa (Synthesis-ryhmä). Synteesiryhmässä esiintyi useammin (33 % potilaista) epänormaalia sormien morfologiaa (HPO-termit lueteltu kursiivilla). Muita synteesiryhmän potilailla havaittuja fenotyyppejä olivat puuttuvat distaaliset falangit, sormien aplasia/hypoplasia, lyhyt sormi, leveä sormi ja leveä varvas, rystyset, klinodaktylia ja muut poikkeavuudet (taulukko 3). Transamidaasi+Remodeling-ryhmän potilailla (potilailla, joilla oli mutaatioita myöhemmän vaiheen geeneissä) oli vähemmän poikkeavaa sormen morfologiaa (6,7 %, taulukko 3). Esimerkiksi synteesiryhmän potilailla on tilastollisesti todennäköisemmin lyhyt sormi (24 %:lla potilaista), kun taas transamidaasi+remodelointiryhmässä vain yhdellä yksilöllä (< 2 %) todettiin lyhyt sormi (taulukko 3).
Taulukko 3 Merkittävästi yliedustetut synteesiryhmän fenotyypit
Synteesiryhmän potilailla oli lisäksi merkitsevästi todennäköisemmin epänormaalia lihasmorfologiaa, epänormaalia jänteen morfologiaa ja/tai epänormaalia nivelmorfologiaa. Tämä liittyi pääasiassa termiin fleksiokontraktuura tai sen jälkeläiset (kuva 2). Synteesiryhmän yhdeksästäkymmenestäkolmesta potilaasta kahdeksallatoista oli yhden tai useamman nivelen fleksiokontraktuura (fleksiokontraktuuran jälkeläinen). Kontraktuura on lihaksen tai jänteen lyheneminen tai kovettuminen, joka johtaa kyseisen nivelen liikkeen menetykseen, ja siksi se luetellaan HPO:n lihas-, jänne- ja nivelhierarkioissa. Fleksiokontraktuurien lisäksi kourallinen muita fenotyyppejä lisää näiden vanhempien luokkien merkitystä. Yhdellä synteesiryhmän potilaalla todettiin akillesjänteen poikkeavuus, joka on poikkeavan jänteen morfologian lapsi. Mitä tulee nivelmorfologian poikkeavuuteen, yhdellä potilaalla oli Axillary pterygia, joka on ihonalaisen kalvon esiintyminen kainalossa . Lisäksi useilla Synteesi-ryhmän potilailla ja yhdellä Transamidase+Remodeling-ryhmän potilaalla oli nivelten hypermobiliteetti (taulukot 1 ja 2). Kontraktuurien lisäksi useat muut havaitut fenotyypit vaikuttivat siihen, että Epänormaali lihasmorfologia -fenotyyppi oli merkittävästi lisääntynyt synteesiryhmässä. Tällaisia fenotyyppejä ovat lihasdystrofia, kamptodaktylia, yleistynyt amyotrofia, makroglossia, myopatia, reunimmaiset vakuolit, lihassyiden halkeilu, luurankolihasatrofia, epänormaali lihaksen ja kuitujen dystrofiinin ilmentyminen. Kahdella Transamidase+Remodeling-ryhmän potilaalla on todettu epänormaalia lihasmorfologiaa, mutta tämä ryhmä eroaa raportoitujen fenotyyppien osalta (luurankolihaksen atrofia ja lihaksen lisääntynyt lipidipitoisuus).
Esimerkki HPO:n hierarkiasta. HPO:n hierarkia suulakihalkion ja lähi-ilmiöiden
Transamidaasi+Remallinnusryhmän potilailla näkyi kaiken kaikkiaan monipuolisempia fenotyyppisiä poikkeavuuksia, jotka koskivat valikoivasti tätä populaatiota, kuin synteesiryhmän potilailla (taulukot 3 ja 4). Yleisimmät muutokset liittyivät luuston ja kasvojen kehitykseen sekä neurologisiin kehityshäiriöihin. Luuntiheyden poikkeavuuden esiintymistiheys on huomattavasti suurempi Transamidase+Remodeling-ryhmän potilailla kuin Synteesi-ryhmän potilailla. Osteopeniaa, luun mineraalitiheyden pienenemistä alle normaalin, mutta ei yhtä vakavaa kuin osteoporoosi, esiintyi 22 prosentilla Transamidaasi+Remallinnusryhmän potilaista, kun taas synteesiryhmän potilaista vain 2 prosentilla raportoitiin osteopeniaa. Osteopenia selittää lähes kokonaan Transamidaasi+Saneerausryhmän potilailla havaitun merkityksen luun mineraalitiheyden vähenemisessä (vanhempien termi), luun mineraalitiheyden poikkeavuudessa (isovanhempien termi), luun epänormaalissa luutumisessa (isoisovanhempien termi) ja luun epänormaalissa rakenteessa (isoisovanhempien termi). Ainoat ylimääräiset havaitut epänormaalit luustorakenteen fenotyypit olivat ohuehko luukuori, joka havaittiin yhdellä potilaalla synteesiryhmässä , ja kahdella potilaalla havaittiin alentunut luun mineraalitiheys ja yhdellä potilaalla osteoporoosi transamidaasi+Remallinnus -ryhmässä (taulukko 4).
Transamidaasi+Remallinnusryhmän potilailla, pääasiassa potilailla, joilla on PGAP3-mutaatioita, on vastaavasti huomattavasti todennäköisemmin makrotia. Transamidaasi+Remodeling-ryhmän potilailla makrotia (suuret korvat yli 2x keskihajonta) todettiin 25 %:lla tapauksista, kun taas synteesiryhmän potilailla esiintyvyys oli vain 2 %. Valtaosalla näistä Transamidaasi+Remallinnusryhmän potilaista kuvattiin olevan nimenomaan suuret lihaksikkaat korvat, makrotian lapsi (taulukko 4).
Transamidaasi+Remallinnusryhmän potilailla havaittuja muita kasvojen kehityspoikkeavuuksia olivat epänormaali kovan suulakihalkion morfologia ja sen lapsitermi, suulakihalkio. Molempia fenotyyppejä esiintyi huomattavasti useammin Transamidase+Remodeling-ryhmässä kuin Synteesi-ryhmässä (29 % vs. 6 % potilaista) (taulukko 4, kuva 2). Cleft palate oli hallitseva fenotyyppi, joka tunnistettiin 16:lla Transamidaasi+Remodeling-ryhmän potilaalla (vs. 6 potilasta synteesiryhmässä), minkä seurauksena sekä epänormaali kovan kitalaen morfologia että Cleft palate saavuttivat merkitsevyyden. Koska termillä Cleft palate (suulakihalkio) on HPO:ssa useita vanhempia, myös Oral cleft (suulakihalkio) tunnistettiin valikoivasti rikastuneeksi Transamidase+Remodeling Group -ryhmän potilailla. Jo mainittujen fenotyyppien lisäksi termin Oral cleft merkitys johtui Cleft upper lip ja Cleft lip (Taulukko 4, Kuva 2).
Kummassakin ryhmässä lukuisilla potilailla on nenän poikkeavuuksia, mutta Transamidaasi+Remodeling-ryhmän potilailla oli huomattavasti todennäköisemmin muutoksia nenässä (Synteesi-ryhmä = 28 % vs. Transamidaasi+Remodeling-ryhmä = 61 %). Molemmissa ryhmissä oli nenän poikkeavuuksia, kuten leveä nenäkärki ja leveä nenäsilta, jotka olivat yleisimpiä kummassakin ryhmässä. Vaikka monia nenän poikkeavuuksia esiintyy molemmissa ryhmissä, ulkoneva nenä esiintyi vain transamidaasi+remodeling-ryhmässä (15 %). Etenevä nenä näyttää liittyvän vahvasti PGAP3:n mutaatioihin, ja sitä raportoitiin vain näillä potilailla. Yhdellä Synteesi-ryhmään kuuluvalla potilaalla oli näkyvä nenäsilta (taulukko 4).
Kummassakin ryhmässä esiintyy lukuisia psyykkisiä ja kognitiivisia fenotyyppejä, mutta Remodeling-ryhmässä näyttäisi kuitenkin olleen useammin vaikutusta. Vaikka molemmissa ryhmissä on suuri prosenttiosuus potilaista, joilla on neurologisia kehityshäiriöitä, 98 %:lla Transamidase+Remodeling-ryhmässä todettiin neurologisia kehityshäiriöitä, kun taas Synteesi-ryhmässä niitä oli 73 %. Tarkemmin sanottuna transamidaasi+Remodeling-ryhmässä neurokehityksen viivästyminen, älyllinen kehitysvammaisuus ja käytöshäiriöt olivat yleisempiä (92 %, 66 % ja 42 %), kun taas synteesiryhmässä näitä poikkeavuuksia esiintyi huomattavasti harvemmassa ryhmässä (61 %, 16 % ja 15 %) (taulukko 4).
Valitsemamme jako Synteesi- ja Transamidase+Remodeling-ryhmiin on vain yksi monista mahdollisista tavoista jakaa GPI-polku, ja päättelimme, että muissa jaotteluissa saattaisi esiintyä muita fenotyyppisiä eroja. Tutkiaksemme tätä määrittelimme ryhmän, joka koostuu GPI-synteesigeeneistä sekä transamidaasikompleksin geeneistä (Synteesi+Transamidaasiryhmä), ja vertasimme sitä rasvahappojen uudelleenmuokkauksesta vastaaviin geeneihin (Uudelleenmuokkausryhmä). Remodeling-ryhmä koostuu geeneistä PGAP1, PGAP3, PGAP2 ja PGAP5 (alkuperäisen transamidaasi+Remodeling-ryhmän osajoukko). Synteesi+Transamidaasi-ryhmässä havaittiin virtsateiden poikkeavuuksien rikastumista. Remodeling-ryhmässä ilmeni rikastumista joidenkin samojen termien osalta kuin transamidaasi+Remodeling-ryhmässä, mukaan lukien käyttäytymispoikkeavuus, neurologinen kehitysviive, kovan suulakihalkion poikkeavuus, suulakihalkio ja suulakihalkio. Lisäksi Remodelointiryhmässä oli pienentynyt pään ympärysmitta, muuttunut silmien sijainti, korvien ja silmäluomien morfologiset poikkeavuudet, leveä nenäsilta, ylähuulen poikkeavuudet ja kohonnut emäksinen fosfataasi (Additional file 1: Table S3).
Kandidaattigeenit IGD:iden komponenttifenotyyppien kausaaligeeneiksi
Mutaatiot geeneissä, jotka koodaavat GPI:n biosynteesireitin entsyymejä, johtavat GPI-AP:iden virheelliseen kohdentumiseen , mutta GPI-AP:iden epänormaalia jakaantumista IGD:issä ei ole karakterisoitu yksityiskohtaisesti. Hypoteesimme on, että yksittäisten GPI-AP:ien virheellinen kiinnittyminen ja siten virheellinen kohdentuminen johtaa kohdeproteiinien toimintahäiriöihin, jotka puolestaan johtavat joihinkin tai kaikkiin IGD:ssä havaittuihin fenotyyppisiin poikkeavuuksiin. GPI-AP:iden virheellisen kohdentumisen parempi ymmärtäminen voisi näin ollen selventää IGD:iden molekulaarista patogeneesiä ja valottaa genotyypin ja fenotyypin välisiä korrelaatioita.
Yli 142 ihmisen proteiinia on tunnistettu UniProt-tietokannassa GPI-ankkuroituneiksi (lisätiedosto 1: taulukko S2). Näistä 23:lla (eli 16 %:lla) näistä GPI-AP:itä koodaavista geeneistä on todettu yhteys vähintään yhteen Mendelin tautiin (yhteensä tunnistettiin 34 Mendelin tautia) ja siten lukuisiin fenotyyppeihin, jotka määrittelevät näitä tauteja. Emme havainneet näiden geenien ortologeissa merkittävää Gene Ontology -termien rikastumista emmekä Mammalian Phenotype Ontology -termien rikastumista (mukaan lukien alkion letaliteetti) (tietoja ei ole esitetty). Kolmekymmentäneljä fenotyyppiä potilailla, joilla on mutaatioita GPI-ankkuroituneissa geeneissä, ovat päällekkäisiä CDG-potilaiden fenotyyppien kanssa (taulukot 1 ja 2). Se, että GPI-biosynteesigeenin mutaatio ja GPI-ankkuroitujen geenien mutaatiot voivat aiheuttaa päällekkäisiä mutta eivät identtisiä fenotyyppejä, on odotettavissa, koska GPI-biosynteesireitin mutaatiot muuttaisivat todennäköisesti useiden GPI-ankkuroitujen proteiinien aktiivisuutta ja toimintaa ja näin ollen useita signalointireittejä.
Voidaksemme syventyä tarkemmin GPI-biosynteesigeenien mutaatioiden vaikutuksen kohteena oleviin reitteihin, tutkimme fenotyyppejä, jotka havaittiin yleisemmiksi syntetisaasi- tai transamidaasi+remodelointi-ryhmissä. Synteesiryhmässä verrattiin geenejä, jotka liittyivät viiteen tyypilliseen fenotyyppiin (taulukko 3). Yhteensä 102 geeniä assosioitui Mendelin tauteihin, jotka jakavat jokaisen viidestä fenotyyppisestä ominaispiirteestä (lisätiedosto 1: kuva S1).
Vertailtaessa Transamidaasi+Muokkausryhmään assosioituneita geenejä, kaksi geeniä assosioitui 15:een 16:sta Transamidaasi+Muokkausryhmään rikastuneesta fenotyypistä: fibroblastikasvutekijän reseptorityrosiinikinaasiin (fibroblastikasvutekijän reseptorityrosiinikinaasiin (FGFR2)) ja alempana olevaan merkkipartneriinsa, B- Raf:iin (BRAF:iin) (lisätiedosto 1: kuva S2). FGFR2 ja B-Raf liittyvät kaikkiin Transamidase+Remodeling Group -ryhmän fenotyyppeihin lukuun ottamatta Suuria lihaksikkaita korvia. Huomionarvoista on, että nämä geenit ovat yhteydessä suurten lihaksikkaiden korvien kantatermiin, makrotiaan. Suurten lihaksikkaiden korvien poissulkeminen voi johtua siitä, että potilailla esiintyy suuria korvia mutta ei suuria lihaksikkaita korvia, tai se voi johtua siitä, että lääkärit esittävät potilastiedot tai kuraattoreiden ja tutkijoiden kirjaamat yksityiskohdat ovat niin tarkkoja. FGFR2:n mutaatiot liittyvät yli kymmeneen eri sairauteen, kuten Pfeifferin oireyhtymään ja Crouzonin oireyhtymään . BRAF:n mutaatiot liittyvät seitsemään sairauteen, mukaan lukien Noonanin oireyhtymä tyyppi 7 ja Cardiofaciocutaneous-oireyhtymä.
Vaikka sen enempää FGFR2:ta, joka on kalvoja läpäisevä proteiini, kuin B-Raf:ia ei ole tunnistettu GPI-AP:ksi, FGFR2:n on osoitettu assosioituvan lipidilauttojen kanssa oligodendrosyyteissä ja osteoblasteissa, ja B-Raf:n translokaatio tapahtuu nopeiten lipidilauttojen läsnä ollessa . GPI-AP:t assosioituvat lipidilauttoihin, mikä viittaa siihen, että tämä voi olla keskeinen muuttunut reitti Transamidase+Remodeling-Group-spesifisille mutaatioille (kuva 3). Useat muut FGFR2-reitin signalointikumppanit liittyvät myös lipidilautoihin, mukaan lukien ligandi FGF2 ja FRS2 . GPI-AP:iden ja FGFR2-signalointireittien kanssa voi olla useita kohteita tai vuorovaikutuksia.
Skeemaattinen esitys FGFR2:n signaloinnista Ras/Raf/MAPK-reitin kautta. FGFR2:n ja B-Rafin havaittiin 2 liittyvän 15:een 16:sta transamidaasi+Remodeling-ryhmässä yliedustetusta fenotyypistä, ja ne kuuluvat GPI-ankkuroituja proteiineja sisältäviin lipidilauttoihin liittyviin signalointikaskadeihin. *Lukuiset FGF:t aktivoivat FGFR2:ta. Ainoastaan FGF2:n tiedetään liittyvän lipidilauttoihin (violetti)
Mielenkiintoista on, että kaksi kohdeproteiinia, GPC3 ja GPC6, liittyvät 25:een GPI-AP:hen liittyvään fenotyyppiseen poikkeavuuteen (taulukko 5). Molemmat proteiinit ovat heparaanisulfaattiproteoglykaanien glypikaaniperheen jäseniä, jotka sitoutuvat plasmakalvon sytoplasmapinnalle kovalenttisen GPI-sidoksen välityksellä. GPC3 voi toimia FGFR1- ja FGFR2-ydinreseptorina, jota tarvitaan sepelvaltimoiden verisuonten kehityksen hallinnasta vastaavien FGF9-signaalien vastaanottamiseen ja myöhempään välittämiseen , mikä viittaa mahdolliseen yhteyteen.
.