Significantly different clinical phenotypes associated with mutations in synthesis and transamidase+remodelling glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchor biosynthesis genes

In this work, számításos elemzést mutatunk be annak a kérdésnek a megválaszolására, hogy vannak-e különbségek a GPI-horgony bioszintézis szintézis és transzamidáz+remodellezés fázisában lévő génekkel összefüggő betegségek fenotípusos spektrumában (ábra. 1). Először átfogó irodalmi áttekintést végeztünk az összes olyan publikált esetjelentésről, amely olyan egyénekről szólt, akiknél a GPI-horgony útvonal valamely génjének variánsai által okozott betegséget diagnosztizáltak. Ezután a HPO-ban található kifejezések segítségével kivontuk a beteg adatait, a mutáció(k) adatait és az összes fenotípusos adatot minden egyes betegről (1. és 2. táblázat). A vizsgálatba 58 publikációból származó klinikai adatokat vontunk be, amelyek összesen 152 olyan egyéni beteget tartalmaztak, akikről részletes fenotípusleírások álltak rendelkezésre, és amelyek a GPI-bioszintézis útvonalában részt vevő összesen 22 génhez kapcsolódó IGD-ket képviselnek (Additional file 1: S1 táblázat).

Szintézis vs. transzamidáz+Remodelling fenotípusok

A GPI-bioszintézis útvonalát szintézis és transzamidáz+Remodelling szakaszokra osztottuk. A szintézis csoport enzimei közvetítik a GPI prekurzor gerincének összeépülését az endoplazmatikus retikulum (ER) membránjában. A transzamidáz+remodellező csoport enzimei elősegítik a GPI-nek az ER lumenében lévő újonnan szintetizált fehérje C-terminusához való kapcsolódását, a C-terminális GPI-addíciós jelző peptid leválasztását, és lehetővé teszik a lipid- és szénhidrát-oldallánc-modifikációkat, amelyek szabályozzák a GPI-AP mozgását az ER-ből a plazmamembránba (Ábra. 1, 1. és 2. táblázat).

Összehasonlítottuk a fenotípusos eltéréseket a Szintézis és a Transzamidáz+Remodelling Group gének mutációival rendelkező betegeknél. Számos csontvázfenotípus szignifikánsan nagyobb valószínűséggel fordult elő a bioszintetikus útvonal Szintézis szakaszában (Szintézis csoport) mutációval rendelkező betegeknél. A Szintézis csoportban gyakrabban fordult elő (a betegek 33%-ánál) a rendellenes ujjmorfológia (a HPO-kifejezések dőlt betűvel szerepelnek). A Szintézis csoport betegeinél megfigyelt egyéb fenotípusok a következők voltak: hiányzó disztális ujjpercek, az ujjak aplasiája/hipoplasiája, rövid ujj, széles ujj és széles lábujj, Clubbing, klinodaktíliák és egyéb rendellenességek (3. táblázat). A transzamidáz+Remodelling csoport betegeinél (a későbbi stádiumú génekben mutációval rendelkező betegeknél) kevesebbszer fordult elő rendellenes ujjmorfológia (6,7%, 3. táblázat). Például a Szintézis csoport betegeinél statisztikailag nagyobb valószínűséggel fordult elő rövid ujj (a betegek 24%-ánál), míg a Transzamidáz+Remodelling csoportban csak egy egyénnél (< 2%) jelezték, hogy rövid ujj volt (3. táblázat).

Mellett a szintéziscsoportos betegeknél szignifikánsan nagyobb valószínűséggel fordult elő rendellenes izommorfológia, rendellenes ínmorfológia és/vagy rendellenes ízületi morfológia. Ez főként a Flexiós kontraktúra kifejezéssel vagy annak leszármazottaival volt összefüggésben (2. ábra). A Szintézis csoportban a kilencvenhárom beteg közül tizennyolcnak volt flexiós kontraktúrája egy vagy több ízületben (a flexiós kontraktúra leszármazottja). A “kontraktúra” az izom vagy ín megrövidülése vagy megkeményedése, amely az adott ízület mozgásának elvesztéséhez vezet, és ezért a HPO izom-, ín- és ízületi hierarchiája alatt szerepel. A flexiós kontraktúrákon kívül egy maroknyi más típusú fenotípus ad jelentőséget ezeknek a szülői osztályoknak. A Szintéziscsoport egyik betegénél az Achilles-ín rendellenessége jelentkezett, amely az abnormális ínmorfológia gyermeke. Ami az ízületi morfológia rendellenességét illeti, egyetlen betegnek volt Axilláris pterygiája, ami a hónaljban lévő bőrhártya jelenléte . Ezenkívül több, a Szintézis csoportba tartozó betegnek és egyetlen, a Transzamidáz+Remodelling csoportba tartozó betegnek volt ízületi hipermobilitása (1. és 2. táblázat). A kontraktúrákon kívül számos más megfigyelt fenotípus is hozzájárult ahhoz, hogy a Szintézis csoportban jelentősen megnövekedett az abnormális izommorfológia fenotípus. Az ilyen fenotípusok közé tartozik az izomdisztrófia, a kamptodaktília, a generalizált amyotrófia, a makroglosszia, a myopátia, a peremes vakuolumok, az izomrostok hasadása, a vázizomzat atrófiája, az abnormális izom- és rostdisztrófin-expresszió. A Transamidase+Remodelling csoport két betegénél észleltek abnormális izommorfológiát, de ez a csoport különbözik a jelentett fenotípusok típusaiban (vázizom-atrófia és megnövekedett izomlipid-tartalom).

Transzamidáz+Remodellező csoport betegeinél összességében változatosabb fenotípusos eltéréseket mutatott, amelyek szelektíven érintették ezt a populációt, szemben a Szintézis csoporttal (3. és 4. táblázat). A leggyakoribb elváltozások a csont- és arcfejlődésben, valamint az idegrendszeri fejlődési zavarokban jelentkeztek. A csontsűrűség rendellenességeinek gyakorisága szignifikánsan magasabb a Transzamidáz+Remodellező csoport betegeinél, mint a Szintézis csoport betegeinél. Az oszteopénia, a csont ásványi sűrűségének a normálisnál alacsonyabb, de nem olyan súlyos, mint a csontritkulás, a Transamidase+Remodellező csoport betegeinek 22%-ánál fordult elő, míg a Szintézis csoportban a betegek mindössze 2%-ánál jelentették az oszteopéniát. Az oszteopénia szinte teljes mértékben hozzájárul a Csökkent csont ásványi sűrűség (szülői kifejezés), a Csont ásványi sűrűségének rendellenessége (nagyszülői kifejezés), a Rendellenes csontcsontosodás (dédnagyszülői kifejezés) és a Rendellenes csontszerkezet (dédnagyszülői kifejezés) esetében azonosított jelentőséghez a Transamidáz+Remodellező csoport betegeinél. Az egyetlen további megfigyelt abnormális csontszerkezeti fenotípus a Szintézis csoportban egyetlen betegnél megfigyelt vékony csontkéreg volt, a Transzamidáz+Remodellezés csoportban pedig két betegnél megfigyelték a Csökkent csont ásványi sűrűségét és egy betegnél a csontritkulást (4. táblázat).

Hasonlóképpen, a transzamidáz+Remodelling-csoport betegeinél, túlnyomórészt PGAP3-mutációval rendelkező betegeknél szignifikánsan nagyobb a makrotia valószínűsége. A Transzamidáz+Remodellező csoport betegeinél a makrotia (a standard eltérés kétszeresénél nagyobb nagy fülek) 25%-ban fordult elő, míg a Szintézis csoport betegeinél ez az előfordulási arány csak 2% volt. Ezen Transamidase+Remodellező csoportos betegek túlnyomó többségét úgy írták le, hogy kifejezetten nagy húsos fülekkel rendelkeztek, ami a Macrotia gyermeke (4. táblázat).

A Transamidase+Remodellező csoportos betegeknél talált egyéb arcfejlődési rendellenességek a következők voltak: rendellenes kemény szájpadlásmorfológia és annak gyermekkori megnevezése, szájpadhasadék. Mindkét fenotípus szignifikánsan nagyobb gyakorisággal fordult elő a Transzamidáz+Remodellező csoportban, mint a Szintézis csoportban (a betegek 29%-a vs. 6%-a) (4. táblázat, 2. ábra). A szájpadhasadék-hasadék volt a domináns fenotípus, amelyet a Transamidase+Remodelling csoport 16 betegénél azonosítottak (szemben a Szintézis csoport 6 betegével), ami azt eredményezte, hogy mind az abnormális kemény szájpadlásmorfológia, mind a szájpadhasadék-hasadék-hasadék elérte a szignifikanciát. Ezenkívül a Transzamidáz+Remodellező csoportban két beteget úgy írtak le, mint akiknek medián ajak- és szájpadhasadékuk volt, a szájpadhasadék dédunokája, ami szintén hozzájárult e két fenotípus szignifikanciájához (4. táblázat, 2. ábra). Mivel a szájpadhasadék kifejezésnek több szülője is van a HPO-ban, a szájpadhasadékot is szelektíven feldúsulva azonosították a Transzamidáz+Remodellező csoport betegeinél. A már említett fenotípusokon kívül az Oral cleft kifejezés jelentősége a Cleft upper lip és a Cleft lipből eredt (4. táblázat, 2. ábra).

Mindkét csoportban számos betegnek van az orr rendellenessége, de a Transamidase+Remodeling csoportban szignifikánsan nagyobb valószínűséggel volt az orrban elváltozás (Synthesis csoport = 28% vs. Transamidase+Remodeling csoport = 61%). Mindkét csoportban az orr rendellenességei, mint például a széles orrhegy és a széles orrnyereg a leggyakoribbak mindkét csoportban. Bár az orr számos rendellenessége mindkét csoportban jelen van, a kiemelkedő orr csak a Transamidase+Remodelling csoportban volt jelen (15%). Úgy tűnik, hogy a kiemelkedő orr erősen összefügg a PGAP3 mutációival, és csak ezeknél a betegeknél jelentették. A Szintézis csoportban egy betegnek volt Prominens orrhídja (4. táblázat).

Mindkét csoportot számos mentális és kognitív fenotípus érintette, azonban úgy tűnik, hogy a Remodelling csoportot gyakrabban érintette. Bár mindkét csoportban nagy százalékban fordult elő idegfejlődési rendellenesség, a Transzamidáz+Remodelling csoport 98%-ánál észleltek idegfejlődési rendellenességet, szemben a Szintézis csoport 73%-ával. Pontosabban, a Transzamidáz+Remodellező csoportban az idegfejlődési késés, az értelmi fogyatékosság és a viselkedési rendellenesség gyakoribb volt (92, 66, illetve 42%), míg a Szintézis csoportban lényegesen kisebb volt az ilyen rendellenességeket mutató populáció (61, 16, illetve 15%) (4. táblázat).

Az általunk választott felosztás a Szintézis és a Transzamidáz+Remodelling Csoportok között csak egy a GPI-útvonal felosztásának sok lehetséges módja közül, és arra gondoltunk, hogy más felosztások más fenotípusos különbségeket mutathatnak. Ennek feltárására a GPI-szintézis génjeiből, valamint a transzamidáz-komplex génjeiből álló csoportot határoztunk meg (Szintézis+Transzamidáz csoport), és összehasonlítottuk a zsírsav-remodellezésért felelős génekkel (Remodellező csoport). A Remodelling csoportot a PGAP1, PGAP3, PGAP2 és PGAP5 gének alkotják (az eredeti transzamidáz+Remodelling csoport egy alcsoportja). A Szintézis+Transzamidáz csoport a húgyúti anomáliák feldúsulását mutatta. A Remodelling csoport néhány, a transzamidáz+Remodelling csoporttal megegyező kifejezés tekintetében mutatott gazdagodást, beleértve a viselkedési rendellenességet, az idegi fejlődési késedelmet, a kemény szájpadlás rendellenességét, a szájpadhasadékot és a szájpadhasadékot. Ezenkívül a Remodelling csoportban csökkent fejkörfogat, megváltozott szemhelyzet, fül- és szemhéjmorfológiai rendellenességek, széles orrnyereg, felső ajak rendellenességek és emelkedett alkalikus foszfatáz volt (Additional file 1: S3 táblázat).

Az IGD-k komponens fenotípusainak jelölt okozó génjei

A GPI bioszintézis útvonal enzimjeit kódoló génekben bekövetkező mutációk a GPI-AP-k helytelen célzását eredményezik , de a GPI-AP-k rendellenes eloszlását az IGD-kben nem jellemezték részletesen. Feltételezésünk szerint az egyes GPI-AP-k hibás lehorgonyzódása és ezáltal rossz célzása a célzott fehérjék diszfunkciójához vezet, ami viszont az IGD-kben megfigyelt fenotípusos rendellenességek egy részéhez vagy mindegyikéhez vezet. A GPI-AP-k rossz célzásának jobb megértése ezért tisztázhatja az IGD-k molekuláris patogenezisét, és fényt deríthet a genotípus-fenotípus összefüggésekre.

Az UniProtban több mint 142 humán fehérjét azonosítottak GPI-horgonyzottként (Additional file 1: S2 táblázat). Ezek közül a GPI-AP-ket kódoló gének közül 23 (vagy 16%) legalább egy Mendel-kori betegséggel (összesen 34 Mendel-kori betegséget azonosítottak), és így számos fenotípussal, amely ezeket a betegségeket meghatározza. A gének ortológjai között nem tapasztaltuk a Gene Ontology kifejezések szignifikáns gazdagodását, sem az emlős fenotípus ontológia kifejezések (beleértve az embrionális letalitást) gazdagodását (az adatok nem láthatóak). A GPI-anchored gének mutációival rendelkező betegek harmincnégy fenotípusa átfedésben van a CDG-betegek fenotípusaival (1. és 2. táblázat). Az a tény, hogy a GPI-bioszintézis génmutáció és a GPI-horgonyzott génmutációk átfedő, de nem azonos fenotípusokat okozhatnak, várható, mivel a GPI-bioszintézis útvonal mutációi valószínűleg számos GPI-horgonyzott fehérje aktivitását és funkcióját, és így több jelátviteli útvonalat is megváltoztatnak.

A GPI-bioszintézis génmutációk által érintett útvonalak további feltárása érdekében megvizsgáltuk azokat a fenotípusokat, amelyek a Szintézis vagy Transzamidáz+Remodelling csoportokban gyakoribbnak bizonyultak. A Szintézis csoportban az 5 jellegzetes fenotípushoz (3. táblázat) kapcsolódó géneket hasonlítottuk össze. Összesen 102 gént társítottak olyan mendeli betegségekkel, amelyek mind az öt fenotípusos jellemzővel rendelkeznek (Additional file 1: S1 ábra).

A Transamidase+Remodelling csoporthoz társított gének összehasonlításakor a 16 Transamidase+Remodelling csoportban felerősödött fenotípusból 15-tel két gén társult: a fibroblaszt növekedési faktor receptor tirozinkináz (FGFR2) és egy downstream jelátviteli partner, a B-Raf (BRAF) (Additional file 1: S2 ábra). Az FGFR2 és a B-Raf a Transamidase+Remodelling Group fenotípusok mindegyikéhez társul, kivéve a Nagy húsos fülűeket. Figyelemre méltó, hogy ezek a gének a nagy húsos fülek szülői kifejezésével, a makrotípiával társulnak. A Nagy húsos fülek kizárásának oka lehet az, hogy a betegek nagy fülekkel jelentkeznek, de nem Nagy húsos fülekkel, vagy pedig az orvosok által a betegek adatainak bemutatásakor alkalmazott specifikusság, illetve a kurátorok és kutatók által rögzített részletesség lehet az oka. Az FGFR2 mutációit több mint tíz különböző betegséggel hozzák összefüggésbe, köztük a Pfeiffer-szindrómával és a Crouzon-szindrómával . A BRAF mutációi hét betegséggel, köztük a 7-es típusú Noonan-szindrómával és a kardiofaciocutan szindrómával hozhatók összefüggésbe.

Noha sem az FGFR2-t, egy membránokon átívelő fehérjét, sem a B-Raf-ot nem azonosították GPI-AP-ként, kimutatták, hogy az FGFR2 lipidtutajokhoz társul oligodendrocitákban és osteoblastokban, és a B-Raf transzlokációja gyorsabban történik lipidtutajok jelenlétében . A GPI-AP-k lipid raftokhoz társulnak, ami arra utal, hogy ez lehet a Transamidase+Remodelling-Group-specifikus mutációk kulcsfontosságú megváltozott útvonala (3. ábra). Az FGFR2 útvonalon belül számos más jelátviteli partner is lipid raftokhoz társul, beleértve a ligandum FGF2-t és az FRS2-t . A GPI-AP-kkel és az FGFR2 jelátviteli útvonalakkal számos célpont vagy kölcsönhatás lehet.

Érdekes, hogy két célfehérje, a GPC3 és a GPC6 25 GPI-AP-hez társuló fenotípusos rendellenességgel társul (5. táblázat). Mindkét fehérje a heparán-szulfát-proteoglikánok glipikán családjának tagja, amelyek kovalens GPI-kapcsolat révén a plazmamembrán citoplazmatikus felszínéhez kötődnek. A GPC3 FGFR1 és FGFR2 coreceptorként működhet, amely szükséges a koszorúér-fejlődés szabályozásáért felelős FGF9 jelek vételéhez és későbbi továbbításához , ami lehetséges kapcsolatra utal.

.