Fenotipi clinici significativamente diversi associati a mutazioni nella sintesi e transamidasi + rimodellamento glicosilfosfatidilinositolo (GPI)-geni di biosintesi dell’ancora

In questo lavoro, presentiamo un’analisi computazionale per affrontare la questione se ci sono differenze nello spettro fenotipico delle malattie associate a geni nella sintesi e transamidasi + rimodellamento fasi di GPI ancora biosintesi (Fig. 1). Abbiamo prima eseguito una revisione completa della letteratura di tutti i casi pubblicati su individui con diagnosi di malattie causate da varianti in un gene del percorso GPI-anchor. Abbiamo poi estratto le informazioni sul paziente, le informazioni sulla mutazione e tutti i dati fenotipici su ogni paziente utilizzando i termini dell’HPO (Tabelle 1 e 2). I dati clinici di 58 pubblicazioni sono stati inclusi in questo studio, per un totale di 152 pazienti individuali per i quali erano disponibili descrizioni fenotipiche dettagliate, che rappresentano IGD associate a un totale di 22 geni coinvolti nella via di biosintesi GPI (file aggiuntivo 1: Tabella S1).

Fenotipi di sintesi vs. transamidasi+rimodellamento

Abbiamo diviso la via di biosintesi GPI in fasi di sintesi e transamidasi+rimodellamento. Gli enzimi del gruppo di sintesi mediano l’assemblaggio della spina dorsale del precursore di GPI nella membrana del reticolo endoplasmatico (ER). Gli enzimi del gruppo transamidasi+rimodellamento facilitano l’accoppiamento di GPI al C-terminale di una proteina appena sintetizzata all’interno del lume dell’ER, la scissione di un peptide segnale di aggiunta di GPI al C-terminale, e permettono le modifiche della catena laterale di lipidi e carboidrati che regolano il traffico di GPI-AP dall’ER alla membrana plasmatica (Fig. 1, Tabelle 1 e 2).

Abbiamo confrontato le anomalie fenotipiche in pazienti con mutazioni nei geni Synthesis e Transamidase+Remodeling Group. Diversi fenotipi scheletrici erano significativamente più probabilità di verificarsi in pazienti con mutazioni nella fase di sintesi della via biosintetica (gruppo sintesi). Il gruppo Synthesis ha avuto una maggiore occorrenza (33% dei pazienti) di morfologia anomala delle dita (termini HPO elencati in corsivo). Altri fenotipi osservati nei pazienti del gruppo Synthesis erano falangi distali assenti, aplasia/ipoplasia delle dita, dito corto, dito largo e dito largo, clubbing, clinodattilia e altre anomalie (tabella 3). I pazienti del gruppo Transamidase+Remodeling (pazienti con mutazioni nei geni della fase successiva) hanno avuto meno incidenze di morfologia anomala delle dita (6,7%, Tabella 3). Per esempio, i pazienti del gruppo Synthesis sono statisticamente più propensi ad avere Short digit (24% dei pazienti), mentre solo un individuo (< 2%) è stato indicato come avente un Short digit nel gruppo Transamidase+Remodeling (Tabella 3).

Inoltre, i pazienti del gruppo Synthesis avevano una probabilità significativamente maggiore di avere morfologia muscolare anormale, morfologia tendinea anormale e/o morfologia articolare anormale. Ciò era principalmente legato al termine Contrattura da flessione o ai suoi discendenti (Fig. 2). Diciotto dei novantatré pazienti del gruppo Synthesis avevano una contrattura da flessione di una o più articolazioni (discendente della contrattura da flessione). Una “contrattura” è un accorciamento o un indurimento del muscolo o del tendine che porta alla perdita di movimento di quell’articolazione e quindi è elencata sotto le gerarchie di muscoli, tendini e articolazioni dell’HPO. Oltre alle contratture da flessione, una manciata di altri tipi di fenotipi aggiunge significato a queste classi parentali. Un paziente del Synthesis Group ha mostrato un’anomalia del tendine d’Achille che è figlia della morfologia anomala del tendine. Per quanto riguarda l’Anomalia della morfologia articolare, un solo paziente aveva la pterigrafia ascellare, che è la presenza di una membrana cutanea nell’ascella. Inoltre, diversi pazienti del gruppo Synthesis e un singolo paziente del gruppo Transamidase+Remodeling avevano ipermobilità articolare (tabelle 1 e 2). Oltre alle contratture, diversi altri fenotipi osservati hanno contribuito a far sì che il fenotipo Morfologia muscolare anormale fosse significativamente aumentato nel gruppo Synthesis. Tali fenotipi includono distrofia muscolare, camptodattilia, amiotrofia generalizzata, macroglossia, miopatia, vacuoli cerchiati, divisione delle fibre muscolari, atrofia del muscolo scheletrico, muscolo anomalo e espressione della distrofina delle fibre. Due pazienti del gruppo Transamidase+Remodeling hanno notato morfologia muscolare anormale, ma questo gruppo differisce nei tipi di fenotipi riportati (atrofia del muscolo scheletrico e aumento del contenuto lipidico del muscolo).

I pazienti del gruppo Transamidase+Remodeling, nel complesso, hanno mostrato anomalie fenotipiche più diverse che hanno colpito selettivamente questa popolazione rispetto al gruppo Synthesis (tabelle 3 e 4). Le alterazioni più comuni erano nello sviluppo osseo e facciale e nelle disabilità del neurosviluppo. La frequenza delle anomalie della densità ossea è significativamente più alta nei pazienti del gruppo Transamidase+Remodeling rispetto ai pazienti del gruppo Synthesis. L’osteopenia, una riduzione della densità minerale ossea al di sotto della norma ma non così grave come l’osteoporosi, si è verificata nel 22% dei pazienti del gruppo Transamidase+Remodeling, mentre solo il 2% dei pazienti del gruppo Synthesis è stato segnalato come affetto da osteopenia. L’osteopenia contribuisce quasi interamente alla significatività identificata in Densità minerale ossea ridotta (termine dei genitori), Anomalia della densità minerale ossea (termine dei nonni), Ossificazione ossea anomala (termine dei bisnonni) e Struttura ossea anomala (termine dei trisavoli) nei pazienti del gruppo Transamidase+Remodeling. Gli unici ulteriori fenotipi di struttura ossea anormale osservati sono stati una corteccia ossea sottile osservata in un singolo paziente nel gruppo Synthesis, e in due pazienti è stata osservata una densità minerale ossea ridotta e osteoporosi in un paziente del gruppo Transamidase+Remodeling (tabella 4).

Similmente, i pazienti nel gruppo Transamidasi+Rimodellazione, prevalentemente pazienti con mutazioni PGAP3, hanno significativamente più probabilità di avere Macrotia. I pazienti del gruppo Transamidase+Remodeling sono stati classificati come aventi Macrotia (grandi orecchie maggiori di 2x la deviazione standard) il 25% delle volte, mentre l’incidenza era solo il 2% per i pazienti del gruppo Synthesis. La stragrande maggioranza di questi pazienti del gruppo Transamidase+Remodeling è stata descritta come avente specificamente grandi orecchie carnose, un figlio della Macrotia (Tabella 4).

Altre anomalie di sviluppo facciale trovate nei pazienti del gruppo Transamidase+Remodeling erano la morfologia anomala del palato duro e il suo termine infantile, la palatoschisi. Entrambi i fenotipi si sono verificati con una frequenza significativamente maggiore nel gruppo Transamidase+Remodeling rispetto al gruppo Synthesis (29% vs. 6% dei pazienti) (Tabella 4, Fig. 2). La palatoschisi è stato il fenotipo predominante identificato in 16 pazienti del gruppo Transamidase+Remodeling (rispetto a 6 pazienti del gruppo Synthesis), per cui sia la morfologia anomala del palato duro che la palatoschisi hanno raggiunto la significatività. Inoltre, due pazienti nel gruppo Transamidase+Remodeling sono stati descritti come aventi Labiopalatoschisi mediana, pronipote della palatoschisi, che ha anche contribuito alla significatività di questi due fenotipi (Tabella 4, Fig. 2). Poiché il termine Palatoschisi ha più genitori nell’HPO, anche la Labiopalatoschisi è stata identificata come selettivamente arricchita nei pazienti del gruppo Transamidase+Remodeling. Oltre ai fenotipi già menzionati, la significatività del termine Oral cleft derivava da Cleft upper lip e Cleft lip (Tabella 4, Fig. 2).

Numerosi pazienti in entrambi i gruppi hanno Anomalie del naso, ma i pazienti nel gruppo Transamidase+Remodeling avevano significativamente più probabilità di avere alterazioni del naso (Synthesis Group = 28% vs Transamidase+Remodeling Group = 61%). Entrambi i gruppi hanno anomalie del naso, come la punta nasale larga e il ponte nasale largo che sono i più comuni in ogni gruppo. Mentre molte delle anomalie del naso sono presenti in entrambi i gruppi, il naso prominente è stato trovato solo nel gruppo Transamidase+Remodeling (15%). Il naso prominente sembra essere fortemente associato alle mutazioni in PGAP3 ed è stato riportato solo in questi pazienti. Un paziente nel gruppo Synthesis aveva un ponte nasale prominente (tabella 4).

Ci sono numerosi fenotipi mentali e cognitivi che colpiscono entrambi i gruppi, tuttavia, il gruppo Remodeling sembra essere stato colpito più spesso. Mentre entrambi i gruppi hanno una grande percentuale di pazienti con anomalie del neurosviluppo, il 98% del gruppo Transamidasi+Rimodellamento è stato notato con anomalie del neurosviluppo, rispetto al 73% del gruppo Sintesi. Più specificamente, il gruppo Transamidase+Remodeling ha avuto una maggiore incidenza di ritardo del neurosviluppo, disabilità intellettiva e anomalie comportamentali (92, 66 e 42%, rispettivamente), mentre il gruppo Synthesis ha avuto una popolazione significativamente inferiore con queste anomalie (61, 16 e 15%, rispettivamente) (Tabella 4).

La divisione che abbiamo scelto tra i gruppi Synthesis e Transamidase+Remodeling è solo uno dei molti modi possibili di dividere il percorso GPI, e abbiamo ragionato sul fatto che altre partizioni potrebbero mostrare altre differenze fenotipiche. Per esplorare questo, abbiamo definito un gruppo composto dai geni della sintesi di GPI e dai geni del complesso transamidasi (gruppo Sintesi+Transamidasi) e lo abbiamo confrontato con i geni responsabili del rimodellamento degli acidi grassi (gruppo Rimodellamento). Il gruppo Rimodellamento è composto dai geni PGAP1, PGAP3, PGAP2 e PGAP5 (un sottoinsieme del gruppo originale Transamidasi+Rimodellamento). Il gruppo Sintesi+Transamidasi ha mostrato un arricchimento delle anomalie del tratto urinario. Il gruppo Rimodellamento ha mostrato un arricchimento per alcuni degli stessi termini del gruppo Transamidasi+Rimodellamento, tra cui Anomalia comportamentale, Ritardo del neurosviluppo, Anomalia del palato duro, Spaccatura orale e Palatoschisi. Inoltre, il gruppo Rimodellamento aveva una circonferenza della testa diminuita, posizione degli occhi alterata, anomalie della morfologia delle orecchie e delle palpebre, ponte nasale largo, anomalie del labbro superiore e fosfatasi alcalina elevata (file aggiuntivo 1: tabella S3).

Geni causali candidati per i fenotipi componenti delle IGD

Le mutazioni nei geni che codificano gli enzimi della via di biosintesi GPI risultano in un cattivo ancoraggio di GPI-APs, ma la distribuzione anomala di GPI-APs nelle IGDs non è stata caratterizzata in dettaglio. La nostra ipotesi è che il mis-anchoring e, quindi, il mistargeting di singole GPI-APs porta alla disfunzione delle proteine mirate che a sua volta porta ad alcune o tutte le anomalie fenotipiche osservate nelle IGDs. Una migliore comprensione del mistargeting delle GPI-APs potrebbe, quindi, chiarire la patogenesi molecolare delle IGDs e far luce sulle correlazioni genotipo-fenotipo.

Oltre 142 proteine umane sono state identificate in UniProt come GPI-anchored (Additional file 1: Table S2). Di questi, 23 (o 16%) di questi geni che codificano per GPI-APs sono stati associati ad almeno una malattia mendeliana (un totale di 34 malattie mendeliane sono state identificate), e quindi, numerosi fenotipi che definiscono queste malattie. Non abbiamo osservato un arricchimento significativo dei termini di Gene Ontology per i geni, né un arricchimento dei termini di Mammalian Phenotype Ontology (compresa la letalità embrionale) tra gli ortologhi di questi geni (dati non mostrati). Trentaquattro fenotipi in pazienti con mutazioni in GPI-anchored geni si sovrappongono con i fenotipi di pazienti CDG (Tabella 1 e 2). Il fatto che la mutazione del gene GPI-biosintesi e le mutazioni del gene GPI-anchored possano causare fenotipi sovrapposti ma non identici è atteso poiché le mutazioni nel percorso di GPI-biosintesi probabilmente alterano l’attività e la funzione di un certo numero di proteine GPI-anchored, e quindi, molteplici percorsi di segnalazione.

Per approfondire i percorsi interessati dalle mutazioni del gene GPI-biosintesi, abbiamo studiato i fenotipi che sono stati osservati essere più frequenti nei gruppi Sintesi o Transamidasi+Rimodellamento. Nel gruppo Sintesi, sono stati confrontati i geni associati ai 5 fenotipi caratteristici (tabella 3). Un totale di 102 geni sono stati associati a malattie mendeliane che condividono ciascuna delle cinque caratteristiche fenotipiche (File aggiuntivo 1: Figura S1).

Confrontando i geni associati al gruppo Transamidase+Remodeling, due geni sono stati associati a 15 dei 16 fenotipi arricchiti nel gruppo Transamidase+Remodeling: la fibroblast growth factor receptor tyrosine kinase (FGFR2) e un partner di segnalazione a valle, B-Raf (BRAF) (File aggiuntivo 1: Figura S2). FGFR2 e B-Raf sono associati a tutti i fenotipi del gruppo Transamidase+Remodeling, tranne le grandi orecchie carnose. In particolare, questi geni sono associati con il termine genitore di grandi orecchie carnose, Macrotia. L’esclusione di Grandi orecchie carnose può essere dovuta al fatto che i pazienti presentano grandi orecchie ma non Grandi orecchie carnose, o potrebbe essere dovuto alla specificità in cui i medici stanno presentando i dati dei pazienti o il dettaglio registrato da curatori e ricercatori. Le mutazioni in FGFR2 sono associate a più di dieci malattie distinte tra cui la sindrome di Pfeiffer e la sindrome di Crouzon. Le mutazioni in BRAF sono associate a sette malattie tra cui la sindrome di Noonan tipo 7 e la sindrome cardiofaciocutanea.

Anche se né FGFR2, una proteina che attraversa la membrana, né B-Raf sono stati identificati come GPI-APs, FGFR2 ha dimostrato di associarsi ai rafts lipidici negli oligodendrociti e negli osteoblasti e la traslocazione di B-Raf avviene più rapidamente in presenza di rafts lipidici. I GPI-AP sono associati alle zattere lipidiche suggerendo che questo può essere un percorso chiave alterato per le mutazioni specifiche del gruppo Transamidase+Remodeling (Fig. 3). Diversi altri partner di segnalazione all’interno del percorso FGFR2 sono anche associati con zattere lipidiche, tra cui FGF2 ligando, e FRS2 . Ci possono essere diversi bersagli o interazioni con i GPI-APs e le vie di segnalazione di FGFR2.

Interessante, due proteine bersaglio, GPC3 e GPC6 sono associate a 25 anomalie fenotipiche associate a GPI-AP (Tabella 5). Entrambe le proteine sono membri della famiglia dei glicani di proteoglicani eparan-solfato che sono legati alla superficie citoplasmatica della membrana plasmatica attraverso un legame covalente GPI. GPC3 può agire come un corecettore FGFR1 e FGFR2 richiesto per la ricezione e la successiva trasmissione dei segnali FGF9 responsabili del controllo dello sviluppo vascolare coronarico, suggerendo un possibile collegamento.