In dit werk, presenteren wij een computationele analyse om de vraag te beantwoorden of er verschillen zijn in het fenotypische spectrum van ziekten geassocieerd met genen in de synthese en transamidase+remodeling fasen van GPI anker biosynthese (Fig. 1). We voerden eerst een uitgebreide literatuurstudie uit van alle gepubliceerde case reports over personen bij wie een ziekte werd vastgesteld die werd veroorzaakt door varianten in een GPI-anker pathway gen. Vervolgens extraheerden we de patiëntinformatie, de mutatie(s) informatie, en alle fenotypische gegevens over elke patiënt met behulp van termen uit de HPO (Tabellen 1 en 2). Klinische gegevens van 58 publicaties werden opgenomen in deze studie, met een totaal van 152 individuele patiënten voor wie gedetailleerde fenotypische beschrijvingen beschikbaar waren, die IGDs vertegenwoordigen geassocieerd met een totaal van 22 genen betrokken bij de GPI-biosynthese pathway (Additional file 1: Table S1).
Synthese vs. Transamidase+Remodeling fenotypes
We verdeelden de GPI-biosynthese pathway in Synthese en Transamidase+Remodeling fasen. Enzymen in de synthese groep mediëren assemblage van de GPI precursor ruggengraat in het endoplasmatisch reticulum (ER) membraan. Enzymen in de Transamidase+Remodeling groep vergemakkelijken de koppeling van het GPI aan de C-terminus van een nieuw gesynthetiseerd eiwit in het lumen van het ER, splitsing van een C-terminaal GPI-additie signaalpeptide, en maken modificaties mogelijk van de lipide- en koolhydraatzijketens die de GPI-AP-transport van het ER naar het plasmamembraan regelen (Fig. 1, Tabellen 1 en 2).
Wij vergeleken de fenotypische afwijkingen bij patiënten met mutaties in de Synthese en Transamidase+Remodeling Groep genen. Verschillende skeletfenotypes kwamen significant vaker voor bij patiënten met mutaties in de synthese-fase van de biosynthese-route (Synthese-groep). In de Synthese Groep kwam vaker (33% van de patiënten) Abnormale digit morfologie voor (HPO termen cursief weergegeven). Andere fenotypes die werden waargenomen bij de patiënten van de Synthese Groep waren Afwezige distale vingerkootjes, Aplasie/Hypoplasie van vingers, Korte teen, Brede vinger en Brede teen, Clubbing, Clinodactylie, en andere afwijkingen (Tabel 3). Transamidase+Remodeling Groep patiënten (patiënten met mutaties in de latere fase genen) hadden minder incidenties van Abnormale digit morfologie (6,7%, Tabel 3). Zo hebben patiënten uit de Synthese Groep statistisch gezien een grotere kans op korte vingers (24% van de patiënten), terwijl bij slechts één individu (< 2%) in de Transamidase+Hermodeling Groep sprake was van korte vingers (Tabel 3).
Daarenboven hadden patiënten uit de synthese-groep significant meer kans op Abnormale spiermorfologie, Abnormale peesmorfologie en/of Abnormale gewrichtsmorfologie. Dit was voornamelijk gerelateerd aan de term Flexie contractuur of afstammelingen daarvan (Fig. 2). Achttien van de drieënnegentig patiënten in de Synthese groep hadden een flexie contractuur van één of meer gewrichten (afstammeling van Flexie contractuur). Een “contractuur” is een verkorting of verharding van de spier of pees die leidt tot bewegingsverlies van dat gewricht en wordt daarom vermeld onder de spier-, pees-, en gewrichtshiërarchieën van de HPO. Naast flexiecontracturen zijn er nog een handvol andere fenotypen die aan deze ouderklassen betekenis toevoegen. Eén patiënt van de Synthese Groep vertoonde abnormaliteit van de achillespees, een kind van Abnormale peesmorfologie. Wat de Abnormaliteit van de gewrichtsmorfologie betreft, had één patiënt Axillaire pterygie, wat de aanwezigheid is van een cutaan membraan in de oksel. Bovendien hadden verschillende patiënten van de Synthese Groep en een enkele patiënt van de Transamidase+Hermodellering Groep hypermobiliteit van de gewrichten (Tabellen 1 en 2). Naast contracturen droegen verschillende andere waargenomen fenotypes bij aan het feit dat het fenotype Abnormale spiermorfologie significant verhoogd was in de Synthese Groep. Deze fenotypes omvatten Spierdystrofie, Camptodactylie, Gegeneraliseerde amyotrofie, Macroglossia, Myopathie, Rimmed vacuoles, Spiervezel splitsing, Skeletspier atrofie, Abnormale spier, en vezel dystrofine expressie. Bij twee patiënten van de Transamidase+Remodeling-groep is Abnormale spiermorfologie vastgesteld, maar deze groep verschilt in de soorten fenotypen die zijn gemeld (Skeletspieratrofie en Verhoogd spierlipidegehalte).
Exemplaar van HPO-hiërarchie. De hiërarchie in de HPO voor gespleten gehemelte en aangrenzende fenotypen
Transamidase+Remodeling-groep-patiënten vertoonden over het geheel genomen meer uiteenlopende fenotypische afwijkingen die deze populatie selectief troffen dan de Synthese-groep (tabellen 3 en 4). De meest voorkomende veranderingen betroffen de bot- en gezichtsontwikkeling en neurologische ontwikkelingsstoornissen. De frequentie van Abnormaliteit van de botdichtheid is significant hoger in Transamidase+Remodeling Groep patiënten in vergelijking met de Synthese Groep patiënten. Osteopenie, een vermindering van de botmineraaldichtheid beneden normaal, maar niet zo ernstig als osteoporose, kwam voor bij 22% van de patiënten van de Transamidase+Remodeling-groep, terwijl slechts 2% van de patiënten van de Synthese-groep osteopenie bleek te hebben. Osteopenie draagt bijna volledig bij aan de significantie die is vastgesteld in Verminderde botmineraaldichtheid (ouderterm), Abnormale botmineraaldichtheid (grootouderterm), Abnormale botvervorming (overgrootouderterm), en Abnormale botstructuur (over-over-overgrootouderterm) bij de patiënten van de Transamidase+Remodeling Groep. De enige andere afwijkingen in de botstructuur die werden waargenomen waren een dunne botcortex bij één patiënt in de synthesegroep en een verminderde botmineraaldichtheid bij twee patiënten en osteoporose bij één patiënt in de Transamidase+Hermodeling-groep (tabel 4).
Zo hebben ook patiënten in de Transamidase+Remodeling-groep, voornamelijk patiënten met PGAP3-mutaties, significant meer kans op Macrotia. De Transamidase+Remodeling Groep patiënten werden geclassificeerd als patiënten met Macrotia (grote oren groter dan 2x de standaardafwijking) 25% van de tijd, terwijl de incidentie slechts 2% was voor de Synthese Groep patiënten. De overgrote meerderheid van deze Transamidase+Remodeling Groep patiënten werd beschreven als specifiek hebbend Grote vlezige oren, een kind van Macrotia (Tabel 4).
Andere afwijkingen in de ontwikkeling van het gezicht gevonden bij Transamidase+Remodeling Groep patiënten waren Abnormale harde gehemelte morfologie en de kinderterm, Cleft palate. Beide fenotypes kwamen significant vaker voor in de Transamidase+Remodeling Groep in vergelijking met de Synthese Groep (29% vs. 6% van de patiënten) (Tabel 4, Fig. 2). Gespleten gehemelte was het overheersende fenotype dat werd geïdentificeerd bij 16 patiënten uit de Transamidase+Remodeling-groep (vs. 6 patiënten in de Synthese-groep), waarbij zowel Abnormale morfologie van het harde gehemelte als Gespleten gehemelte significantie bereikten. Bovendien werden twee patiënten in de Transamidase+Remodeling Groep beschreven als patiënten met Mediane gespleten lip en gehemelte, achterkleinkind van gespleten gehemelte, wat ook bijdroeg aan de significantie van deze twee fenotypes (Tabel 4, Fig. 2). Omdat de term gespleten gehemelte meerdere ouders heeft in de HPO, werd gespleten gehemelte ook geïdentificeerd als selectief verrijkt in Transamidase+Remodeling Groep patiënten. Naast de reeds genoemde fenotypes, kwam de betekenis van de term Orale spleet voort uit Gespleten bovenlip en Gespleten lip (Tabel 4, Fig. 2).
Een groot aantal patiënten in beide groepen heeft Afwijkingen aan de neus, maar patiënten in de Transamidase+Remodeling Groep hadden significant meer kans op aanpassingen aan hun neus (Synthese Groep = 28% vs. Transamidase+Remodeling Groep = 61%). Beide groepen hebben afwijkingen aan de neus, zoals een brede neustip en een brede neusbrug die het meest voorkomen in elke groep. Hoewel veel van de neusafwijkingen in beide groepen aanwezig zijn, werd een prominente neus alleen aangetroffen in de Transamidase+Remodeling Groep (15%). Prominente neus lijkt sterk geassocieerd te zijn met mutaties in PGAP3 en werd alleen bij die patiënten gerapporteerd. Eén patiënt in de Synthese Groep had een Prominente neusbrug (Tabel 4).
Er zijn talrijke mentale en cognitieve fenotypen die beide groepen beïnvloeden, maar de Remodeling Groep lijkt vaker te zijn beïnvloed. Hoewel beide groepen een groot percentage patiënten met een neurologische ontwikkelingsstoornis hebben, werd bij 98% van de Transamidase+Hermodeling Groep een neurologische ontwikkelingsstoornis vastgesteld, tegenover 73% bij de Synthese Groep. Meer specifiek had de Transamidase+Hermodeling Groep een verhoogde incidentie van Neuro-ontwikkelingsachterstand, Intellectuele handicap, en Gedragsafwijking (92, 66, en 42%, respectievelijk), terwijl de Synthese Groep een significant kleinere populatie met deze afwijkingen had (61, 16, en 15%, respectievelijk) (Tabel 4).
De door ons gekozen verdeling tussen Synthese en Transamidase+Remodeling Groepen is slechts één van de vele mogelijke manieren om de GPI pathway te verdelen, en wij redeneerden dat andere verdelingen andere fenotypische verschillen zouden kunnen vertonen. Om dit te onderzoeken, definieerden wij een groep bestaande uit de GPI synthese genen en de transamidase complex genen (Synthese+Transamidase Groep) en vergeleken deze met de genen verantwoordelijk voor vetzuur ombouw (Remodeling Groep). De remodeling-groep bestaat uit de genen PGAP1, PGAP3, PGAP2, en PGAP5 (een subset van de oorspronkelijke Transamidase+Remodeling-groep). De Synthese+Transamidase groep toonde een verrijking van de urineweg anomalieën. De Remodeling-groep vertoonde een verrijking voor enkele van dezelfde termen als in de Transamidase+Remodeling-groep, waaronder Afwijking van het gedrag, Neurologische ontwikkelingsachterstand, Afwijking van het harde gehemelte, Orale spleet, en Gespleten gehemelte. Bovendien had de Remodeling groep een verminderde hoofdomtrek, veranderde oog locatie, Oor en Ooglid morfologie afwijkingen, Brede neusbrug, Bovenlip afwijkingen, en Verhoogde alkalische fosfatase (Additional file 1: Tabel S3).
Kandidaat causale genen voor component fenotypes van de IGDs
Mutaties in genen die coderen voor enzymen van de GPI biosynthese pathway resulteren in verkeerde targeting van GPI-APs , maar de abnormale distributie van GPI-APs in de IGDs is niet in detail gekarakteriseerd. Onze hypothese is dat verkeerde verankering en bijgevolg verkeerde targeting van individuele GPI-APs leidt tot disfunctie van de beoogde eiwitten, wat op zijn beurt leidt tot sommige of alle fenotypische afwijkingen die waargenomen worden in de IGDs. Een beter begrip van de mishandeling van GPI-APs zou daarom de moleculaire pathogenese van de IGDs kunnen verduidelijken en licht werpen op genotype-fenotype correlaties.
Meer dan 142 menselijke eiwitten zijn in UniProt geïdentificeerd als zijnde GPI-geankerd (Additional file 1: Tabel S2). Hiervan zijn 23 (of 16%) van deze genen die coderen voor GPI-APs in verband gebracht met ten minste één Mendeliaanse ziekte (in totaal werden 34 Mendeliaanse ziekten geïdentificeerd), en dus ook met talrijke fenotypen die deze ziekten definiëren. We hebben geen significante verrijking van Gene Ontology termen voor de genen waargenomen, noch een verrijking van Mammalian Phenotype Ontology termen (inclusief embryonale letaliteit) onder de orthologs van deze genen (data niet weergegeven). Vierendertig fenotypen bij patiënten met mutaties in GPI-geankerde genen overlappen met de fenotypen van CDG-patiënten (Tabel 1 en 2). Het feit dat GPI-biosynthese genmutaties en GPI-anchored genmutaties overlappende maar niet identieke fenotypes kunnen veroorzaken, wordt verwacht omdat mutaties in de GPI-biosynthese pathway waarschijnlijk de activiteit en functie van een aantal GPI-anchored eiwitten, en dus meerdere signaalwegen, zouden veranderen.
Om verder te verdiepen in de pathways die beïnvloed worden door GPI-biosynthese genmutaties, onderzochten we de fenotypes die vaker werden waargenomen in de Synthese of Transamidase+Remodeling groepen. In de Synthese Groep werden de genen vergeleken die geassocieerd waren met de 5 karakteristieke fenotypes (Tabel 3). In totaal werden 102 genen geassocieerd met Mendeliaanse ziekten die elk van de vijf fenotypische kenmerken delen (Additional file 1: Figuur S1).
Wanneer de genen geassocieerd met de Transamidase+Remodeling Groep werden vergeleken, werden twee genen geassocieerd met 15 van de 16 Transamidase+Remodeling Groep verrijkte fenotypes: fibroblast growth factor receptor tyrosine kinase (FGFR2), en een downstream signaleringspartner, B-Raf (BRAF) (Additional file 1: Figuur S2). FGFR2 en B-Raf zijn geassocieerd met alle Transamidase+Remodeling Groep fenotypes behalve Grote vlezige oren. Opmerkelijk is dat deze genen geassocieerd zijn met de ouderterm van Grote vlezige oren, Macrotia. De uitsluiting van Grote vlezige oren kan te wijten zijn aan het feit dat patiënten zich presenteren met grote oren maar niet met Grote vlezige oren, of het kan te wijten zijn aan de specificiteit waarin artsen patiëntengegevens presenteren of aan de details die door curatoren en onderzoekers worden vastgelegd. Mutaties in FGFR2 worden in verband gebracht met meer dan tien verschillende ziekten, waaronder het syndroom van Pfeiffer en het syndroom van Crouzon. Mutaties in BRAF zijn geassocieerd met zeven ziekten waaronder het Noonan syndroom type 7 en het Cardiofaciocutane syndroom.
Hoewel noch FGFR2, een membraan-spannend eiwit, noch B-Raf zijn geïdentificeerd als GPI-APs, is aangetoond dat FGFR2 associeert met lipide rafts in oligodendrocyten en osteoblasten en dat B-Raf translocatie sneller optreedt in de aanwezigheid van lipide rafts . GPI-AP’s zijn geassocieerd met lipid rafts wat suggereert dat dit een belangrijke veranderde route kan zijn voor Transamidase+Remodeling-Group-specifieke mutaties (Fig. 3). Verschillende andere signaalpartners binnen de FGFR2 signaalroute zijn ook geassocieerd met lipid rafts, waaronder ligand FGF2 , en FRS2 . Er kunnen verschillende doelwitten of interacties zijn met GPI-APs en FGFR2-signaleringsroutes.
Schematische weergave van FGFR2-signalering via de Ras/Raf/MAPK-route. FGFR2 en B-Raf werden geassocieerd met 15 van de 16 fenotypes die oververtegenwoordigd zijn in de Transamidase+Remodeling groep en maken deel uit van signaalcascades die geassocieerd zijn met lipide rafts die GPI-geankerde eiwitten bevatten. *Er zijn talrijke FGF’s die de FGFR2 activeren. Alleen van FGF2 is bekend dat het geassocieerd is met lipid rafts (paars)
Intrigerend is dat twee doeleiwitten, GPC3 en GPC6, geassocieerd zijn met 25 van GPI-AP geassocieerde fenotypische afwijkingen (tabel 5). Beide eiwitten zijn lid van de glypican familie van heparan sulfaat proteoglycanen die aan het cytoplasmatische oppervlak van de plasmamembraan zijn gebonden door middel van een covalente GPI linkage. GPC3 kan fungeren als een FGFR1 en FGFR2 coreceptor die nodig is voor de ontvangst en daaropvolgende doorgifte van de FGF9 signalen die verantwoordelijk zijn voor de controle van de coronaire vasculaire ontwikkeling, hetgeen wijst op een mogelijk verband.