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

W niniejszej pracy, przedstawiamy analizę obliczeniową mającą na celu odpowiedź na pytanie, czy istnieją różnice w spektrum fenotypowym chorób związanych z genami w fazach syntezy i transamidazy+remodelingu biosyntezy kotwicy GPI (ryc. 1). 1). W pierwszej kolejności dokonaliśmy kompleksowego przeglądu literatury dotyczącej wszystkich opublikowanych opisów przypadków osób, u których rozpoznano choroby wywołane wariantami w genach szlaku kotwic GPI. Następnie wyodrębniliśmy informacje o pacjencie, mutacji(ach) i wszystkie dane fenotypowe o każdym pacjencie używając terminów z HPO (Tabele 1 i 2). Do badania włączono dane kliniczne z 58 publikacji, obejmujące łącznie 152 indywidualnych pacjentów, dla których dostępne były szczegółowe opisy fenotypów, reprezentujących IGD związane z łącznie 22 genami zaangażowanymi w szlak biosyntezy GPI (Dodatkowy plik 1: Tabela S1).

Fenotypy Syntezy vs. Transamidazy+Remodelingu

Szlak biosyntezy GPI podzieliliśmy na etapy Syntezy i Transamidazy+Remodelingu. Enzymy w grupie Syntezy pośredniczą w montażu szkieletu prekursora GPI w błonie retikulum endoplazmatycznego (ER). Enzymy z grupy Transamidase+Remodeling ułatwiają przyłączenie GPI do C-końca nowo syntetyzowanego białka w świetle ER, rozszczepienie C-końcowego peptydu sygnałowego dodawania GPI oraz umożliwiają modyfikacje łańcucha bocznego lipidów i węglowodanów, które regulują przemieszczanie GPI-AP z ER do błony plazmatycznej (Ryc. 1). 1, tabele 1 i 2).

Porównaliśmy nieprawidłowości fenotypowe u pacjentów z mutacjami w genach Syntezy i Transamidase+Remodeling Group. Wystąpienie kilku fenotypów szkieletowych było znacząco bardziej prawdopodobne u pacjentów z mutacjami na etapie syntezy szlaku biosyntezy (Grupa Syntezy). Grupa Syntezy miała częstsze występowanie (33% pacjentów) nieprawidłowej morfologii palców (terminy HPO wymienione kursywą). Inne fenotypy obserwowane u pacjentów z Grupy Syntezy to: brak paliczków dystalnych, aplazja/hipoplazja palców, krótki palec u nogi, szeroki palec u nogi i szeroki palec u nogi, szpotawość, klinodaktylia i inne nieprawidłowości (Tabela 3). Pacjenci z grupy Transamidase+Remodeling (pacjenci z mutacjami w genach późniejszego etapu) mieli mniej przypadków nieprawidłowej morfologii palców (6,7%, Tabela 3). Na przykład, pacjenci z Grupy Syntezy statystycznie częściej mają Krótką Cyfrę (24% pacjentów), podczas gdy tylko jedna osoba (< 2%) została wskazana jako posiadająca Krótką Cyfrę w Grupie Transamidase+Remodeling (Tabela 3).

Ponadto, pacjenci z Grupy Synthesis istotnie częściej mieli Nieprawidłową morfologię mięśni, Nieprawidłową morfologię ścięgien i/lub Nieprawidłową morfologię stawów. Dotyczyło to głównie terminu przykurcz zgięciowy lub jego potomków (ryc. 2). Osiemnastu z dziewięćdziesięciu trzech pacjentów w grupie Synthesis miało przykurcz zgięciowy jednego lub więcej stawów (potomek przykurczu zgięciowego). Przykurcz” jest skróceniem lub stwardnieniem mięśnia lub ścięgna, które prowadzi do utraty ruchu tego stawu i dlatego jest wymieniony w hierarchii mięśni, ścięgien i stawów HPO. Oprócz przykurczów zgięciowych, kilka innych typów fenotypów dodaje znaczenie do tych klas rodzicielskich. Jeden z pacjentów Grupy Syntezy wykazał nieprawidłowość ścięgna Achillesa, która jest dzieckiem nieprawidłowej morfologii ścięgna. Jeśli chodzi o nieprawidłowości w morfologii stawów, jeden pacjent miał pterygię pachową, która jest obecnością błony skórnej w pachach. Ponadto kilku pacjentów z Grupy Syntezy i jeden pacjent z Grupy Transamidase+Remodeling mieli hipermobilność stawów (tabele 1 i 2). Poza przykurczami, kilka innych obserwowanych fenotypów przyczyniło się do tego, że fenotyp Nieprawidłowa morfologia mięśni był znacznie zwiększony w Grupie Syntezy. Do takich fenotypów należą: dystrofia mięśniowa, kamptodaktylia, amyotrofia uogólniona, makroglosja, miopatia, wakuole obrzeżone, rozszczepienie włókien mięśniowych, atrofia mięśni szkieletowych, nieprawidłowa ekspresja dystrofiny w mięśniach i włóknach. U dwóch pacjentów z grupy Transamidase+Remodeling odnotowano nieprawidłową morfologię mięśni, ale grupa ta różni się typami zgłaszanych fenotypów (zanik mięśni szkieletowych i zwiększona zawartość lipidów w mięśniach).

Pacjenci z Grupy Transamidaza+Remodeling, ogólnie, wykazywali bardziej zróżnicowane nieprawidłowości fenotypowe, które wybiórczo dotyczyły tej populacji, w przeciwieństwie do Grupy Synteza (Tabele 3 i 4). Najczęstsze zmiany dotyczyły rozwoju kości i twarzy oraz zaburzeń neurorozwojowych. Częstość występowania nieprawidłowości gęstości kości jest istotnie wyższa u pacjentów z grupy Transamidase+Remodeling w porównaniu z pacjentami z grupy Synthesis. Osteopenia, czyli zmniejszenie gęstości mineralnej kości poniżej normy, ale nie tak poważne jak osteoporoza, wystąpiła u 22% pacjentów z grupy Transamidase+Remodeling, podczas gdy osteopenię odnotowano tylko u 2% pacjentów z grupy Synthesis. Osteopenia prawie w całości przyczynia się do istotności zidentyfikowanej w Zmniejszonej gęstości mineralnej kości (termin macierzysty), Nieprawidłowej gęstości mineralnej kości (termin dziadkowy), Nieprawidłowym kostnieniu kości (termin pradziadkowy) i Nieprawidłowej strukturze kości (termin praprawnukowy) u pacjentów z Grupy Transamidase+Remodeling. Jedynymi dodatkowymi zaobserwowanymi fenotypami nieprawidłowej struktury kości była Cienka kora kostna zaobserwowana u jednego pacjenta w Grupie Syntezy , a u dwóch pacjentów zaobserwowano Zmniejszoną gęstość mineralną kości i Osteoporozę u jednego pacjenta w Grupie Transamidazy+Remodelingu (Tabela 4).

Podobnie, pacjenci w Grupie Transamidase+Remodeling, głównie pacjenci z mutacjami PGAP3, są znacząco bardziej narażeni na wystąpienie makrotii. Pacjenci z Grupy Transamidase+Remodeling byli klasyfikowani jako posiadający Makrotię (duże uszy większe niż 2x odchylenie standardowe) 25% czasu, podczas gdy częstość występowania wynosiła tylko 2% dla pacjentów z Grupy Syntezy. Zdecydowana większość pacjentów z Grupy Transamidase+Remodeling została opisana jako posiadająca duże mięsiste uszy, dziecko Makrotii (Tabela 4).

Inne nieprawidłowości rozwojowe twarzy znalezione u pacjentów z Grupy Transamidase+Remodeling to nieprawidłowa morfologia podniebienia twardego i jej termin dziecięcy, rozszczep podniebienia. Oba fenotypy występowały z istotnie większą częstością w grupie Transamidase+Remodeling w porównaniu z grupą Synthesis (29% vs. 6% pacjentów) (tab. 4, ryc. 2). Rozszczep podniebienia był dominującym fenotypem, który zidentyfikowano u 16 pacjentów z Grupy Transamidase+Remodeling (vs. 6 pacjentów z Grupy Synthesis), co spowodowało, że zarówno Nieprawidłowa morfologia podniebienia twardego, jak i Rozszczep podniebienia osiągnęły istotność. Dodatkowo dwóch pacjentów z Grupy Transamidase+Remodeling zostało opisanych jako osoby z medianowym rozszczepem wargi i podniebienia, prawnuki rozszczepu podniebienia, co również przyczyniło się do zwiększenia istotności tych dwóch fenotypów (tab. 4, ryc. 2). Ponieważ termin rozszczep podniebienia ma wielu rodziców w HPO, zidentyfikowano również rozszczep jamy ustnej jako selektywnie wzbogacony u pacjentów z grupy Transamidase+Remodeling. Poza wymienionymi już fenotypami, znaczenie terminu rozszczep jamy ustnej wynikało z rozszczepu wargi górnej i rozszczepu wargi (tab. 4, ryc. 2).

Nieliczni pacjenci w obu grupach mają nieprawidłowości nosa, ale pacjenci z Grupy Transamidase+Remodeling istotnie częściej mieli zmiany w obrębie nosa (Grupa Synthesis = 28% vs. Grupa Transamidase+Remodeling = 61%). W obu grupach najczęściej występowały nieprawidłowości w obrębie nosa, takie jak szeroka nasada nosa i szeroki mostek nosowy. Podczas gdy wiele nieprawidłowości nosa jest obecnych w obu grupach, wydatny nos został znaleziony tylko w grupie Transamidase+Remodeling (15%). Prominentny nos wydaje się być silnie związany z mutacjami w PGAP3 i został odnotowany tylko u tych pacjentów. Jeden pacjent w Grupie Syntezy miał Prominentny mostek nosowy (Tabela 4).

Istnieją liczne psychiczne i poznawcze fenotypy wpływające na obie grupy, jednak wydaje się, że Grupa Remodelingu była częściej dotknięta tym problemem. Podczas gdy obie grupy mają duży odsetek pacjentów z nieprawidłowościami neurorozwojowymi, 98% grupy Transamidase+Remodeling odnotowano z nieprawidłowościami neurorozwojowymi, w przeciwieństwie do 73% grupy Synthesis. Dokładniej, w Grupie Transamidase+Remodeling stwierdzono zwiększoną częstość występowania opóźnienia neurorozwojowego, niepełnosprawności intelektualnej i zaburzeń zachowania (odpowiednio 92, 66 i 42%), podczas gdy Grupa Syntezy miała znacznie mniejszą populację z tymi zaburzeniami (odpowiednio 61, 16 i 15%) (Tabela 4).

Wybrany przez nas podział na Grupę Syntezy i Grupę Transamidazy+Remodelingu jest tylko jednym z wielu możliwych sposobów podziału szlaku GPI i uznaliśmy, że inne podziały mogą wykazywać inne różnice fenotypowe. Aby to zbadać, zdefiniowaliśmy grupę składającą się z genów syntezy GPI oraz genów kompleksu transamidazy (Grupa Synteza+Transamidaza) i porównaliśmy ją z genami odpowiedzialnymi za remodeling kwasów tłuszczowych (Grupa Remodeling). Grupa Remodeling składa się z genów PGAP1, PGAP3, PGAP2 i PGAP5 (podzbiór oryginalnej grupy Transamidase+Remodeling). Grupa Synthesis+Transamidase wykazała wzbogacenie w anomalie układu moczowego. Grupa Remodeling wykazała wzbogacenie dla niektórych z tych samych terminów, co Grupa Transamidase+Remodeling, w tym nieprawidłowości behawioralnych, opóźnienia neurorozwojowego, nieprawidłowości podniebienia twardego, rozszczepu jamy ustnej i rozszczepu podniebienia. Dodatkowo, grupa Remodelingu miała Zmniejszony obwód głowy, Zmienione położenie oczu, Nieprawidłowości morfologii uszu i powiek, Szeroki mostek nosowy, Nieprawidłowości górnej wargi i Podwyższoną fosfatazę alkaliczną (Dodatkowy plik 1: Tabela S3).

Kandydackie geny przyczynowe dla fenotypów składowych IGDs

Mutacje w genach kodujących enzymy szlaku biosyntezy GPI powodują błędne ukierunkowanie GPI-APs , ale nieprawidłowa dystrybucja GPI-APs w IGDs nie została szczegółowo scharakteryzowana. Naszą hipotezą jest, że błędne zakotwiczenie i, co za tym idzie, błędne ukierunkowanie poszczególnych GPI-APs prowadzi do dysfunkcji białek docelowych, co z kolei prowadzi do niektórych lub wszystkich nieprawidłowości fenotypowych obserwowanych w IGDs. Lepsze zrozumienie błędnego ukierunkowania GPI-APs mogłoby zatem wyjaśnić molekularną patogenezę IGDs i rzucić światło na korelacje genotyp-fenotyp.

Ponad 142 ludzkie białka zostały zidentyfikowane w UniProt jako zakotwiczone w GPI (plik dodatkowy 1: Tabela S2). Spośród nich 23 (lub 16%) geny kodujące GPI-APs zostały powiązane z co najmniej jedną chorobą mendlowską (w sumie zidentyfikowano 34 choroby mendlowskie), a zatem z licznymi fenotypami, które definiują te choroby. Nie zaobserwowaliśmy znaczącego wzbogacenia terminów Gene Ontology dla tych genów, ani wzbogacenia terminów Mammalian Phenotype Ontology (w tym embrionalnej letalności) wśród ortologów tych genów (dane nie pokazane). Trzydzieści cztery fenotypy u pacjentów z mutacjami w genach zakotwiczonych w GPI pokrywają się z fenotypami pacjentów z CDG (Tabela 1 i 2). Fakt, że mutacje genów GPI-biosyntezy i mutacje genów zakotwiczonych w GPI mogą powodować nakładające się, ale nie identyczne fenotypy, jest oczekiwany, ponieważ mutacje w szlaku GPI-biosyntezy prawdopodobnie zmieniłyby aktywność i funkcję wielu białek zakotwiczonych w GPI, a zatem wielu szlaków sygnałowych.

Aby dalej zagłębić się w szlaki dotknięte mutacjami genów GPI-biosyntezy, zbadaliśmy fenotypy, które zaobserwowano, aby były częstsze w Grupach Syntezy lub Transamidazy + Przemodelowania. W Grupie Syntezy porównano geny związane z 5 charakterystycznymi fenotypami (Tabela 3). W sumie 102 geny były związane z chorobami mendlowskimi, które dzielą każdą z pięciu cech fenotypowych (plik dodatkowy 1: Figura S1).

Przy porównywaniu genów związanych z Grupą Transamidase+Remodeling, dwa geny były związane z 15 z 16 fenotypów wzbogaconych przez Grupę Transamidase+Remodeling: kinaza tyrozynowa receptora czynnika wzrostu fibroblastów (FGFR2) i partner sygnalizacyjny downstream, B-Raf (BRAF) (plik dodatkowy 1: Figura S2). FGFR2 i B-Raf są związane ze wszystkimi fenotypami grupy Transamidase+Remodeling, z wyjątkiem dużych mięsistych uszu. Warto zauważyć, że te geny są związane z terminem macierzystym dużych mięsistych uszu, Macrotia. Wykluczenie dużych mięsistych uszu może wynikać z faktu, że pacjenci mają duże uszy, ale nie mają dużych mięsistych uszu, lub może to być spowodowane specyfiką, w jakiej lekarze przedstawiają dane pacjentów lub szczegółowością zapisu przez kuratorów i badaczy. Mutacje w FGFR2 są związane z ponad dziesięcioma różnymi chorobami, w tym z zespołem Pfeiffera i zespołem Crouzona. Mutacje w BRAF są związane z siedmioma chorobami, w tym zespołem Noonan typu 7 i zespołem sercowo-skórnym.

Ale ani FGFR2, białko rozprzestrzeniające się w błonie, ani B-Raf nie zostały zidentyfikowane jako GPI-APs, wykazano, że FGFR2 wiąże się z tratwami lipidowymi w oligodendrocytach i osteoblastach, a translokacja B-Raf zachodzi szybciej w obecności tratw lipidowych. GPI-APs są związane z tratwami lipidowymi, co sugeruje, że może to być kluczowa zmieniona ścieżka dla mutacji specyficznych dla Transamidase+Remodeling-Group (ryc. 3). Kilku innych partnerów sygnalizacyjnych w ramach szlaku FGFR2 jest również związanych z tratwami lipidowymi, w tym ligand FGF2 i FRS2 . Może istnieć kilka celów lub interakcji z GPI-APs i szlakami sygnalizacyjnymi FGFR2.

Co ciekawe, dwa białka docelowe, GPC3 i GPC6 są związane z 25 nieprawidłowościami fenotypowymi związanymi z GPI-AP (Tabela 5). Oba białka są członkami rodziny glipikanów proteoglikanów siarczanu heparanu, które są związane z cytoplazmatyczną powierzchnią błony plazmatycznej poprzez kowalencyjne połączenie GPI. GPC3 może działać jako coreceptor FGFR1 i FGFR2 wymagany do odbioru, a następnie przekazywania sygnałów FGF9 odpowiedzialnych za kontrolę rozwoju naczyń wieńcowych, co sugeruje możliwy związek.

.