Fenotipuri clinice semnificativ diferite asociate cu mutații în genele de biosinteză a glicozilfosfatidilinositolului (GPI) de sinteză și transamidază+remodelare

În această lucrare, prezentăm o analiză computațională pentru a răspunde la întrebarea dacă există diferențe în spectrul fenotipic al bolilor asociate cu genele din fazele de sinteză și transamidază+remodelare ale biosintezei ancorei GPI (Fig. 1). Am efectuat mai întâi o analiză cuprinzătoare a literaturii de specialitate a tuturor rapoartelor de caz publicate despre persoane diagnosticate cu boli cauzate de variante într-o genă a căii ancorei GPI. Apoi am extras informațiile despre pacient, informațiile despre mutație(e) și toate datele fenotipice despre fiecare pacient folosind termeni din HPO (tabelele 1 și 2). Datele clinice din 58 de publicații au fost incluse în acest studiu, cuprinzând un total de 152 de pacienți individuali pentru care au fost disponibile descrieri fenotipice detaliate, reprezentând IGD asociate cu un total de 22 de gene implicate în calea de biosinteză GPI (Fișier suplimentar 1: Tabelul S1).

Fenotipuri de sinteză vs. fenotipuri de transamidază+remodelare

Am împărțit calea de biosinteză GPI în stadii de sinteză și transamidază+remodelare. Enzimele din grupul de sinteză mediază asamblarea coloanei vertebrale a precursorului GPI în membrana reticulului endoplasmatic (ER). Enzimele din grupul Transamidaza+Remodelare facilitează cuplarea GPI la extremitatea C-terminală a unei proteine nou sintetizate în lumenul ER, scindarea unei peptide semnal de adăugare a GPI la extremitatea C-terminală și permit modificări ale lanțului lateral al lipidelor și carbohidraților care reglează traficul GPI-AP de la ER la membrana plasmatică (Fig. 1, tabelele 1 și 2).

Am comparat anomaliile fenotipice la pacienții cu mutații în genele Synthesis și Transamidase+Remodeling Group. Mai multe fenotipuri scheletice au avut o probabilitate semnificativ mai mare de a apărea la pacienții cu mutații în etapa Synthesis a căii biosintetice (Grupul Synthesis). Grupul Synthesis a avut o apariție mai mare (33% dintre pacienți) a Morfologiei anormale a degetelor (termenii HPO enumerați folosind caractere italice). Alte fenotipuri observate la pacienții din Grupul Synthesis au fost: falange distale absente, plazie/hipoplazie a degetelor, degete scurte, degete late și degete late, clubbing, clinodactilie și alte anomalii (tabelul 3). Pacienții din Grupul Transamidază+Remodelare (pacienți cu mutații în genele din stadiile ulterioare) au avut mai puține incidențe de morfologie anormală a degetelor (6,7%, Tabelul 3). De exemplu, pacienții din Grupul Synthesis au o probabilitate statistic mai mare de a avea un deget scurt (24% dintre pacienți), în timp ce doar un singur individ (< 2%) a fost indicat ca având un deget scurt în Grupul Transamidase+Remodelare (Tabelul 3).

În plus, pacienții din Grupul Sinteză au avut o probabilitate semnificativ mai mare de a avea Morfologie musculară anormală, Morfologie anormală a tendonului și/sau Morfologie anormală a articulațiilor. Acest lucru a fost legat în principal de termenul de contractura de flexie sau de descendenții acesteia (Fig. 2). Optsprezece dintre cei nouăzeci și trei de pacienți din grupul Synthesis au avut o contractură de flexie a uneia sau mai multor articulații (descendent al contracției de flexie). O „contractura” este o scurtare sau o întărire a mușchiului sau a tendonului care duce la pierderea mișcării articulației respective și, prin urmare, este listată în cadrul ierarhiilor musculare, tendinoase și articulare din HPO. În plus față de contracturile de flexie, o mână de alte tipuri de fenotipuri adaugă semnificație acestor clase parentale. Un pacient din Synthesis Group a prezentat Anomalie a tendonului lui Ahile, care este un copil al Morfologiei anormale a tendonului. În ceea ce privește Anomalia morfologiei articulare, un singur pacient avea pterigia axilară, care este prezența unei membrane cutanate în axilă . În plus, mai mulți pacienți din Grupul Synthesis și un singur pacient din Grupul Transamidase+Remodelare prezentau hipermobilitate articulară (Tabelele 1 și 2). În afară de contracturi, mai multe alte fenotipuri observate au contribuit la faptul că fenotipul Morfologie musculară anormală a fost semnificativ mai mare în Grupul Synthesis. Astfel de fenotipuri includ Distrofie musculară, Camptodactilie, Amiotrofie generalizată, Macroglosie, Miopatie, Vacuole cu margini, Despicarea fibrelor musculare, Atrofia mușchilor scheletici, Expresie anormală a mușchilor și a fibrelor de distrofină. Doi pacienți din grupul Transamidaza+Remodelare au observat o morfologie musculară anormală, dar acest grup diferă prin tipurile de fenotipuri raportate (Atrofia mușchilor scheletici și Creșterea conținutului de lipide musculare).

Pacienții din grupul Transamidaza+Remodelare, în general, au prezentat anomalii fenotipice mai diverse care au afectat selectiv această populație, spre deosebire de cei din grupul Sinteză (tabelele 3 și 4). Cele mai frecvente alterări au fost în dezvoltarea osoasă și facială și în dizabilitățile de neurodezvoltare. Frecvența Anomaliei densității osoase este semnificativ mai mare la pacienții din Grupul Transamidase+Remodelare comparativ cu pacienții din Grupul Sinteză. Osteopenia, o reducere a densității minerale osoase sub nivelul normal, dar nu la fel de severă ca Osteoporoza, a apărut la 22% dintre pacienții din Grupul Transamidază+Remodelare, în timp ce doar 2% dintre pacienții din Grupul Sinteză au fost raportați ca având Osteopenie. Osteopenia contribuie aproape în întregime la semnificația identificată la Densitatea minerală osoasă redusă (termen părinte), Anomalie a densității minerale osoase (termen bunic), Osificare osoasă anormală (termen străbunic) și Structură osoasă anormală (termen stră-străbunic) la pacienții din Grupul Transamidază+Remodelare. Singurele fenotipuri suplimentare de structură osoasă anormală observate au fost un cortex osos subțire observat la un singur pacient din grupul Synthesis , iar la doi pacienți s-a observat o densitate minerală osoasă redusă și osteoporoză la un pacient din grupul Transamidase+Remodelare (tabelul 4).

În mod similar, pacienții din Grupul Transamidază+Remodelare, predominant pacienți cu mutații PGAP3, au o probabilitate semnificativ mai mare de a avea Macrotia. Pacienții din Grupul Transamidază+Remodelare au fost clasificați ca având Macrotia (urechi mari mai mari de 2 ori deviația standard) în 25% din cazuri, în timp ce incidența a fost de numai 2% pentru pacienții din Grupul Sinteză. Marea majoritate a acestor pacienți din Grupul Transamidază+Remodelare au fost descriși ca având în mod specific urechi mari și cărnoase, un copil al Macrotiei (Tabelul 4).

Alte anomalii de dezvoltare facială găsite la pacienții din Grupul Transamidază+Remodelare au fost Morfologia anormală a palatului dur și termenul său de copil, palat fisurat. Ambele fenotipuri au apărut cu o frecvență semnificativ mai mare în Grupul Transamidază+Remodelare în comparație cu Grupul Sinteză (29% față de 6% din pacienți) (Tabelul 4, Fig. 2). Falia palatului a fost fenotipul predominant identificat la 16 pacienți din Grupul Transamidază+Remodelare (față de 6 pacienți din Grupul Sinteză), ceea ce a făcut ca atât Morfologia anormală a palatului dur cât și Falia palatului să atingă semnificația. În plus, doi pacienți din Grupul Transamidază+Remodelare au fost descriși ca având fantă labio-palatină mediană, strănepoată de fantă palatină, ceea ce a contribuit, de asemenea, la semnificația acestor două fenotipuri (Tabelul 4, Fig. 2). Deoarece termenul Cleft palat are mai mulți părinți în HPO, s-a identificat, de asemenea, Cleft oral ca fiind îmbogățit în mod selectiv la pacienții din Grupul Transamidase+Remodelare. Pe lângă fenotipurile deja menționate, semnificația termenului Oral cleft a derivat din Cleft upper lip și Cleft lip (Tabelul 4, Fig. 2).

Numeroși pacienți din ambele grupuri prezintă Anomalii ale nasului, dar pacienții din Grupul Transamidază+Remodelare au fost semnificativ mai susceptibili de a avea modificări ale nasului (Grupul Sinteză = 28% vs. Grupul Transamidază+Remodelare = 61%). Ambele grupuri au anomalii ale nasului, cum ar fi Vârful nazal lat și Puntea nazală lată fiind cele mai frecvente în fiecare grup. În timp ce multe dintre anomaliile nasului sunt prezente în ambele grupuri, nasul proeminent a fost găsit doar în grupul Transamidaza+Remodelare (15%). Nasul proeminent pare să fie puternic asociat cu mutațiile în PGAP3 și a fost raportat doar la acești pacienți. Un pacient din Grupul Synthesis a avut o punte nazală proeminentă (Tabelul 4).

Există numeroase fenotipuri mentale și cognitive care afectează ambele grupuri, însă Grupul Remodelare pare să fi fost afectat mai des. În timp ce ambele grupuri au un procent mare de pacienți cu anomalii de neurodezvoltare, 98% din Grupul Transamidase+Remodelare au fost observați cu anomalii de neurodezvoltare, spre deosebire de 73% din Grupul Synthesis. Mai exact, Grupul Transamidază+Remodelare a avut o incidență crescută a întârzierilor de Neurodezvoltare, a dizabilității intelectuale și a anomaliilor comportamentale (92, 66 și, respectiv, 42%), în timp ce Grupul de Sinteză a avut o populație semnificativ mai mică cu aceste anomalii (61, 16 și, respectiv, 15%) (Tabelul 4).

Repartiția pe care am ales-o între Grupurile Synthesis și Transamidase+Remodelare este doar unul dintre multele moduri posibile de împărțire a căii GPI, și am motivat că alte împărțiri ar putea prezenta alte diferențe fenotipice. Pentru a explora acest aspect, am definit un grup format din genele de sinteză GPI, precum și din genele complexului transamidazei (Grupul Sinteză+Transamidază) și l-am comparat cu genele responsabile de remodelarea acizilor grași (Grupul Remodelare). Grupul Remodelare este format din genele PGAP1, PGAP3, PGAP2 și PGAP5 (un subset al grupului inițial Transamidază+Remodelare). Grupul Sinteză+Transamidază a prezentat o îmbogățire a anomaliilor tractului urinar. Grupul Remodelare a prezentat o îmbogățire pentru unii dintre aceiași termeni ca și în Grupul Transamidază+Remodelare, inclusiv Anomalie comportamentală, Întârziere în dezvoltarea neurologică, Anomalie a palatului dur, Fisură orală și Fantă palatină. În plus, grupul Remodelare a avut Circumferința craniană diminuată, Locație modificată a ochilor, Anomalii ale morfologiei urechilor și pleoapelor, Punte nazală lată, Anomalii ale buzei superioare și Fosfatază alcalină ridicată (Fișier suplimentar 1: Tabelul S3).

Gene cauzale candidate pentru fenotipurile componente ale IGD

Mutațiile în genele care codifică enzimele din calea biosintezei GPI au ca rezultat o direcționare greșită a GPI-APs , dar distribuția anormală a GPI-APs în IGD nu a fost caracterizată în detaliu. Ipoteza noastră este că ancorarea greșită și, prin urmare, direcționarea greșită a GPI-AP-urilor individuale duce la disfuncția proteinelor vizate, ceea ce, la rândul său, duce la unele sau la toate anomaliile fenotipice observate în IGD. O mai bună înțelegere a direcționării necorespunzătoare a GPI-AP ar putea, prin urmare, să clarifice patogeneza moleculară a IGD și să facă lumină asupra corelațiilor genotip-fenotip.

Peste 142 de proteine umane au fost identificate în UniProt ca fiind ancorate la GPI (Fișierul suplimentar 1: Tabelul S2). Dintre acestea, 23 (sau 16%) dintre aceste gene care codifică pentru GPI-AP au fost asociate cu cel puțin o boală mendeliană (au fost identificate în total 34 de boli mendeliene) și, prin urmare, numeroase fenotipuri care definesc aceste boli. Nu am observat o îmbogățire semnificativă a termenilor din Gene Ontology pentru aceste gene, nici o îmbogățire a termenilor din Mammalian Phenotype Ontology (inclusiv letalitatea embrionară) în rândul ortologilor acestor gene (datele nu sunt prezentate). Treizeci și patru de fenotipuri la pacienții cu mutații în genele ancorate în GPI se suprapun cu fenotipurile pacienților cu CDG (tabelul 1 și 2). Faptul că mutațiile genelor de GPI-biosinteză și mutațiile genelor ancorate în GPI pot cauza fenotipuri suprapuse, dar nu identice, este de așteptat, deoarece mutațiile din calea GPI-biosintezei ar modifica probabil activitatea și funcția unui număr de proteine ancorate în GPI și, prin urmare, mai multe căi de semnalizare.

Pentru a aprofunda în continuare căile afectate de mutațiile genelor de GPI-biosinteză, am investigat fenotipurile care au fost observate ca fiind mai frecvente în grupurile Sinteză sau Transamidază+Remodelare. În Grupul Synthesis, au fost comparate genele asociate cu cele 5 fenotipuri caracteristice (tabelul 3). Un total de 102 gene au fost asociate cu bolile mendeliene care împărtășesc fiecare dintre cele cinci caracteristici fenotipice (Fișier suplimentar 1: Figura S1).

Cu ocazia comparării genelor asociate cu Grupul Transamidază+Remodelare, două gene au fost asociate cu 15 din cele 16 fenotipuri îmbogățite din Grupul Transamidază+Remodelare: receptorul tirosin-kinazei factorului de creștere a fibroblastului (FGFR2) și un partener de semnalizare din aval, B-Raf (BRAF) (Fișier suplimentar 1: Figura S2). FGFR2 și B-Raf sunt asociate cu toate fenotipurile Grupului Transamidase+Remodelare, cu excepția Urechilor mari și cărnoase. În mod notabil, aceste gene sunt asociate cu termenul părinte al urechilor mari și cărnoase, Macrotia. Excluderea urechilor mari și cărnoase se poate datora faptului că pacienții prezintă urechi mari, dar nu și urechi mari și cărnoase, sau s-ar putea datora specificității cu care medicii prezintă datele pacienților sau detaliilor înregistrate de curatori și cercetători. Mutațiile în FGFR2 sunt asociate cu peste zece boli distincte, inclusiv sindromul Pfeiffer și sindromul Crouzon . Mutațiile în BRAF sunt asociate cu șapte boli, inclusiv sindromul Noonan tip 7 și sindromul Cardiofaciocutanat.

Deși nici FGFR2, o proteină care se întinde pe membrană, nici B-Raf nu au fost identificate ca GPI-APs, s-a demonstrat că FGFR2 se asociază cu plasele lipidice în oligodendrocite și osteoblaste, iar translocarea B-Raf are loc mai rapid în prezența plasei lipidice . GPI-APs sunt asociate cu rafturile lipidice, ceea ce sugerează că aceasta ar putea fi o cale alterată esențială pentru mutațiile specifice grupului Transamidaza+Remodelarea (Fig. 3). Mai mulți alți parteneri de semnalizare din cadrul căii FGFR2 sunt, de asemenea, asociați cu rafturile lipidice, inclusiv ligandul FGF2 , și FRS2 . Este posibil să existe mai multe ținte sau interacțiuni cu GPI-APs și căile de semnalizare FGFR2.

În mod interesant, două proteine țintă, GPC3 și GPC6 sunt asociate cu 25 de anomalii fenotipice asociate cu GPI-AP (tabelul 5). Ambele proteine sunt membre ale familiei glypican de proteoglicani de heparan sulfat care sunt legați de suprafața citoplasmatică a membranei plasmatice printr-o legătură covalentă GPI. GPC3 poate acționa ca un coreceptor FGFR1 și FGFR2 necesar pentru recepția și retransmiterea ulterioară a semnalelor FGF9 responsabile de controlul dezvoltării vasculare coronariene , sugerând o posibilă legătură.

.