Betydligt olika kliniska fenotyper förknippade med mutationer i syntes- och transamidas+ombildning av glykosylfosfatidylinositol (GPI)-förankringsbiosyntesgener

I detta arbete, presenterar vi en beräkningsanalys för att besvara frågan om det finns skillnader i det fenotypiska spektrumet av sjukdomar som är förknippade med gener i syntes- och transamidas+ombildningsfaserna av GPI-ankarbiosyntesen (Fig. 1). Vi utförde först en omfattande litteraturgenomgång av alla publicerade fallrapporter om personer som diagnostiserats med sjukdomar orsakade av varianter i en GPI-ankringsvägsgen. Därefter extraherade vi patientinformation, information om mutation(er) och alla fenotypiska data om varje patient med hjälp av termer från HPO (tabellerna 1 och 2). Kliniska data från 58 publikationer ingick i den här studien, som omfattade totalt 152 enskilda patienter för vilka detaljerade fenotypiska beskrivningar fanns tillgängliga, vilket representerar IGD:er som är associerade med totalt 22 gener som är involverade i GPI-biosyntesvägen (Additional file 1: Table S1).

Fenotyper för syntes vs. transamidas+modellering

Vi delade in GPI-biosyntesvägen i syntes- och transamidas+modelleringsstadier. Enzymer i syntesgruppen förmedlar sammansättning av GPI-prekursorryggen i det endoplasmatiska retikulumets (ER) membran. Enzymer i gruppen transamidas+modellering underlättar kopplingen av GPI till C-terminus av ett nysyntetiserat protein i ER:s lumen, klyvning av en C-terminal signalpeptid för GPI-tillsats och möjliggör lipid- och kolhydratmodifieringar av sidokedjan som reglerar GPI-AP-trafiken från ER till plasmamembranet (Fig. 1, tabellerna 1 och 2).

Vi jämförde de fenotypiska avvikelserna hos patienter med mutationer i generna Synthesis och Transamidase+Remodeling Group. Flera skelettfenotyper uppträdde signifikant oftare hos patienter med mutationer i syntesstadiet i biosyntesvägen (Synthesis Group). Syntesgruppen hade en större förekomst (33 % av patienterna) av onormal digitmorfologi (HPO-termerna anges med kursiv stil). Andra fenotyper som observerades hos patienterna i syntesgruppen var avsaknad av distala falanger, aplasi/hypoplasi hos fingrarna, kort finger, brett finger och bred tå, klubbning, klinodaktyli och andra abnormiteter (tabell 3). Transamidase+Remodeling Group-patienter (patienter med mutationer i generna i det senare stadiet) hade färre förekomster av Abnormal digit morfologi (6,7 %, tabell 3). Till exempel är det statistiskt sett vanligare att patienter i syntesgruppen har korta fingrar (24 % av patienterna), medan endast en individ (< 2 %) uppgavs ha korta fingrar i gruppen Transamidase+Remodeling (tabell 3).

För övrigt hade patienterna i syntesgruppen signifikant större sannolikhet att ha Onormal muskelmorfologi, Onormal senmorfologi och/eller Onormal ledmorfologi. Detta var främst relaterat till begreppet flexionskontraktur eller dess efterföljare (fig. 2). Arton av de nittiotre patienterna i syntesgruppen hade en flexionskontraktur i en eller flera leder (nedstigare av flexionskontraktur). En ”kontraktur” är en förkortning eller förhårdning av muskeln eller senan som leder till förlust av rörligheten i den aktuella leden och som därför förtecknas i HPO:s hierarkier för muskler, senor och leder. Förutom flexionskontrakturer finns det en handfull andra typer av fenotyper som ger betydelse åt dessa föräldraklasser. En av Synthesis Groups patienter uppvisade Abnormality of the Achilles tendon som är ett barn av Abnormal tendon morphology. När det gäller abnormitet i ledmorfologi hade en enda patient Axillary pterygia, vilket är förekomsten av ett hudmembran i armhålan. Dessutom hade flera patienter i syntesgruppen och en patient i transamidas+modelleringsgruppen hypermobilitet i lederna (tabellerna 1 och 2). Förutom kontrakturer bidrog flera andra observerade fenotyper till att fenotypen Onormal muskelmorfologi var signifikant ökad i syntesgruppen. Sådana fenotyper inkluderar Muskeldystrofi, Camptodaktyli, Generaliserad amyotrofi, Makroglossi, Myopati, Randiga vakuoler, Muskelfibersplittring, Skelettmuskelatrofi, Abnormalt muskel- och fiberdystrofinuttryck. Två patienter i Transamidase+Remodeling Group har noterat Abnormal muskelmorfologi, men denna grupp skiljer sig i de typer av fenotyper som rapporterats (Skelettmuskelatrofi och Ökat fettinnehåll i musklerna).

Patienter i gruppen transamidas+modellering uppvisade totalt sett mer varierande fenotypiska avvikelser som selektivt påverkade denna population i motsats till syntesgruppen (tabellerna 3 och 4). De vanligaste förändringarna gällde ben- och ansiktsutveckling och neurologiska utvecklingsstörningar. Frekvensen av abnormitet i bentäthet är betydligt högre hos patienterna i Transamidase+Remodeling Group jämfört med patienterna i Synthesis Group. Osteopeni, en minskning av benmineraltätheten under det normala men inte lika allvarlig som osteoporos, förekom hos 22 % av patienterna i Transamidase+Remodeling Group, medan endast 2 % av patienterna i Synthesis Group rapporterades ha osteopeni. Osteopeni bidrar nästan helt och hållet till den signifikans som identifierats i minskad benmineraltäthet (föräldraterm), onormal benmineraltäthet (far- eller morförälderterm), onormal benförbening (far- eller morförälderterm) och onormal benstruktur (far- eller mor- eller morförälderterm) hos patienterna i Transamidase+Remodeling Group. De enda ytterligare onormala benstrukturfenotyper som observerades var en tunn benkortex som observerades hos en enda patient i syntesgruppen , och två patienter observerades ha minskad benmineraltäthet och osteoporos hos en patient i transamidas+modelleringsgruppen (tabell 4).

Samma sak gäller för patienter i Transamidase+Remodeling-gruppen, främst patienter med PGAP3-mutationer, som har en signifikant högre sannolikhet att ha Macrotia. Patienterna i Transamidase+Remodeling Group klassificerades som att de hade Macrotia (stora öron större än 2x standardavvikelsen) i 25 % av fallen, medan incidensen endast var 2 % för patienterna i Synthesis Group. Den stora majoriteten av dessa patienter i Transamidase+Remodeling Group beskrevs specifikt ha stora köttiga öron, ett barn av makrotia (tabell 4).

Andra ansiktsutvecklingsavvikelser som påträffades hos patienter i Transamidase+Remodeling Group var onormal morfologi i den hårda gommen och dess barnbegrepp, gomspalt. Båda fenotyperna förekom med betydligt högre frekvens i Transamidase+Remodeling Group jämfört med Synthesis Group (29 % jämfört med 6 % av patienterna) (tabell 4, fig. 2). Gomspalt var den dominerande fenotypen som identifierades hos 16 patienter i Transamidase+Remodeling Group (jämfört med 6 patienter i Synthesis Group), vilket resulterade i att både Abnormal hard palate morphology och Gomspalt uppnådde signifikans. Dessutom beskrevs två patienter i Transamidase+Remodeling Group som median läpp- och gomspalt, barnbarnsbarn till gomspalt, vilket också bidrog till betydelsen av dessa två fenotyper (tabell 4, fig. 2). Eftersom termen gomspalt har flera föräldrar i HPO identifierades även oral spalt som selektivt anrikad hos patienter i Transamidase+Remodeling Group. Förutom de fenotyper som redan nämnts härrörde betydelsen av termen oral spalt från överläppspalt och läppspalt (tabell 4, fig. 2).

Antaliga patienter i båda grupperna har abnormitet i näsan, men patienterna i Transamidase+Remodeling Group hade betydligt större sannolikhet att ha förändringar i näsan (Synthesis Group = 28 % vs. Transamidase+Remodeling Group = 61 %). Båda grupperna har avvikelser i näsan, t.ex. bred nässpets och bred näsbrygga som är vanligast i varje grupp. Även om många av näsans abnormiteter förekommer i båda grupperna, så fanns framträdande näsa endast i gruppen Transamidase+Remodeling (15 %). Prominent nose verkar vara starkt associerad med mutationer i PGAP3 och rapporterades endast hos dessa patienter. En patient i Synthesis Group hade en Prominent nasal bridge (tabell 4).

Det finns många mentala och kognitiva fenotyper som drabbar båda grupperna, men Remodeling Group verkar dock ha påverkats oftare. Även om båda grupperna har en stor andel patienter med neurodevelopmental abnormality, noterades 98 % av Transamidase+Remodeling Group med neurodevelopmental abnormality, jämfört med 73 % av Synthesis Group. Mer specifikt hade Transamidase+Remodeling-gruppen en ökad förekomst av neurologisk utvecklingsförsening, intellektuell funktionsnedsättning och beteendemässiga avvikelser (92, 66 respektive 42 %), medan syntesgruppen hade en betydligt mindre population med dessa avvikelser (61, 16 respektive 15 %) (tabell 4).

Den uppdelning vi valde mellan Synthesis- och Transamidase+Remodeling-grupperna är bara ett av många möjliga sätt att dela upp GPI-banan, och vi resonerade att andra uppdelningar skulle kunna visa andra fenotypiska skillnader. För att undersöka detta definierade vi en grupp bestående av GPI-syntesgener samt transamidaskomplexgener (Synthesis+Transamidase Group) och jämförde den med de gener som är ansvariga för ommodellering av fettsyror (Remodeling Group). Remodelinggruppen består av generna PGAP1, PGAP3, PGAP2 och PGAP5 (en delmängd av den ursprungliga Transamidase+Remodeling-gruppen). Syntes+Transamidas-gruppen visade en anrikning av anomalier i urinvägarna. Remodeling-gruppen visade berikning för några av samma termer som i Transamidase+Remodeling-gruppen, inklusive Beteendeavvikelse, Neurodevelopmental delay, Abnormality of the hard palate, Oral cleft och Cleft palate. Dessutom hade gruppen med ommodellering minskad huvudomkrets, förändrad ögonplacering, avvikelser i morfologin hos öron och ögonlock, bred näsbrygga, avvikelser i överläppen och förhöjt alkaliskt fosfatas (Additional file 1: Table S3).

Kandidatkausala gener för komponentfenotyper av IGD

Mutationer i gener som kodar för enzymer i GPI-biosyntesvägen resulterar i felaktig målinriktning av GPI-APs , men den onormala fördelningen av GPI-APs i IGD har inte karakteriserats i detalj. Vår hypotes är att felaktig förankring och därmed felaktig målinriktning av enskilda GPI-AP leder till dysfunktion hos de målinriktade proteinerna, vilket i sin tur leder till några eller alla de fenotypiska abnormiteter som observerats i IGD:erna. En bättre förståelse av felaktig målinriktning av GPI-APs skulle därför kunna klargöra den molekylära patogenesen för IGD och belysa genotyp-fenotypkorrelationer.

Över 142 mänskliga proteiner har identifierats i UniProt som GPI-förankrade (Additional file 1: Table S2). Av dessa har 23 (eller 16 %) av dessa gener som kodar för GPI-APs förknippats med minst en Mendelsk sjukdom (totalt identifierades 34 Mendelssjukdomar), och därmed många fenotyper som definierar dessa sjukdomar. Vi observerade ingen signifikant anrikning av Gene Ontology-termer för generna och inte heller någon anrikning av Mammalian Phenotype Ontology-termer (inklusive embryonal dödlighet) bland dessa geners ortologer (data visas inte). Trettiofyra fenotyper hos patienter med mutationer i GPI-ankrade gener överlappar fenotyperna hos CDG-patienter (tabell 1 och 2). Det faktum att GPI-biosyntesgenmutationer och GPI-förankrade genmutationer kan orsaka överlappande men inte identiska fenotyper är förväntat eftersom mutationer i GPI-biosyntesvägen sannolikt skulle förändra aktiviteten och funktionen hos ett antal GPI-förankrade proteiner, och därmed flera signalvägar.

För att ytterligare fördjupa oss i de vägar som påverkas av GPI-biosyntesgenmutationer undersökte vi de fenotyper som observerades vara mer frekventa i syntes- eller transamidas+remodelleringsgrupperna. I syntesgruppen jämfördes gener som var associerade med de fem karakteristiska fenotyperna (tabell 3). Totalt 102 gener var associerade med mendelska sjukdomar som delar var och en av de fem fenotypiska egenskaperna (Additional file 1: Figur S1).

När man jämförde de gener som var associerade med Transamidase+Remodeling Group, var två gener associerade med 15 av de 16 fenotyper som berikades i Transamidase+Remodeling Group: Fibroblast Growth Factor Receptor Tyrosine Kinase (FGFR2), och en nedströms signalpartner, B-Raf (BRAF) (Additional file 1: Figur S2). FGFR2 och B-Raf är associerade med alla fenotyper i Transamidase+Remodeling Group utom Large fleshy ears. Det är anmärkningsvärt att dessa gener är associerade med den överordnade termen för Stora köttiga öron, Macrotia. Uteslutningen av Large fleshy ears kan bero på att patienter presenterar stora öron men inte Large fleshy ears, eller så kan det bero på den specificitet med vilken läkare presenterar patientdata eller den detaljrikedom som kuratorer och forskare registrerar. Mutationer i FGFR2 är förknippade med över tio olika sjukdomar, inklusive Pfeiffers syndrom och Crouzons syndrom . Mutationer i BRAF är förknippade med sju sjukdomar, däribland Noonans syndrom typ 7 och kardiofaciokutant syndrom.

Även om varken FGFR2, ett membranöverskridande protein, eller B-Raf har identifierats som GPI-AP:er, har det visats att FGFR2 associeras med lipidflottar i oligodendrocyter och osteoblaster, och translokationen av B-Raf sker snabbare i närvaro av lipidflottar . GPI-APs är associerade med lipidflottar, vilket tyder på att detta kan vara en viktig förändrad väg för Transamidase+Remodeling-Group-specifika mutationer (fig. 3). Flera andra signalpartner inom FGFR2-vägen är också associerade med lipidflottar, inklusive ligand FGF2 , och FRS2 . Det kan finnas flera mål eller interaktioner med GPI-APs och FGFR2-signalvägar.

Interessant nog är två målproteiner, GPC3 och GPC6, associerade med 25 av de GPI-AP-associerade fenotypiska abnormaliteterna (tabell 5). Båda proteinerna tillhör glypikanfamiljen av heparansulfatproteoglykaner som är bundna till plasmamembranets cytoplasmatiska yta genom en kovalent GPI-bindning. GPC3 kan fungera som en FGFR1- och FGFR2-koreceptor som krävs för att ta emot och därefter vidarebefordra FGF9-signaler som är ansvariga för kontrollen av kranskärlsutvecklingen , vilket tyder på en möjlig koppling.

.