Mutazioni del gene COL2A1: Meccanismi della displasia spondiloepifiseale Congenita | Jiotower

Il gene COL2A1 (12q13.1-q13.2) è costituito da 54 esoni che coprono oltre 31,5 kb e codifica per il collagene di tipo II, una proteina di 1487 aminoacidi (134,4 kDa).1

Il collagene di tipo II, una grande proteina omotrimerica, è il componente principale della matrice extracellulare della cartilagine ialina (95% dei collageni e circa il 60% del peso secco negli adulti), nucleo polposo del disco intervertebrale, umore vitreo dell’occhio e struttura dell’orecchio interno. Svolge un ruolo fondamentale sulla formazione e la crescita dell’osso endocondrale. Nella piastra di crescita della cartilagine, viene sintetizzato proliferando condrociti fino a quando non si differenziano su condrociti ipertrofici.

Il collagene di tipo II agisce come un fattore autocrino di proliferazione e differenziazione tramite più effettori a valle e un potente soppressore per l’ipertrofia e l’apoptosi dei condrociti attraverso la regolazione negativa dell’attività SMAD1.2

collagene di Tipo II molecole sono tre identici α1-catene polipeptidiche di 1060 residui dell’amminoacido ciascuna, con un grande ininterrotta tripla elica regione e relativamente breve, camere non-elicoidale telopeptides (19 residui dell’amminoacido N-telopeptide e 27 residui dell’amminoacido C-telopeptide) che non sono in possesso di Gly-X-Y-ripetizione di primaria struttura della tripla elica regione. Le posizioni” X “e” Y ” sono spesso occupate rispettivamente da residui di prolina e idrossiprolina. Le regioni N-e C-telopeptide consentono l’avvio della configurazione a tripla elica.

Le molecole di collagene di tipo II si autoassemblano spontaneamente in fibrille, che, insieme ad altre macromolecole, formano lo scaffold extracellulare critico per l’integrità e le funzioni biomeccaniche della cartilagine.3 Le fibrille sono reticolate per formare fibre di collagene di tipo II mature.

In vivo, la polimerizzazione delle molecole di collagene in fibrille comporta interazioni cellulari e specifiche della matrice extracellulare. I proteoglicani, come la decorina, la fibromodulina e il biglycan, legano le fibrille di collagene di tipo II per stabilizzare i fasci di fibrille più grandi (fibre composte da fibrille multiple).

I difetti molecolari nel gene COL2A1 causano un’ampia varietà di rare condizioni autosomiche dominanti note come collagenopatie di tipo II.4 Finora più di 400 mutazioni sono state descritte in database pubblici e letteratura precedente (329 varianti patogene, 153 varianti di significato incerto). Lo spettro molecolare delle alterazioni comprende mutazioni puntiformi (missense, nonsense, delezione, inserzione, inserzione-delezione e mutazione frame-shift) e riarrangiamenti complessi5–7 (Tabella 1). Non sono stati identificati punti caldi mutazionali all’interno del gene COL2A1 e la gravità del fenotipo può essere spiegata dalla natura della mutazione e dalla localizzazione nella proteina. Abbiamo utilizzato la sequenza di riferimento NM 001844.4 combinata con mutalyzer release 2.0.6 (https://mutalyzer.nl/), che è una suite di programmi che esamina la nomenclatura delle varianti di sequenza secondo le linee guida HGVS.

Una chiara relazione genotipo-fenotipo non è ancora nota. Tuttavia, alcune correlazioni sono descritte. Collagenopatie di tipo II l’ereditarietà dominante dipende fondamentalmente da due meccanismi molecolari: mutanti dominanti-negativi e aploinsufficienza. La mutazione più comune (oltre il 70%, Tabella 1) è la mutazione missense, alcune delle quali portano alla sostituzione del residuo di glicina nella ripetizione Gly-X-Y, presentandosi come effetto dominante-negativo,8 generalmente visto nei disturbi del collagene di tipo II più gravi. Alcune mutazioni troncanti e alcune mutazioni eson-skipping sono state segnalate per causare collagenopatie di tipo II più gravi.9 Mutazioni missense che portano ad altri amminoacidi rispetto alla sostituzione della glicina causano fenotipo generalmente più lieve a causa della compromissione della stabilità proteica e del successivo danno nella struttura elicoidale e nella corretta funzione del collagene di tipo II.

L’aploinsufficienza è un meccanismo dovuto a sostituzioni non sensoriali o eliminazioni fuori fotogramma, con conseguente arresto prematuro dei codoni che causano una ridotta sintesi del collagene normale. Queste mutazioni sono associate a fenotipi più lievi.

Inoltre, la variazione fenotipica è probabilmente causata da fattori ambientali e dai polimorfismi nei geni modificanti la malattia e/o negli elementi regolatori.

Le caratteristiche cliniche delle collagenopatie di tipo II mostrano una vasta gamma di gravità e complessità.

Inoltre, diverse caratteristiche cliniche di collagenopatie di tipo II sono condivise da altre sindromi dovute a difetti in altri componenti della cartilagine (ad esempio, displasia otospondilomegaepifisea causata da mutazione COL11A2, displasia epifisaria multipla causata principalmente da mutazione COMP).10,11

Sovrapposizione fenotipica nei disturbi correlati a COL2A1 e ampia variazione fenotipica inter-e intra – familiare sono stati comunemente riportati.

Ad un’estremità dello spettro, l’acondrogenesi di tipo II (ACG2)/ipocondrogenesi e la displasia scheletrica letale platispondilica, tipo Torrance (PLSDT) sono condizioni letali perinatalmente. Sono caratterizzati da micromelia, torace stretto con ipoplasia polmonare, ossificazione assente dei corpi vertebrali e sacro, sequenza di Pierre Robin e diverse anomalie viscerali. All’altra estremità dello spettro sono elencate alcune condizioni tipiche dell’età adolescenziale o adulta: necrosi avascolare della testa femorale (ANFH), malattia di Legg-Calvè-Perthes, artrosi precoce (OA), sindrome di Strickler type1 (STL1), vitreoretinopatia con displasia falangea epifisaria (VPED). Queste condizioni sono caratterizzate da statura normale e sviluppo precoce di artrosi o difetti oculari. Un terzo gruppo di collagenopatie di tipo II mostra alla nascita o durante l’infanzia caratteristiche cliniche della displasia spondiloepifisea con un’ampia varietà di gravità. Anche il midface piatto e le anomalie dell’occhio e dell’orecchio interno sono comuni in questo gruppo.

La displasia Kniest, la displasia spondiloepimetafisea (SEMD) di tipo Strudwick e di tipo algerino e la displasia spondiloepifisea congenita (SEDC) sono caratterizzate da nanismo causato dall’ossificazione ritardata delle vertebre e delle ossa pubiche. Spesso coesiste l’ipoplasia odontoide. Le ossa lunghe sono corte e la cifoscoliosi si sviluppa durante l’infanzia.

Al contrario, nella displasia spondiloperiferica (SPPD), i pazienti mostrano solo una bassa statura associata ad importante lordosi lombare, nella displasia ceca (CD) invece i segni distintivi sono ginocchia larghe o prominenti e larghi metatarsi e falangi nel terzo o quarto dito del piede.

Nel 1966, la displasia spondiloefisea congenita fu suggerita da Spranger e Wiedemann12 per una condizione di nanismo del tronco corto che interessava principalmente le vertebre e le epifisi prossimali delle ossa lunghe.

La SEDC è una malattia rara con una prevalenza di 3,4 / 1.000.000. Alla nascita i pazienti con SEDC sono brevi (lunghezza media 45 cm a termine) con vertebre appiattite; l’ossificazione è assente nelle ossa pubiche e nelle epifisi femorali distali, assente o ridotta nelle vertebre cervicali e sacrali. Le ossa iliache sono di lunghezza corta, con tetto acetabolare più orizzontale del normale e senza normale svasatura delle ali iliache. I neonati con SEDC grave sono spesso nati morti o prematuri e muoiono poco dopo la nascita a causa di ipoventilazione. L’insufficienza respiratoria in via di sviluppo può essere temporaneamente superata solo fornendo un supporto intensivo del ventilatore. Di Recente13 descriviamo un caso di un bambino che è sopravvissuto eccezionalmente a 13,5 anni con il posizionamento di stent delle vie aeree. Le caratteristiche del bambino (piccola gabbia toracica, grave tracheo-broncomalacia, polmoni ipo-espansi, insufficienza muscolare respiratoria e marcata distensione addominale), infatti, hanno portato il bambino a soffrire di una grave malattia respiratoria ostruttiva cronica che veniva costantemente monitorata e trattata con procedure chirurgiche endoscopiche.

Spesso i pazienti soffrono di instabilità atlantoassiale dovuta a ipoplasia odontoidea che può causare compressione del cordone cervicale, specialmente quando si riparano durante l’intubazione o l’intervento chirurgico.14,15

Poco dopo la nascita, si sviluppa la platispondilia dei corpi vertebrali toracici e lombari inferiori. Questo alla fine porta a vertebre toraciche a forma di cuneo e grave cifoscoliosi con lordosi lombare. Le ossa tubolari, ad eccezione delle mani, sono corte con ossificazione epifisaria ritardata e displastica. Da ciò segue il nanismo a tronco corto (l’altezza media dell’adulto è di 140 cm). I pazienti adulti mostrano anche una faccia piatta per ipoplasia scheletrica con occhi prominenti e palatoschisi, torace a botte e pectus carinatum. Le loro mani sono normali ma coxa vara, fianchi slogati, talipes equinovarus, clubfeet e waddling gate sono segnalati. Sono stati riportati anche addome ipoplasico, prolasso mitralico.

I pazienti adulti soffrono di ipoacusia neurosensoriale (dal 25% al 30% dei casi riportati) o meno frequentemente mista. Complicanze oculari come la miopia sono state riportate nel 45% dei pazienti, ma il distacco della retina è meno frequente (12%) rispetto alla sindrome di Strickler di tipo 1.16

Nella displasia spondiloefisea congenita sono state descritte oltre 100 mutazioni di COL2A1. I più comuni sono nella tripla elica (74% di sostituzioni di glicina e 10% di cambiamenti Arg-to-Cys) e sono ereditati in modo dominante mentre sono state trovate solo poche mutazioni che coinvolgono la regione del peptide C. Inoltre, recentemente è stato dimostrato anche un modello recessivo.5

A differenza dell’osteogenesi imperfetta,15 nei pazienti con SEDC con sostituzioni di glicina nel dominio triplo elicoidale, non è riportato alcun gradiente ammino-carbossiterminale nella gravità del fenotipo radiologico.17

I meccanismi fisiopatologici e la relazione tra mutazioni geniche e difetti cartilaginei/ossei sono in gran parte speculativi. Solo pochi dati risultano da studi su topi portatori di mutazioni missense spontanee nel gene COL2A118 o in topi transgenici che ospitano mutazioni del gene umano COL2A1. Nei topi transgenici sono state generate mutazioni con effetto dominante-negativo19 e mutazioni che causano aploinsufficienza.20 In questi modelli, il ritardo dell’ossificazione è stato osservato molto precocemente nello sviluppo del feto. Le placche mostrano gravi alterazioni. Le zone proliferative e ipertrofiche della cartilagine erano più corte o indistinguibili e la deposizione della matrice cartilaginea è notevolmente compromessa, le fibrille di collagene erano meno e meno elaborate.

Le molecole di collagene mutanti di tipo II mostrano alterata mobilità elettroforetica, termostabilità relativamente bassa e tassi lenti di secrezione nello spazio extracellulare. Si autoassemblano in fibrille anormali che non sono in grado di interagire correttamente con altri elementi della matrice extracellulare. La corretta architettura fibrillare e le caratteristiche meccaniche della matrice collagena interterritoriale e pericellulare sono fondamentali per una corretta disposizione colonnare dei condrociti alla piastra di crescita.21 Nei topi transgenici, inoltre, i condrociti mostrano cisterne notevolmente estese di reticolo endoplasmatico ruvido con una ritenzione di procollagene e altre molecole (ad esempio, fibronectina). Questa ritenzione provoca quindi uno stress del reticolo endoplasmatico sufficiente a ridurre il tasso di proliferazione alle piastre di crescita.22,23 Assenza o marcata riduzione dell’espressione mRNA di marcatori condrociti, tra cui Cdkn1a, Ihh, Fgfr3, COL10A1, e Runx2, è stato anche riportato.

La differenziazione anormale dei condrociti influisce negativamente sulla crescita ossea lineare alterando le normali relazioni cellulari e la fornitura di fattori di crescita durante l’ossificazione endocondrale.