COL2A1 genmutaties: mechanismen van Spondyloepifysaire dysplasie Congenita | Jiotower

COL2A1 gen (12q13.1-q13.2) bestaat uit 54 exons die meer dan 31,5 kb beslaan en codeert voor type II collageen, een 1487-aminozuur (134,4 kDa) eiwit.1

type II collageen, een groot homotrimerisch eiwit, is het hoofdbestanddeel van hyalien kraakbeen extracellulaire matrix (95% van de collagenen en ongeveer 60% van het drooggewicht bij volwassenen), nucleus pulposus van de tussenwervelschijf, glasvocht van de oog-en binnenoorstructuur. Het speelt een fundamentele rol op de endochondrale botvorming en-groei. In de plaat van de kraakbeengroei, wordt het samengesteld door zich te vermenigvuldigen chondrocyten totdat zij op hypertrofische chondrocyten onderscheiden.

type II collageen werkt als een autocrine factor van proliferatie en differentiatie via meerdere downstream Effecten en een krachtige suppressor voor chondrocytenhypertrofie en apoptose door de negatieve regulatie van SMAD1 activiteit.2

type II collageenmoleculen hebben drie identieke α1-polypeptideketens van elk 1060 aminozuurresiduen, met een grote ononderbroken drievoudige spiraalvormige regio en relatief korte, niet-spiraalvormige telopeptiden (19 aminozuurresiduen in het N-telopeptide en 27 aminozuurresiduen in het C-telopeptide) die niet de gly-X-Y-herhalende primaire structuur bezitten die in het drievoudige spiraalvormige gebied wordt aangetroffen. “X “en” Y ” posities worden vaak bezet door respectievelijk proline en hydroxyproline residuen. N-en c-telopeptidegebieden staan de initiatie van de drievoudige-spiraalvormige configuratie toe.

type II collageenmoleculen assembleren spontaan tot fibrillen, die samen met andere macromoleculen het extracellulaire schavot vormen dat cruciaal is voor de integriteit en biomechanische functies van kraakbeen.3 de fibrillen zijn cross-linked om volwassen type II collageenvezels te vormen.

in vivo omvat de polymerisatie van collageenmoleculen in fibrillen cellulaire en Specifieke extracellulaire matrixinteracties. Proteoglycanen, zoals decorin, fibromodulin, en biglycan, binden type II collageenfibrillen om de grotere fibrilbundels (vezels samengesteld uit meerdere fibrillen) te stabiliseren.

moleculaire defecten in het COL2A1-gen veroorzaken een grote verscheidenheid aan zeldzame autosomaal dominante aandoeningen, bekend als type II collagenopathieën.4 tot nu toe zijn meer dan 400 mutaties beschreven in openbare databases en eerdere literatuur (329 pathogene varianten, 153 varianten van onzekere significantie). Moleculair spectrum van veranderingen omvat puntmutaties (missense, nonsense, deletie, insertie, insertie-deletie en frame-shift mutatie) en complexe herschikkingen 5-7 (Tabel 1). Er zijn geen mutatie hot spots binnen het COL2A1 gen geïdentificeerd en de ernst van het fenotype kan worden verklaard door de aard van de mutatie en de lokalisatie in het eiwit. We gebruikten de referentiesequentie NM 001844.4 in combinatie met mutalyzer release 2.0.6 (https://mutalyzer.nl/), dat is een programma suite die de sequentie variant nomenclatuur onderzoekt volgens HGVS richtlijnen.

een duidelijke genotype-fenotype relatie is nog niet bekend. Er worden echter enkele correlaties beschreven. Type II collagenopathieën dominante overerving hangt in principe af van twee moleculaire mechanismen: dominant-negatieve mutanten en haploinsufficientie. De meest voorkomende mutatie (meer dan 70%, Tabel 1) is de missense-mutatie, waarvan sommige leiden tot substitutie van glycineresidu in de gly-X-Y-herhaling, die zich voordoet als dominant-negatief effect,dat over het algemeen wordt waargenomen bij de ernstigere collageentype II-stoornissen. Er zijn enkele truncerende en enkele exon-skipping mutaties gemeld die ernstiger type II collagenopathieën veroorzaken.Missense mutaties die leiden tot andere aminozuren dan glycinesubstitutie, veroorzaken over het algemeen een milder fenotype als gevolg van een verminderde eiwitstabiliteit en daaropvolgende beschadiging van de spiraalvormige structuur en de juiste functie van type II collageen.

Haploinsufficiëntie is een mechanisme als gevolg van niet-zintuiglijke substituties of out-of-frame deleties, resulterend in premature stop-codons die een verminderde synthese van normaal collageen veroorzaken. Deze mutaties worden geassocieerd met mildere fenotypen.

bovendien wordt fenotypische variatie waarschijnlijk veroorzaakt door omgevingsfactoren en de polymorfismen in ziektemodificerende genen en/of regulerende elementen.

type II collagenopathieën klinische kenmerken vertonen een breed scala van ernst en complexiteit.

bovendien worden verschillende klinische kenmerken van type II collagenopathieën gedeeld door andere syndromen als gevolg van defecten in andere componenten van kraakbeen (bijv. otospondylomegaepiphyseale dysplasie veroorzaakt door COL11A2-mutatie, meervoudige epifyseale dysplasie voornamelijk veroorzaakt door COMP-mutatie).10,11

fenotypische overlapping bij COL2A1-gerelateerde aandoeningen en brede inter – en intra-vertrouwde fenotypische variatie zijn vaak gemeld.

aan één uiteinde van het spectrum zijn achondrogenese type II (ACG2)/hypochondrogenese en platyspondylische letale skeletdysplasie, Torrance type (PLSDT) perinataal letale aandoeningen. Ze worden gekenmerkt door micromelia, smalle borst met pulmonale hypoplasie, afwezigheid ossificatie van vertebraslichamen en heiligbeen, Pierre Robin sequentie en verschillende viscerale anomalieën. Aan de andere kant van het spectrum worden enkele aandoeningen opgesomd die typerend zijn voor de adolescente of volwassen leeftijd: avasculaire necrose van het femurhoofd (ANFH), de ziekte van Legg-Calvè-Perthes, vroeg-beginnende osteoartritis (OA), Type Strickler syndroom (STL1), vitreoretinopathie met phalangeale epifysaire dysplasie (VPED). Deze voorwaarden worden gekenmerkt door normale gestalte en vroege ontwikkeling van artrose of oculaire defecten. Een derde groep type II collagenopathieën vertoont bij de geboorte of tijdens de kindertijd klinische kenmerken van spondyloepifysaire dysplasie met grote verscheidenheid van ernst. Vlakke middengezicht en afwijkingen van het oog en binnenoor zijn ook gemeenschappelijk in deze groep.

Kniest dysplasie, spondyloepimetafysaire dysplasie (SEMD) Strudwick type en Algerijnse type, en spondyloepifysaire dysplasie congenita (SEDC) worden gekenmerkt door dwerggroei veroorzaakt door vertraagde ossificatie van de wervels en schaambeenderen. Vaak bestaat odontoïde hypoplasie naast elkaar. Lange botten zijn kort en kyfoscoliose ontwikkelt zich in de kindertijd.

integendeel, bij spondyloperiferale dysplasie (SPPD) vertonen patiënten slechts een korte gestalte die geassocieerd wordt met belangrijke lumbale lordose, bij Tsjechische dysplasie (CD) daarentegen zijn de kenmerken brede of prominente knieën en brede middenvoetsbeentjes en kootjes in de derde of vierde teen.In 1966 werd door Spranger en Wiedemann12 de congenita spondyloephyseale dysplasie gesuggereerd voor een dwergaandoening met een korte romp die voornamelijk de wervels en de proximale epifysen van de lange botten aantastte.SEDC is een zeldzame ziekte met een prevalentie van 3,4/1.000.000. Bij de geboorte zijn patiënten met SEDC kort (gemiddelde lengte 45 cm bij voldragen) met afgeplatte Vertebra ‘s; ossificatie is afwezig in schaambeenderen en distale femorale epifysen, afwezig of verminderd in cervicale en sacrale Vertebra’ s. De iliacale botten zijn kort van lengte, met acetabulair dak meer horizontaal dan normaal en zonder normale flakkering van de iliacale vleugels. Zuigelingen met ernstige SEDC worden vaak doodgeboren of prematuur en sterven kort na de geboorte als gevolg van hypoventilatie. Het zich ontwikkelende ademhalingsfalen kan tijdelijk alleen worden overwonnen door intensieve beademingsondersteuning te bieden. Recent13 beschrijven we een geval van een kind dat uitzonderlijk 13,5 jaar overleefde met de plaatsing van luchtwegstenting. De kenmerken van het kind (kleine ribbenkast, ernstige tracheo-bronchomalacie, hypo-geëxpandeerde longen, respiratoire spierfalen en uitgesproken opgezette buik) in feite leidde het kind te lijden aan een chronische ernstige obstructieve respiratoire ziekte die voortdurend werden gecontroleerd en behandeld door endoscopische chirurgische procedures.

patiënten lijden vaak aan atlantoaxiale instabiliteit als gevolg van odontoïde hypoplasie die cervicale koordcompressie kan veroorzaken, vooral bij herstel tijdens intubatie of chirurgie.14,15

kort na de geboorte ontwikkelt zich platispondylie van de onderste thoracale en lumbale wervellichamen. Dit leidt uiteindelijk tot wigvormige thoracale wervels en ernstige kyfoscoliose met lumbale lordose. Buisvormige botten, met uitzondering van handen, zijn kort met vertraagde en dysplastische epifysaire ossificatie. Hieruit volgt kortstondige dwerggroei (gemiddelde volwassen lengte is 140 cm). Volwassen patiënten vertonen ook een plat gezicht voor skelethypoplasie met prominente ogen en een gespleten gehemelte, vatborst en pectus carinatum. Hun handen zijn normaal, maar coxa vara, ontwrichte heupen, talipes equinovarus, clubvoeten en waggelpoort worden gemeld. Hypoplastische buik, mitralisverzakking zijn ook gemeld.Volwassen patiënten lijden aan perceptief (25% tot 30% van de gemelde gevallen) of minder vaak gemengd gehoorverlies. Oculaire complicaties zoals bijziendheid zijn gemeld bij 45% van de patiënten, maar netvliesloslating komt minder vaak voor (12%) dan bij type 1 Strickler syndroom.16

In spondyloephyseale dysplasie congenita zijn meer dan 100 COL2A1 mutaties beschreven. De meest voorkomende zijn in de triple helix (74% glycine substituties en 10% Arg-to-Cys veranderingen) en zijn dominant geërfd terwijl slechts weinig mutaties zijn gevonden waarbij C-peptide regio. Bovendien is onlangs ook een recessief patroon aangetoond.5

anders dan osteogenesis imperfecta, 15 bij SEDC-patiënten met glycinesubstituties in het drievoudige spiraalvormige domein, wordt geen amino-naar-carboxyterminale gradiënt gerapporteerd in de ernst van het radiologische fenotype.17

pathofysiologische mechanismen en de relatie tussen genmutaties en kraakbeen/botdefecten zijn grotendeels speculatief. Slechts weinig gegevens zijn afkomstig van studies bij muizen die spontane missense-mutaties in col2a1 gene18 droegen of bij transgene muizen die COL2A1-mutaties in het menselijk gen bevatten. In transgene muizen zijn mutaties met dominant-negatief effect19 en mutaties die haploinsufficiëntie veroorzaken gegenereerd.In deze modellen werd de vertraging van de ossificatie zeer vroeg waargenomen in de ontwikkeling van de foetus. De kweekplaten vertonen ernstige veranderingen. Proliferatieve en hypertrofische kraakbeenzones waren korter of niet te onderscheiden en de afzetting van de kraakbeenmatrix is in het bijzonder verminderd, collageenfibrillen waren steeds minder uitgebreid.

Mutant type II collageenmoleculen vertonen veranderde elektroforetische mobiliteit, relatief lage thermostabiliteit en langzame secretiesnelheden in de extracellulaire ruimte. Zij zelf-assembleren in abnormale fibrils die niet kunnen behoorlijk met andere elementen van de extracellulaire matrijs in wisselwerking staan. Goede fibrillaire architectuur en mechanische kenmerken van de interterritoriale en pericellulaire collageneuze matrix zijn cruciaal voor een correcte zuilvormige opstelling van chondrocyten op de groeiplaat.21 in transgene muizen, bovendien, tonen chondrocyten zeer uitgebreide cisternae van ruw endoplasmic reticulum met een behoud van procollageen en andere molecules (b.v., fibronectin). Dit behoud veroorzaakt vandaar endoplasmic reticulum spanning die voldoende is om proliferatietarief bij de groeiplaten te verminderen.Er is ook melding gemaakt van afwezigheid of duidelijke vermindering van de mRNA-expressie van chondrocytmarkers, waaronder Cdkn1a, Ihh, Fgfr3, COL10A1 en Runx2.

de abnormale chondrocytendifferentiatie heeft een negatief effect op de lineaire botgroei, waardoor de normale celrelaties en de voorziening van groeifactoren tijdens endochondrale ossificatie worden gewijzigd.