Mutacje genu COL2A1: mechanizmy Spondyloepiphyseal Dysplasia Congenita | Jiotower

Gen COL2A1 (12q13.1-q13.2) składa się z 54 eksonów obejmujących ponad 31,5 kb i koduje kolagen typu II, białko 1487-aminokwasowe (134,4 kDa).1

kolagen typu II, Duże białko homotrimeryczne, jest głównym składnikiem macierzy pozakomórkowej chrząstki szklistej (95% kolagenów i około 60% suchej masy u dorosłych), jądra miąższu krążka międzykręgowego, ciała szklistego oka i struktury ucha wewnętrznego. Odgrywa zasadniczą rolę w tworzeniu i rozwoju kości endochondralnej. W płytce wzrostu chrząstki jest syntetyzowany przez proliferujące chondrocyty, dopóki nie różnicują się na przerostowych chondrocytach.

kolagen typu II działa jako autokrynny czynnik proliferacji i różnicowania poprzez wielokrotne następcze efektory i silny supresor dla przerostu chondrocytów i apoptozy poprzez negatywną regulację aktywności SMAD1.2

cząsteczki kolagenu typu II mają trzy identyczne łańcuchy α1-polipeptydowe po 1060 reszt aminokwasowych każdy, z dużym nieprzerwanym regionem triple-helikalnym i stosunkowo krótkimi, nie-helikalnymi telopeptydami (19 reszt aminokwasowych w n-telopeptydzie i 27 reszt aminokwasowych w C-telopeptydzie), które nie posiadają powtarzającej się Gly-X-Y pierwotnej struktury znajdującej się w regionie triple-helikalnym. Pozycje” X “i” Y ” są często zajmowane odpowiednio przez pozostałości proliny i hydroksyproliny. Regiony N-I C-telopeptydowe umożliwiają inicjację konfiguracji potrójnej helisy.

cząsteczki kolagenu typu II samoistnie gromadzą się w włókna, które wraz z innymi makrocząsteczkami tworzą pozakomórkowe rusztowanie krytyczne dla integralności i biomechanicznych funkcji chrząstki.3 włókna są usieciowane, tworząc Dojrzałe włókna kolagenowe typu II.

in vivo polimeryzacja cząsteczek kolagenu w fibryle obejmuje komórkowe i specyficzne interakcje z macierzą pozakomórkową. Proteoglikany, takie jak decorin, fibromodulina i biglikan, wiążą włókna kolagenowe typu II, aby ustabilizować większe wiązki fibrilu (włókna złożone z wielu włókien).

molekularne defekty genu COL2A1 powodują szeroką gamę rzadkich autosomalnych dominujących Stanów znanych jako kolagenopatie typu II.4 do tej pory opisano ponad 400 mutacji w publicznych bazach danych i wcześniejszej literaturze (329 wariantów chorobotwórczych, 153 warianty o niepewnym znaczeniu). Molekularne spektrum zmian obejmuje mutacje punktowe (missense, nonsense, delecja, insercja, insercja-delecja i mutacja frame-shift) i złożone rearanżacje 5-7 (Tabela 1). Nie zidentyfikowano mutacyjnych gorących punktów w genie COL2A1, a nasilenie fenotypu można wyjaśnić naturą mutacji i lokalizacją w białku. Użyliśmy sekwencji referencyjnej NM 001844.4 w połączeniu z mutalyzer release 2.0.6 (https://mutalyzer.nl/), która jest pakietem programów badających nomenklaturę wariantów sekwencji zgodnie z wytycznymi dla pojazdów ciężarowych.

wyraźna relacja genotyp-fenotyp nie jest jeszcze znana. Jednak niektóre korelacje są opisane. Dominujące dziedziczenie kolagenopatii typu II zależy zasadniczo od dwóch mechanizmów molekularnych: mutanty dominujące-negatywne i haploinsufficiency. Najczęstszą mutacją (ponad 70%, Tabela 1) jest mutacja missense, z których niektóre prowadzą do podstawienia reszty glicyny w powtórzeniu Gly-X-Y, prezentując jako efekt dominująco-negatywny, 8 ogólnie obserwowany w cięższych zaburzeniach kolagenu typu II. Kilka mutacji obciętych i niektóre mutacje powodujące pomijanie eksonów powodowały poważniejsze kolagenopatie typu II.Mutacje Missense prowadzące do innych aminokwasów niż podstawienie glicyny powodują ogólnie łagodniejszy fenotyp z powodu upośledzenia stabilności białka, a następnie uszkodzenia struktury spiralnej i prawidłowego funkcjonowania kolagenu typu II.

Haploinsufficiency jest mechanizmem spowodowanym substytucjami bez sensu lub delecjami poza ramką, co powoduje przedwczesne kodony stop, które powodują zmniejszoną syntezę normalnego kolagenu. Mutacje te są związane z łagodniejszymi fenotypami.

co więcej, zmienność fenotypowa jest prawdopodobnie spowodowana czynnikami środowiskowymi i polimorfizmami w genach modyfikujących przebieg choroby i / lub elementach regulacyjnych.

kolagenopatie typu II cechy kliniczne wykazują szeroki zakres ciężkości i złożoności.

ponadto kilka cech klinicznych kolagenopatii typu II jest wspólnych dla innych zespołów z powodu wad innych składników chrząstki (np. dysplazja otospondylomegaepiphyseal spowodowana mutacją COL11A2, wielokrotna dysplazja nasadowa głównie spowodowana mutacją COMP).10, 11

często zgłaszano pokrywanie się fenotypów w zaburzeniach związanych z COL2A1 oraz szerokie różnice fenotypowe między-i wewnątrz – znane.

na jednym końcu spektrum, achondrogeneza typu II (ACG2)/hipochondrogeneza i platyspondylowa letalna dysplazja szkieletowa typu Torrance (PLSDT) są przypadkowymi śmiertelnymi warunkami. Charakteryzują się mikromelią, wąską klatką piersiową z hipoplazją płuc, brakiem kostnienia kręgów i kości krzyżowej, sekwencją Pierre ‘ a Robina i kilkoma anomaliami trzewnymi. Na drugim końcu spektrum wymienione są pewne warunki typowe dla wieku młodzieńczego lub dorosłego: jałowa martwica głowy kości udowej (ANFH), choroba Legga-Calvè-Perthesa, wczesna choroba zwyrodnieniowa stawów (OA), zespół Stricklera typ1 (STL1), witreoretinopatia z dysplazją paliczkowo-nasadową (VPED). Warunki te charakteryzują się prawidłowym wzrostem i wczesnym rozwojem choroby zwyrodnieniowej stawów lub wad wzroku. Trzecia grupa kolagenopatii typu II wykazuje przy urodzeniu lub w dzieciństwie cechy kliniczne dysplazji spondyloepiphyseal o szerokim zakresie nasilenia. W tej grupie częste są również płaskie śródstopia oraz anomalie oka i ucha wewnętrznego.

dysplazja Kniesta, dysplazja spondyloepimetaphyseal (SEMD) typu Strudwicka i algierskiego oraz dysplazja spondyloepiphyseal congenita (SEDC) charakteryzują się karłowatością spowodowaną opóźnionym kostnieniem kręgów i kości łonowych. Często współistnieje hipoplazja odontoidów. Kości długie są krótkie, a kifoskolioza rozwija się w dzieciństwie.

przeciwnie, w spondyloperipheral dysplasia (SPPD) pacjenci wykazują tylko niski wzrost związany z ważną lordozą lędźwiową, w Czeskiej dysplazji (CD)zamiast cech charakterystycznych są szerokie lub wydatne kolana i szerokie śródstopia i paliczki w trzecim lub czwartym palcu palca.

w 1966 r.Spranger i Wiedemann zasugerowali spondyloephyseal dysplasia congenita jako chorobę karłowatą o krótkim tułowiu, która dotyczyła głównie kręgów i bliższych nasad kości długich.

SEDC jest rzadką chorobą o częstości występowania 3, 4/1 000 000. Po urodzeniu pacjenci z SEDC mają krótkie (średnia długość 45 cm w okresie) kręgi spłaszczone; kostnienie jest nieobecne w kościach łonowych i dystalnych nasadach kości udowych, nieobecne lub zmniejszone w kręgach szyjnych i krzyżowych. Kości biodrowe są krótkie, z panewkowym dachem bardziej poziomym niż normalnie i bez normalnego rozszerzania skrzydeł biodrowych. Niemowlęta z ciężką SEDC są często martwe lub przedwczesne i umierają wkrótce po urodzeniu z powodu hipowentylacji. Rozwijającą się niewydolność oddechową można chwilowo przezwyciężyć tylko poprzez intensywne wspomaganie respiratora. Niedawno opisaliśmy przypadek dziecka, które wyjątkowo przeżyło do 13,5 roku z umieszczeniem stentowania dróg oddechowych. Cechy dziecka (mała klatka piersiowa, ciężka tchawico-bronchomalacja, niedorozwój płuc, niewydolność mięśni oddechowych i znaczne rozdęcie brzucha) w rzeczywistości doprowadziły dziecko do przewlekłej ciężkiej obturacyjnej choroby układu oddechowego, które były stale monitorowane i leczone endoskopowymi procedurami chirurgicznymi.

często pacjenci cierpią na niestabilność śródosiową z powodu hipoplazji odontoidów, która może powodować ucisk rdzenia szyjnego, szczególnie podczas naprawy podczas intubacji lub operacji.14,15

wkrótce po urodzeniu rozwija się platispondyly dolnych kręgów piersiowych i lędźwiowych. Ostatecznie prowadzi to do klinowych kręgów piersiowych i ciężkiej kifoskoliozy z lordozą lędźwiową. Kości rurkowe, z wyjątkiem rąk, są krótkie z opóźnionym i dysplastycznym kostnieniem nasadowym. Z tego wynika karłowatość krótkowzroczna (średnia wysokość dorosłego osobnika wynosi 140 cm). U dorosłych pacjentów występuje również płaska twarz z hipoplazją szkieletu z wydatnymi oczami i rozszczepem podniebienia, beczkowatą klatką piersiową i pectus carinatum. Ich ręce są normalne, ale coxa vara, zwichnięte biodra, talipes equinovarus, clubfeet i waddling gate są zgłaszane. Donoszono również o niedorozwoju brzucha, wypadaniu mitralnym.

u dorosłych pacjentów występuje niedosłuch odbiorczy (25% do 30% zgłoszonych przypadków) lub rzadziej mieszany. Powikłania oczne, takie jak krótkowzroczność, odnotowano u 45% pacjentów, ale odwarstwienie siatkówki występuje rzadziej (12%) niż w zespole Stricklera typu 1.

w spondyloephyseal dysplasia congenita opisano ponad 100 mutacji COL2A1. Najczęściej występują w potrójnej helisie (74% substytucji glicyny i 10% zmian Arg-to-Cys) i są dominująco dziedziczone, podczas gdy stwierdzono tylko kilka mutacji obejmujących region C-peptydowy. Co więcej, ostatnio wykazano również wzór recesywny.

w odróżnieniu od osteogenesis imperfecta, 15 u pacjentów z SEDC z podstawieniami glicyny w domenie triple helical, nie odnotowano żadnego gradientu amino-do-karboksyterminalnego w nasileniu fenotypu radiologicznego.

mechanizmy patofizjologiczne i związek między mutacjami genowymi a wadami chrząstki/kości są w dużej mierze spekulacyjne. Tylko nieliczne dane pochodzą z badań na myszach posiadających spontaniczne mutacje missense w genie COL2A18 lub na transgenicznych myszach zawierających mutacje ludzkiego genu COL2A1. U myszy transgenicznych wytworzyły się mutacje o działaniu dominująco-ujemnym19 oraz mutacje powodujące niedobór haploinsufficiency.20 w tych modelach opóźnienie kostnienia obserwowano bardzo przedwcześnie w rozwoju płodu. Rosną płyty wykazują poważne zmiany. Strefy proliferacyjne i przerostowe chrząstki były krótsze lub nie do odróżnienia, a odkładanie się macierzy chrząstki jest wyraźnie upośledzone, włókna kolagenowe były coraz mniej rozbudowane.

zmutowane cząsteczki kolagenu typu II wykazują zmienioną mobilność elektroforetyczną, stosunkowo niską termostabilność i powolne tempo wydzielania do przestrzeni zewnątrzkomórkowej. Samoorganizują się w Nieprawidłowe włókna, które nie są w stanie prawidłowo oddziaływać z innymi elementami macierzy pozakomórkowej. Właściwa Architektura fibrylarna i właściwości mechaniczne międzyterytorialnej i pericellular kolagenous macierzy są krytyczne dla prawidłowego układu kolumnowego chondrocytów na płytce wzrostu.Ponadto u myszy transgenicznych chondrocyty wykazują znacznie rozszerzone cysterny szorstkiego retikulum endoplazmatycznego z zatrzymaniem prokolagenu i innych cząsteczek (np. fibronektyny). To zatrzymanie powoduje zatem endoplazmatyczny retikulum stres wystarczający do zmniejszenia proliferacji na płytki wzrostu.22,23 odnotowano również brak lub znaczne zmniejszenie ekspresji mRNA markerów chondrocytów, w tym Cdkn1a, Ihh, Fgfr3, COL10A1 i Runx2.

nieprawidłowe różnicowanie chondrocytów negatywnie wpływa na liniowy wzrost kości, zmieniając normalne relacje komórkowe i dostarczanie czynników wzrostu podczas kostnienia endochondralnego.