COL2A1-Genmutationen: Mechanismen der spondyloepiphysären Dysplasie Congenita | Jiotower

Das COL2A1-Gen (12q13.1-q13.2) besteht aus 54 Exons, die sich über 31,5 kb erstrecken, und kodiert für Kollagen Typ II, ein Protein mit 1487 Aminosäuren (134,4 kDa).1

Kollagen Typ II, ein großes homotrimeres Protein, ist der Hauptbestandteil der extrazellulären Matrix des hyalinen Knorpels (95% der Kollagene und ungefähr 60% des Trockengewichts bei Erwachsenen), Nucleus pulposus der Bandscheibe, Glaskörper des Auges und Innenohrstruktur. Es spielt eine grundlegende Rolle bei der endochondralen Knochenbildung und -wachstum. In der Knorpelwachstumsplatte wird es durch proliferierende Chondrozyten synthetisiert, bis sie sich auf hypertrophen Chondrozyten differenzieren.

Typ-II-Kollagen wirkt als autokriner Faktor der Proliferation und Differenzierung über mehrere nachgeschaltete Effektoren und als potenter Suppressor für Chondrozytenhypertrophie und Apoptose durch die negative Regulation der SMAD1-Aktivität.2

Typ-II-Kollagenmoleküle haben drei identische α1-Polypeptidketten von jeweils 1060 Aminosäureresten mit einer großen ununterbrochenen dreifachhelikalen Region und relativ kurzen, nicht helikalen Telopeptiden (19 Aminosäurereste im N-Telopeptid und 27 Aminosäurereste im C-Telopeptid), die nicht die sich wiederholende Gly-X-Y-Primärstruktur besitzen, die in der dreifachhelikalen Region gefunden wird. “X” – und “Y” -Positionen werden häufig von Prolin- bzw. Hydroxyprolinresten besetzt. N- und C-Telopeptidregionen ermöglichen die Initiierung der dreifachhelikalen Konfiguration.

Typ-II-Kollagenmoleküle bauen sich spontan zu Fibrillen zusammen, die zusammen mit anderen Makromolekülen das extrazelluläre Gerüst bilden, das für die Integrität und biomechanischen Funktionen des Knorpels entscheidend ist.3 Die Fibrillen sind zu reifen Typ-II-Kollagenfasern vernetzt.

In vivo beinhaltet die Polymerisation von Kollagenmolekülen zu Fibrillen zelluläre und spezifische extrazelluläre Matrixwechselwirkungen. Proteoglykane wie Decorin, Fibromodulin und Biglycan binden Typ-II-Kollagenfibrillen, um die größeren Fibrillenbündel (Fasern, die aus mehreren Fibrillen bestehen) zu stabilisieren.

Molekulare Defekte im COL2A1-Gen verursachen eine Vielzahl von seltenen autosomal-dominanten Zuständen, die als Typ-II-Kollagenopathien bekannt sind.4 Bisher wurden mehr als 400 Mutationen in öffentlichen Datenbanken und früherer Literatur beschrieben (329 pathogene Varianten, 153 Varianten mit unsicherer Signifikanz). Das molekulare Spektrum der Veränderungen umfasst Punktmutationen (Missense, Nonsense, Deletion, Insertion, Insertion-Deletion und Frame-Shift–Mutation) und komplexe Umlagerungen5-7 (Tabelle 1). Es wurden keine Mutations-Hotspots innerhalb des COL2A1-Gens identifiziert, und der Schweregrad des Phänotyps kann durch die Art der Mutation und die Lokalisation im Protein erklärt werden. Wir verwendeten die Referenzsequenz NM 001844.4 in Kombination mit mutalyzer Release 2.0.6 (https://mutalyzer.nl/), einer Programmsuite, die die Sequenzvariantennomenklatur nach LKW-Richtlinien untersucht.

Eine eindeutige Genotyp-Phänotyp-Beziehung ist noch nicht bekannt. Es werden jedoch einige Korrelationen beschrieben. Typ-II-Kollagenopathien Die dominante Vererbung hängt im Wesentlichen von zwei molekularen Mechanismen ab: dominant-negative Mutanten und Haploinsuffizienz. Die häufigste Mutation (über 70%, Tabelle 1) ist die Missense-Mutation, von der einige zur Substitution des Glycinrestes im Gly-X-Y-Repeat führen und sich als dominant-negativer Effekt präsentieren8, der im Allgemeinen bei den schwereren Kollagen-Typ-II-Erkrankungen beobachtet wird. Es wurde berichtet, dass einige trunkierende und einige Exon-Skipping-Mutationen schwerere Typ-II-Kollagenopathien verursachen.9 Missense-Mutationen, die zu anderen Aminosäuren als der Glycinsubstitution führen, verursachen im Allgemeinen einen milderen Phänotyp aufgrund einer Beeinträchtigung der Proteinstabilität und einer anschließenden Schädigung der helikalen Struktur und der ordnungsgemäßen Funktion von Kollagen Typ II.

Haploinsuffizienz ist ein Mechanismus, der auf Nicht-Sinn-Substitutionen oder Out-of-Frame-Deletionen zurückzuführen ist, was zu vorzeitigen Stop-Codons führt, die eine verminderte Synthese von normalem Kollagen verursachen. Diese Mutationen sind mit milderen Phänotypen assoziiert.

Darüber hinaus wird die phänotypische Variation wahrscheinlich durch Umweltfaktoren und die Polymorphismen in krankheitsmodifizierenden Genen und / oder regulatorischen Elementen verursacht.

Typ II Kollagenopathien klinische Merkmale zeigen ein breites Spektrum an Schweregrad und Komplexität.

Darüber hinaus sind mehrere Typ-II-Kollagenopathien klinische Merkmale werden von anderen Syndromen aufgrund von Defekten in anderen Komponenten des Knorpels geteilt (z. B. otospondylomegaepiphysäre Dysplasie durch COL11A2-Mutation, multiple epiphysäre Dysplasie hauptsächlich durch COMP-Mutation verursacht).10,11

Phänotypische Überlappung bei COL2A1-bedingten Erkrankungen und breite inter- und intrafamiliäre phänotypische Variation wurden häufig berichtet.

An einem Ende des Spektrums sind Achondrogenese Typ II (ACG2) / Hypochondrogenese und platyspondylische letale Skelettdysplasie vom Torrance-Typ (PLSDT) perinatal letale Zustände. Sie sind gekennzeichnet durch Mikromelie, schmale Brust mit Lungenhypoplasie, fehlende Ossifikation von Wirbelkörpern und Kreuzbein, Pierre-Robin-Sequenz und mehrere viszerale Anomalien. Am anderen Ende des Spektrums sind einige für Jugendliche oder Erwachsene typische Zustände aufgeführt: avaskuläre Nekrose des Femurkopfes (ANFH), Legg-Calvè-Perthes-Krankheit, früh einsetzende Osteoarthritis (OA), Strickler-Syndrom Typ1 (STL1), Vitreoretinopathie mit phalangealer Epiphysendysplasie (VPED). Diese Zustände sind durch normale Statur und frühe Entwicklung von Arthrose oder Augendefekten gekennzeichnet. Eine dritte Gruppe von Typ-II-Kollagenopathien zeigt bei der Geburt oder während der Kindheit klinische Merkmale der Spondyloepiphysen-Dysplasie mit einer Vielzahl von Schweregraden. Flaches Mittelgesicht und Anomalien des Auges und des Innenohrs sind ebenfalls häufig in dieser Gruppe.

Kniest-Dysplasie, spondyloepimetaphysäre Dysplasie (SEMD) Strudwick-Typ und algerischer Typ sowie spondyloepiphysäre Dysplasie congenita (SEDC) sind durch Zwergwuchs gekennzeichnet, der durch verzögerte Verknöcherung der Wirbel und Schambeine verursacht wird. Häufig koexistiert eine odontoide Hypoplasie. Lange Knochen sind kurz und Kyphoskoliose entwickelt sich in der Kindheit.

Im Gegenteil, bei der spondyloperipheren Dysplasie (SPPD) zeigen die Patienten nur eine kleinwüchsige Statur, die mit einer wichtigen Lendenlordose verbunden ist.

1966 wurde die spondyloephysäre Dysplasie congenita von Spranger und Wiedemann12 für einen kurzstammigen Zwergenzustand vorgeschlagen, der hauptsächlich die Wirbel und die proximalen Epiphysen der langen Knochen betrifft.

SEDC ist eine seltene Erkrankung mit einer Prävalenz von 3,4/1.000.000. Bei der Geburt Patienten mit SEDC sind kurz (mittlere Länge 45 cm bei Begriff) mit abgeflachten Wirbel; Verknöcherung fehlt in Schambeinen und distalen Femurepiphysen, fehlt oder in zervikalen und sakralen Wirbel reduziert. Die Beckenknochen sind kurz, das Dach der Hüftpfanne waagerechter als normal und ohne normales Aufflackern der Beckenflügel. Säuglinge mit schwerer SEDC sind oft tot geboren oder verfrüht und sterben kurz nach der Geburt wegen Hypoventilation. Das sich entwickelnde Atemversagen kann nur durch intensive Beatmungsunterstützung vorübergehend überwunden werden. Vor kurzem 13 Wir beschreiben einen Fall eines Kindes, das ausnahmsweise 13,5 Jahre mit der Platzierung von Atemwegsstents überlebt hat. Die Merkmale des Kindes (kleiner Brustkorb, schwere Tracheobronchomalazie, hypo-expandierte Lunge, Atemmuskelversagen und ausgeprägte Abdominaldehnung) führten dazu, dass das Kind an einer chronisch schweren obstruktiven Atemwegserkrankung litt, die ständig überwacht und durch endoskopische chirurgische Eingriffe behandelt wurde.

Häufig leiden Patienten an einer atlantoaxialen Instabilität aufgrund einer Odontoidhypoplasie, die eine Kompression des Gebärmutterhalses verursachen kann, insbesondere wenn sie während der Intubation oder Operation repariert werden.14,15

Kurz nach der Geburt entwickelt sich eine Platispondylie der unteren Brust- und Lendenwirbelkörper. Dies führt letztendlich zu keilförmigen Brustwirbeln und schwerer Kyphoskoliose mit Lendenlordose. Röhrenknochen, außer Hände, sind kurz mit verzögerter und dysplastischer epiphysärer Ossifikation. Daraus folgt Zwergwuchs mit kurzem Stamm (mittlere Erwachsenenhöhe beträgt 140 cm). Erwachsene Patienten zeigen auch flaches Gesicht für skelettale Hypoplasie mit prominenten Augen und Gaumenspalte, Barrel-Brust und Pectus carinatum. Ihre Hände sind normal, aber Coxa vara, ausgerenkte Hüften, Talipes equinovarus, Klumpfüße und Watscheltore werden berichtet. Hypoplastisches Abdomen, Mitralprolaps wurden ebenfalls berichtet.

Erwachsene Patienten leiden an sensorineuralem (25% bis 30% der gemeldeten Fälle) oder seltener gemischtem Hörverlust. Augenkomplikationen wie Myopie wurden bei 45% der Patienten berichtet, Netzhautablösungen sind jedoch seltener (12%) als beim Typ-1-Strickler-Syndrom.16

Bei der Spondyloephysen-Dysplasie congenita wurden über 100 COL2A1-Mutationen beschrieben. Die häufigsten sind in der Tripelhelix (74% Glycin-Substitutionen und 10% Arg-zu-Cys-Veränderungen) und werden dominant vererbt, während nur wenige Mutationen gefunden wurden, die die C-Peptid-Region betreffen. Darüber hinaus wurde kürzlich auch ein rezessives Muster nachgewiesen.5

Anders als Osteogenesis imperfecta,15 wird bei SEDC-Patienten mit Glycinsubstitutionen in der dreifachhelikalen Domäne kein Amino-zu-Carboxyterminal-Gradient im Schweregrad des radiologischen Phänotyps berichtet.17

Pathophysiologische Mechanismen und die Beziehung zwischen Genmutationen und Knorpel- / Knochendefekten sind weitgehend spekulativ. Nur wenige Daten ergeben sich aus Studien an Mäusen mit spontanen Missense-Mutationen im COL2A1-gen18 oder an transgenen Mäusen mit humanen Gen-COL2A1-Mutationen. In transgenen Mäusen wurden Mutationen mit dominant-negativem effekt19 und Mutationen, die Haploinsuffizienz verursachen, erzeugt.20 In diesen Modellen wurde die Verzögerung der Ossifikation sehr früh in der Fetusentwicklung beobachtet. Die Wachstumsplatten zeigen starke Veränderungen. Proliferative und hypertrophe Knorpelzonen waren kürzer oder nicht unterscheidbar und die Ablagerung der Knorpelmatrix ist merklich beeinträchtigt, Kollagenfibrillen waren immer weniger ausgefeilt.

Mutierte Typ-II-Kollagenmoleküle zeigen eine veränderte elektrophoretische Mobilität, eine relativ geringe Thermostabilität und langsame Sekretionsraten in den extrazellulären Raum. Sie bauen sich selbst in abnormalen Fibrillen zusammen, die nicht in der Lage sind, mit anderen Elementen der extrazellulären Matrix richtig zu interagieren. Die richtige fibrilläre Architektur und die mechanischen Eigenschaften der interterritorialen und perizellulären kollagenen Matrix sind entscheidend für eine korrekte säulenförmige Anordnung der Chondrozyten an der Wachstumsplatte.21 Bei transgenen Mäusen zeigen Chondrozyten außerdem stark ausgedehnte Zisternen des endoplasmatischen Retikulums mit einer Retention von Prokollagen und anderen Molekülen (z. B. Fibronektin). Diese Retention verursacht daher einen endoplasmatischen Retikulumstress, der ausreicht, um die Proliferationsrate an den Wachstumsplatten zu verringern.22,23 Es wurde auch über das Fehlen oder eine deutliche Verringerung der mRNA-Expression von Chondrozytenmarkern, einschließlich Cdkn1a, Ihh, Fgfr3, COL10A1 und Runx2, berichtet.

Die abnormale Chondrozytendifferenzierung wirkt sich negativ auf das lineare Knochenwachstum aus und verändert die normalen Zellbeziehungen und die Bereitstellung von Wachstumsfaktoren während der endochondralen Ossifikation.