Посеще; ний:
ВАРИАНТЫ ГЕНА PTRH2



Роль в возникновении болезни IMNEPD

PTRH2 Gene Variants: Recent Review of the Phenotypic Features and Their Bioinformatics Analysis
Rajech Sharkia , Sahil Jain, Muhammad Mahajnah et al.
Genes 2023, 14(5), 1031; https://doi.org/10.3390/genes14051031

Peptidyl-tRNA hydrolase 2 (PTRH2) is an evolutionarily highly conserved mitochondrial protein. The biallelic mutations in the PTRH2 gene have been suggested to cause a rare autosomal recessive disorder characterized by an infantile-onset multisystem neurologic endocrine and pancreatic disease (IMNEPD). Patients with IMNEPD present varying clinical manifestations, including global developmental delay associated with microcephaly, growth retardation, progressive ataxia, distal muscle weakness with ankle contractures, demyelinating sensorimotor neuropathy, sensorineural hearing loss, and abnormalities of thyroid, pancreas, and liver. In the current study, we conducted an extensive literature review with an emphasis on the variable clinical spectrum and genotypes in patients. Additionally, we reported on a new case with a previously documented mutation. A bioinformatics analysis of the various PTRH2 gene variants was also carried out from a structural perspective. It appears that the most common clinical characteristics among all patients include motor delay (92%), neuropathy (90%), distal weakness (86.4%), intellectual disability (84%), hearing impairment (80%), ataxia (79%), and deformity of head and face (~70%). The less common characteristics include hand deformity (64%), cerebellar atrophy/hypoplasia (47%), and pancreatic abnormality (35%), while the least common appear to be diabetes mellitus (~30%), liver abnormality (~22%), and hypothyroidism (16%). Three missense mutations were revealed in the PTRH2 gene, the most common one being Q85P, which was shared by four different Arab communities and was presented in our new case. Moreover, four different nonsense mutations in the PTRH2 gene were detected. It may be concluded that disease severity depends on the PTRH2 gene variant, as most of the clinical features are manifested by nonsense mutations, while only the common features are presented by missense mutations. A bioinformatics analysis of the various PTRH2 gene variants also suggested the mutations to be deleterious, as they seem to disrupt the structural confirmation of the enzyme, leading to loss of stability and functionality.

центиль - это количество здоровых детей одного возраста и пола с одинаковыыми параметрами

Мультисистемное неврологическое, эндокринное и панкреатическое заболевание (IMNEPD) - очень редкое аутосомно-рецессивное заболевание, впервые описанное в 2014 году [1]. Исследования показали, что это заболевание обусловлено биаллельными мутациями в гене пептидил-тРНК-гидролазы 2 (PTRH2), расположенном на хромосоме 17 (NG_042064.1) [2,3]. Поскольку это мультисистемное заболевание, оно может приводить к появлению нескольких вариабельных фенотипов. Клинические признаки IMNEPD включают глобальную задержку развития (с двигательной и речевой задержкой), умственную отсталость, нейросенсорную тугоухость, атаксию, недостаточность поджелудочной железы (как экзокринную, так и эндокринную), постнатальную микроцефалию, периферическую нейропатию, лицевой дисморфизм, атрофию мозжечка, гипотиреоз, сахарный диабет и дисфункцию печени [3-6].
PTRH2, известный также как BIT1 (Bcl-2 inhibitor of transcription 1), - это эволюционно высоко консервативный белок, принадлежащий к семейству пептидил-тРНК-гидролаз. Он высвобождает пептидильный мотив из тРНК, предотвращая тем самым накопление преждевременно диссоциированных пептидил-тРНК, которые могут подавлять синтез белка и быть токсичными для клеток. Кроме того, белок PTRH2 играет роль в регуляции выживания и гибели клеток. Он способствует выживанию клеток и регулирует дифференцировку мышц в процессе развития человека. С другой стороны, потеря функции PTRH2 вследствие мутаций гена приводит к врожденной IMNEPD [7-9].
Человеческий PTHR2 представляет собой белок массой 19 кДа, присутствующий в различных местах, включая внешнюю мембрану митохондрий, плазматическую мембрану, эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи [10-12], и экспрессирующийся во всех типах тканей [13,14]. Он состоит из 179 остатков (UniProt ID: Q9Y3E5) и, как предполагается, участвует во множестве специфических функций по локализации[15]. Среди предполагаемых функций - регуляция сигналов адгезии и генов B-клеточной лимфомы 2 (Bcl2) [15]; модуляция сигналов фосфоинозитид-3-киназы/протеинкиназы B (PI3K/AKT) и внеклеточной сигнал-регулируемой киназы (ERK) [15]; инициирование anoikis при потере адгезии [10,15]; регуляция миогенной дифференцировки [1,11,16,17]; регуляция механической мишени рапамицина (mTOR) и эпителиально-мезенхимного перехода (ЭМП) в развитии нейронов [18,19]. Эти функции могут зависеть от адгезии, опосредованной интегринами, связывания кофакторов и состояния фосфорилирования белка [15].
Мутации в гене PTRH2 могут приводить к снижению или потере функции белка PTRH2, что может нарушать процесс митохондриальной трансляции и способствовать развитию IMNEPD. Согласно предыдущим данным, миссенс- и нонсенс-мутации в гене PTRH2 могут приводить к развитию IMNEPD с различной степенью тяжести [20].
Наличие огромного количества вычислительных инструментов и серверов, включая серверы предсказания структуры белков (например, AlphaFold V_2), серверы предсказания сайтов связывания белков (например, SPPIDER V_2 и ScanNet V_0.3), серверы предсказания эволюционного сохранения (например, Consurf), серверы измерения стабильности белков (например, Rossetta-PM), серверы предсказания пост-трансляционных модификаций (например, Venus и MusiteDeep), позволяет получить представление о влиянии мутаций на функциональность белка со структурной точки зрения. Например, в одном из недавних исследований был проведен биоинформационный анализ белка для гена CLN8 [21]. В другом расчетном исследовании Suleman et al. обратили внимание на структурную стабильность, обеспечиваемую мутациями в белке SARS-CoV-2 spike, позволяющую белку связываться с рецептором ACE2 [22].
В настоящем исследовании был проведен обширный обзор всех зарегистрированных случаев IMNEPD, а также их разнообразного клинического спектра в зависимости от соответствующих генотипов. Мы также сообщили о новом локальном случае с известной вариацией гена PTRH2. Кроме того, мы представили относительную частоту различных клинических проявлений во всех случаях. Кроме того, был проведен биоинформационный анализ различных вариантов гена PTRH2 со структурной точки зрения, чтобы получить представление о влиянии мутаций на структурно-функциональную взаимосвязь фермента.
2. Methodology


В настоящем исследовании все имеющиеся случаи с вариантами гена PTRH2 (до момента подготовки настоящего исследования, конец 2022 г.) были включены в список с указанием их клинических особенностей (табл. 1). Был проведен обширный обзор литературы с использованием сайтов PubMed и Google Scholar (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/, дата обращения 10.02.2023 и https://scholar.google.com/, дата обращения 10.02.2023). Кроме того, были обобщены данные об относительной частоте различных клинических проявлений и генетических переменных во всех этих случаях (табл. 2).

Таблица 1. Фенотипические характеристики и варианты гена PTRH2 всех опубликованных случаев IMNEPD, включая наш случай. Таблица 2. Частота встречаемости различных клинических и генетических переменных в опубликованных случаях IMNEPD.

Structural Analysis of the Mutational Effects


Для структурного анализа мутаций была получена трехмерная структура каталитического гидролазного домена PTRH2 (остатки 63-179), полученная в результате кристаллографических исследований (PDB ID: IQ7S). Структура N-концевых остатков 1-62 была предсказана с помощью программы AlphaFold [27]. AlphaFold - современная нейросетевая модель, предсказывающая структуры белков с атомарной точностью и не требующая наличия гомологичной структуры. Достоверность предсказания была подтверждена тестом предсказанной разницы локальных расстояний (pLDDT) [27]. Для прогнозирования эволюционной сохранности различных аминокислот в ферменте PTRH2 использовался веб-сервер ConSurf [28]. Более высокая эволюционная сохранность, вероятно, указывает на критичность остатка. Программа ConSurf обучена находить гомологи запрашиваемой последовательности и выявлять закономерности эволюционного родства на основе множественного выравнивания последовательностей [28]. Кроме того, для предсказания сайтов межбелкового взаимодействия использовались веб-серверы SPPIDER (Solventibility accessibility-based Protein-Protein Interface iDEntification and Recognition) и ScanNet (Spatio-Chemical Arrangement of Neighbors Network). SPPIDER - сервер распознавания белковых интерфейсов на основе машинного обучения, использующий прогнозы относительной доступности растворителя (RSA) и структурные данные высокого разрешения для оценки участия различных остатков в межбелковых взаимодействиях [29]. ScanNet [30] - многомасштабный геометрический сервер на основе глубокого обучения (DL), предсказывающий участие конкретного остатка в структурных мотивах на основе трехмерной конформации соседних с ним остатков [30]. Для оценки влияния мутаций на стабильность трехмерной структуры также использовался Rosetta-PM [31], а для оценки влияния мутаций на сайты пост-трансляционных модификаций - веб-серверы Venus [32] (https://venus.cmd.ox.ac.uk, дата обращения: 23.02.2023) и MusiteDeep [33] (https://www.musite.net, дата обращения: 23.02.2023). Venus основан на MichelaNGLO, а MuSiteDeep - это веб-сервер на базе DL, позволяющий в реальном времени эффективно предсказывать сайты пост-трансляционных модификаций для нескольких исходных последовательностей. Кроме того, для предсказания сайтов фосфорилирования в белке PTRH2 использовался PhosphoSite Plus - интерактивный ресурс, включающий около 130 тыс. экспериментально наблюдаемых сайтов пост-трансляционных модификаций [34].
3. Results
3.1. Case Presentation


Семья из арабской общины Израиля была направлена в Институт генетики при медицинском центре "Рамбам" (Хайфа), поскольку их ребенок страдал глобальной задержкой развития, нейросенсорной тугоухостью и периферической нейропатией. Родители являлись троюродными родственниками, имея больного сына и двух здоровых братьев и сестер.
Беременность матери протекала без осложнений, хотя наблюдение за ребенком проводилось в ограниченном объеме, без пренатального сканирования и генетического обследования. Пострадавший сын родился в 35 недель беременности в результате нормальных вагинальных родов, его масса при рождении составила 2,3 кг. После рождения младенцу потребовалась респираторная поддержка в связи с нарушением дыхания, вызванным предположительно врожденной пневмонией. В семь месяцев у него была диагностирована прогрессирующая нейросенсорная тугоухость. Вначале ему были установлены слуховые аппараты, а в возрасте двух лет - кохлеарные имплантаты. У него также наблюдалась глобальная задержка развития, которая проявлялась следующим образом: он хорошо сидел в возрасте 1,5 лет, ходил в возрасте трех лет, но с затруднениями в походке, а говорить начал после операции кохлеарной имплантации. При физическом и неврологическом обследовании в возрасте трех лет была выявлена гипотония с нормальными сухожильными рефлексами, и EMG/NCV - демиелинизирующая аксональная полинейропатия, как сенсорная, так и моторная.
В возрасте 2,5 лет был отмечен массивный стул с неприятным запахом. Кроме того, в возрасте 6 лет результаты анализа кала на эластазу, а также тесты на дефицит витаминов А и Е свидетельствовали об экзокринной недостаточности поджелудочной железы. В дальнейшем было начато лечение панкреатическими ферментами.
В возрасте семи лет обследование нейрального развития показало, что у пациента сохранялась глобальная задержка развития; он по-прежнему испытывал трудности с походкой и часто падал, не мог подниматься по лестнице без посторонней помощи и не умел прыгать. Пациент также испытывал графо-моторные трудности при письме и рисовании и посещал специальный детский сад. При последнем физическом обследовании (в возрасте семи лет) были выявлены следующие параметры: рост 118 см (25-й центиль), вес 22 кг (35-й центиль), окружность головы 49,5 см (3-й центиль). У ребенка отмечались дополнительные легкие дисморфологические признаки: нависшие веки, опущенные вниз пальпебральные щели, широкая переносица с легкой эпикантальной складкой, низкая вставная колумелла, выдающийся и заостренный подбородок с прогнатизмом, легкая гипотония нижних конечностей с частичным признаком Гауэра и легкая pes cavus с молоткообразными пальцами. Однако мышечной атрофии не выявлено. Гибкость суставов по шкале Beighton составила 6/9 баллов, сухожильные рефлексы были в норме.
Было проведено рутинное генетическое обследование, включая анализ хромосомных микрочипов (CMA), хромосомных аберраций выявлено не было. Поскольку клинические проявления пробанда напоминали таковые при IMNEPD, было проведено секвенирование гена PTRH2. Результаты показали, что пациент гомозиготен по миссенс-мутации p.Gln85Pro (c.254A > C) - патогенному варианту гена PTRH2, идентифицированному ранее нашей группой [3].
С момента первого случая IMNEPD, описанного в 2014 г., до настоящего времени было зарегистрировано около 25 случаев. В настоящем исследовании был проведен систематический обзор всех этих случаев с указанием их клинических проявлений, который представлен в табл. 1. Также были рассчитаны относительные частоты встречаемости различных клинических признаков во всех случаях, которые представлены в табл. 2. Было установлено, что наиболее часто среди всех пациентов встречаются такие клинические признаки, как задержка моторного развития (92%), нейропатия (90%), дистальная слабость (86,4%), умственная отсталость (84%), нарушение слуха (80%), атаксия (79%), деформация головы и лица (~70%). Реже встречались деформация кистей рук (64%), атрофия/гипоплазия мозжечка (47%) и аномалии поджелудочной железы (35%), а реже всего - сахарный диабет (~30%), аномалии печени (~22%) и гипотиреоз (16%). Примечательно, что не удалось выявить ни одного клинического признака, характерного для всех зарегистрированных случаев (табл. 2).
Результаты показали, что большинство вариантов гена PTRH2, выявленных в 25 случаях, представляли собой миссенс-мутации с относительной частотой 64%, в то время как нонсенс-мутации имели относительную частоту 36% (табл. 2). Было зарегистрировано три миссенс-мутации в гене PTRH2, наиболее часто встречающаяся из которых - Q85P - была обнаружена в четырех различных арабских общинах из Саудовской Аравии, Туниса, Палестины и арабской общины Израиля, как показано в табл. 1. Относительная частота двух других миссенс-мутаций (V23A и Y94N) составила 4% каждая, и каждая из них была обнаружена только в одном отдельном случае (табл. 2).
В гене PTRH2 было зарегистрировано четыре различных нонсенс-мутации. Три из них (A90Gfs*13, W108* и E110*) были обнаружены в одной семье, а четвертая (S43Kfs*11) - в двух неродственных семьях (табл. 1).
3.2. Structural Analysis of the Mutational Effects


Предсказанная трехмерная структура белка PTRH2 представлена на рис. 1а. Визуальный осмотр предсказанной структуры указывает на наличие практически неструктурированного N-конца (за исключением остатков 14-33), небольшой α-спирали и пятицепочечного β-листа, фланкированного двумя α-спиралями [9]. Остатки 1-62 считаются последовательностью митохондриальной локализации (MLS) [15]. Пептидный фрагмент (остатки 14-33), участвующий в гибели клеток путем анойкиса, был определен Chen et al. как домен клеточной гибели PTRH2 (PTRH2-CDD) [35] (рис. 1а). Остатки 63-179 обозначены как каталитический гидролазный домен [15] и предположительно участвуют в выживании клеток [35]. Остатки 80-99, образующие большую спираль, рассматриваются как участвующие в связывании с различными белками [9,15] (рис. 1а).



Figure 1. (a) The AlphaFold-predicted structure of human PTRH2. Residues 1-62 are suggested to be the mitochondrial localization signal, residues 14-33 are known as the cell death domain, while residues 63-179 are the catalytic hydrolase domain. Residues 80-99, forming the big α helix, are thought to be involved in binding with various proteins. (b) Consurf analysis indicates a high evolutionary conservation of Q85, W108, and A90, while average conservancy was predicted for Y94 and V23.

Ниже представлен структурный анализ мутаций, обнаруженных в белке PTRH2 (UniProt ID: Q9Y3E5), с целью прогнозирования их функциональной значимости.
3.2.1. V23A


Судя по трехмерной структуре белка (рис. 1а), V23 является частью спирального CDD в практически неструктурированной области N-конца. Такие участки часто вовлекаются в межбелковые взаимодействия. Действительно, V23 был предсказан как белок-связывающий сайт веб-серверами SPPIDER [29] и ScanNet [30]. Это предсказание подтверждает вероятное значение данного остатка в регуляции клеточного апоптоза, поскольку мутация V23 в митохондриальном PTRH2 может приводить к нарушению взаимодействия PTRH2-TLE (TLE: Transducin-like Enhancer of Split) [15], следовательно, к ингибированию клеточной гибели.
3.2.2. S43Kfs*11


Эта мутация приводит к образованию усеченного белка PTRH2, в котором частично отсутствует MLS. Кроме того, в усеченном белке отсутствует полный каталитический гидролазный домен, что делает его неактивным.
3.2.3. Q85P


Q85 является частью сети электростатических взаимодействий, в которую также входят K81, D145 и T157. Это очень важная сеть взаимодействия, поскольку предполагается, что K81, Q85 и T157 являются частью предполагаемого активного сайта [36]. Эта сеть также стабилизирует белок и помогает поддерживать правильное положение спирали 80-99 и прилегающего к ней листа, которые вместе образуют плотное ядро белка. В рамках этой сети взаимодействия боковая цепь Q85 образует водородную связь с T157 и полярную водородную связь с D145 (рис. 2).



Рисунок 2. A strong electrostatic interaction network is observed in the presence of glutamine at the 85th position (yellow). Q85 forms polar interactions (yellow dashes) with K81, H88, A89, V117, D145, and T157. Most of these interactions are lost upon Q85P mutation. Also, due to the conformational position of D145 owing to the interaction with Q85, D145 is able to form a salt bridge (cyan dash) with K81. No such salt bridge formation is observed upon Q85P mutation.

Тот факт, что Q85 и T157 предположительно входят в состав предполагаемого активного сайта [36], подчеркивает важность взаимодействия Q85-T157. Кроме того, важным может быть взаимодействие Q85-D145, поскольку оно способствует правильному расположению D145 относительно K81, что позволяет им образовывать прочный стабилизирующий солевой мостик (рис. 2). Кроме того, K81 является вероятным сайтом убиквитилирования, как предполагают Akimov et al. [37] и как предсказывают веб-серверы Venus [32] и MusiteDeep [33]. Таким образом, конформация К81, обусловленная его взаимодействием с Q85 и D145, может быть критической для экспонирования ε-аминогруппы К81 на С-конце убиквитина, что приводит к убиквитинированию и, следовательно, к поддержанию клеточного гомеостаза. Эта конформация K81 может измениться из-за изменения электростатических взаимодействий между этим остатком, D145 и P85 после мутации, что приведет к нарушению гомеостаза.
3.2.4. A90Gfs*13


Эта мутация приводит к образованию усеченного, нефункционального варианта PTRH2, лишенного большей части каталитического гидролазного домена.
3.2.5. Y94N


Y94 участвует в различных взаимодействиях с аминокислотами, расположенными на соседней короткой спирали. Эти взаимодействия включают водородную связь с E109, слабое π-π взаимодействие с W108 и гидрофобное взаимодействие с L105 (рис. 3).


Figure 3. In the presence of tyrosine at the 94th position (yellow), a host of interactions, including hydrogen bonds with A90, Q98 and E109 (yellow dashes), weak π-π interaction with W108 (cyan residue), and hydrophobic interaction with L105 (green residue), are observed. Due to the conformational positioning of W108 owing to its π-π interaction with Y94, it is able to interact with multiple residues (black dashes and blue residues). No such interactions are observed upon Y94N mutation.

Эта сеть взаимодействий стабилизирует ту часть белка, которая содержит две спирали, а также способствует позиционированию короткой спирали таким образом, чтобы W108, которая является высоко-консервативной, могла образовывать многочисленные взаимодействия с другими частями белка. Эти взаимодействия включают электростатическое взаимодействие с K115, π-π взаимодействие с Q113, sulfur-π взаимодействие с M67 и гидрофобное взаимодействие как с M67, так и с P163 (рис. 3). Таким образом, Y94 как прямо, так и косвенно отвечает за стабилизацию этой части белка. Интересно, что Q113 и K115 являются высоко-консервативными остатками, как показал анализ ConSurf (рис. 1б), и были предсказаны в качестве сайтов связывания белка веб-серверами SPPIDER [29] и ScanNet [30]. Таким образом, взаимодействие с W108, который сам по себе является высоко-консервативным остатком, может быть значимым для конформационного позиционирования Q113 и K115, обеспечивающего их взаимодействие с другими белками. Это предположение подтверждается и выравниванием последовательностей в базе данных CDD/SPARCLE [36], которое позволяет предположить, что K115 входит в состав предполагаемого активного сайта. Таким образом, мутация Y94N может оказывать негативное влияние на взаимодействие PTRH2 с другими белками.
3.2.6. W108*


W108 - стоп-мутация, приводящая к образованию усеченного белка PTRH2, лишенного большей части каталитического гидролазного домена.
3.2.7. E110*


E110 - делеционная мутация, приводящая к образованию усеченного белка PTRH2 без основной части каталитического гидролазного домена.
4. Discussion


В данной работе мы сообщаем о новом случае с ранее зарегистрированной мутацией. Кроме того, мы попытались перечислить ранее описанные фенотипические симптомы для каждого из состояний (миссенс и нонсенс) и дать расчетное представление о вероятных причинах тяжести наблюдаемых симптомов. С этой целью мы провели структурный анализ, чтобы понять влияние различных мутаций (миссенс и нонсенс) на внутримолекулярную стабильность и общую конформацию белка. Анализ различных нонсенс- и миссенс-мутаций в ферменте PTRH2 показал, что в целом миссенс-мутации приводят к менее тяжелым фенотипам по сравнению с нонсенс-мутациями. Этот вывод можно сделать на основании того, что у пациентов с миссенс-мутациями клинические признаки IMNEPD встречаются реже, чем у пациентов с нонсенс-мутациями (табл. 1). Кроме того, биоинформационный анализ вариантов PTRH2 позволил предположить несколько механизмов, посредством которых точечные мутации могут снижать биологическую активность белка. Большинство миссенс-вариантов, по оценкам, обладают меньшей способностью к меж-белковому взаимодействию, что приводит к нарушению различных сигнальных процессов. Кроме того, большинство точечных мутаций снижают структурную стабильность фермента, нарушая сеть внутри-белковых взаимодействий. Структурная дестабилизация может влиять на функциональность фермента, приводя к возникновению наблюдаемой симптоматики.
Что касается миссенс-мутаций, то в гене PTRH2 зарегистрировано три мутации, причем наиболее распространенная (Q85P; 56%) отмечена в четырех различных арабских общинах (саудовской, тунисской, палестинской и арабской общине Израиля). Интересно, что мутация Q85P встречается преимущественно в арабских общинах. Это явление можно объяснить эффектом общего основателя, поскольку данная мутация, вероятно, возникла в Саудовской Аравии. Основными отличительными клиническими проявлениями этой мутации являются задержка моторного развития, умственная отсталость, нарушение слуха, невропатия, деформация головы и лица, дистальная слабость, деформация кистей и атаксия. С другой стороны, менее распространенными клиническими признаками этой мутации являются атрофия мозжечка, патология печени и поджелудочной железы, а о сахарном диабете и гипотиреозе не сообщалось.
На основании биоинформационного анализа можно предположить, что мутация Q85P оказывает два пагубных влияния на функцию фермента. Первый - потеря каталитической активности, второй - снижение общей стабильности белка из-за потери боковых цепных взаимодействий Q85 с окружающими остатками. Другим фактором, который, как ожидается, еще больше снизит стабильность белка в результате мутации Q85P, является имино-амино-замена азота задней цепи этого остатка, что приводит к потере донора водородных связей. Действительно, расчеты Rosetta-PM [31] показывают, что мутация Q85P, вероятно, снижает стабильность белка почти на 11 ккал/моль. Таким образом, мутация Q85P в ферменте PTRH2 может рассматриваться как более мягкий фенотип заболевания по сравнению с нонсенс-мутациями.
Две другие миссенс-мутации, V23A и Y94N, были зарегистрированы у представителей иранской и японской национальностей соответственно [20, 25]. По данным Khamirani et al. [25], мутация V23A может приводить к двигательным нарушениям, задержке моторного развития и тяжелой близорукости, хотя при обследовании желудочно-кишечного тракта ничего не было обнаружено. Также не сообщалось о лицевом дисморфизме и нарушениях слуха. Такое отсутствие может быть связано со сходной природой остатков валина и аланина, поэтому повреждения, вызванные мутацией V23A, могут иметь лишь минимальные последствия.
Биоинформационный анализ также показал, что V23 является частью N-концевого сегмента PTRH2, предположительно содержащего последовательность митохондриальной локализации (MLS) [15] (рис. 1а). Он также является частью PTRH2-CDD, который участвует в гибели клеток через анойкиз (anoikis) [35] (рис. 1а). Таким образом, мутация в V23 может влиять либо на локализацию белка в митохондриях, либо на его функцию от каспаз независимого клеточного апоптоза, либо на обе эти функции. В частности, предполагается, что PTRH2 закрепляется на мембране эндоплазматического ретикулума и Гольджи с помощью своего N-конца, а С-концевой домен выступает в цитоплазму [12,15]. Мутация в V23, расположенном вблизи N-конца, может препятствовать связыванию PTRH2 с поверхностью эндоплазматического ретикулума и Гольджи. Это изменение может нарушить ассоциацию С-концевого каталитического домена PTRH2 с киназой 1 (ERK1), регулируемой внеклеточным сигналом [12,15], что приведет к продолжению ERK-сигнализации. Кроме того, нарушение формирования комплекса PTRH2-ERK1 может приводить к торможению анойкиза в астроцитах сетчатки в процессе ремоделирования развивающегося глаза [15]. В целом можно предположить, что мутация V23A приводит к более мягким последствиям, чем Q85P и нонсенс-мутации.
Третья миссенс-мутация, Y94N, была описана Ando et al. [20] у пациента из Японии. В детстве у пациента были диагностированы потеря слуха и легкая умственная отсталость, однако двигательные нарушения, снижение когнитивных способностей и неустойчивость походки были зафиксированы только в возрасте 50 лет. Кроме того, неврологическая симптоматика включала слабость и атрофию дистальных доминантных мышц, снижение сухожильного рефлекса, деформацию стоп без сенсорных симптомов, атаксию конечностей и truncal атаксию. Также отмечались множественные малые нарушения, тяжелая аксональная сенсомоторная нейропатия и гипоплазия мозжечка.
Биоинформационный анализ показал, что Y94 является частью каталитического домена PTRH2. Ожидается, что мутация Y94N приведет к потере значимых взаимодействий и тем самым дестабилизирует эту часть белка (рис. 3). Действительно, по данным Rosetta-PM [31], эта мутация, скорее всего, приведет к дестабилизации белка на 3,6 ккал/моль. Кроме того, как предполагают Possemato et al. [38] и предсказывают веб-серверы Venus [32] и PhosphoSite Plus [34], то xY94 является вероятным сайтом фосфорилирования. Таким образом, Y94 может быть значимым для функции клеточного выживания фермента PTHR2. Кроме того, Y94 входит в состав большой спирали 80-99, которая, как считается, является сайтом связывания белков [9,15]. Действительно, веб-серверы SPPIDER [29] и ScanNet [30] указывают на наличие вероятного белок-связывающего сайта на Y94. Поэтому мутация Y94N может оказывать негативное влияние на взаимодействие PTRH2 с другими белками. В целом, по сравнению с двумя другими миссенс-мутациями (Q85P, V23A), мутация Y94N представляется более тяжелой, судя по клиническим проявлениям (табл. 1). Таким образом, можно ожидать, что наибольший вред наносят нонсенс-мутации, затем Y94N, затем Q85P и, наконец, самая легкая мутация V23A.
Проведенный нами обзор литературы показал, что нонсенс-мутации S43Kfs*11, A90Gfs*13, W108* и E110* могут приводить к образованию нефункционального белка PTRH2, лишенного большей части или полного каталитического гидролазного домена. Можно предположить, что эти мутации приводят к более тяжелому фенотипу IMNEPD, характеризующемуся как наиболее распространенными клиническими признаками (умственная отсталость, задержка моторного развития, невропатия, дистальная слабость, атаксия, нарушение слуха, деформация головы и лица), так и менее распространенными клиническими фенотипами (деформация кистей, атрофия/гипоплазия мозжечка, сахарный диабет, аномалии поджелудочной железы и печени, гипотиреоз). В недавнем исследовании было высказано предположение, что один случай с нонсенс-мутацией в белке PTRH2 (S43Kfs*11) характеризуется более легким фенотипом по сравнению со случаями с миссенс-мутацией [5]. Однако в более позднем исследовании Becker et al. [26] описаны два пациента с мутацией S43Kfs*11, у которых наблюдался более тяжелый фенотип, чем в предыдущих работах. Помимо этих контрастных сообщений, наблюдались также фенотипические различия между братьями и сестрами и между разными случаями с одной и той же мутацией. Возможным объяснением этих фенотипических различий может быть различная экспрессивность мутаций гена PTRH2.
Предполагается, что PTRH2 играет роль в различных клеточных функциях, включая регуляцию сигналов адгезии, экспрессии гена B-клеточной лимфомы 2 (Bcl2) [15], модуляцию сигналов фосфоинозитид-3-киназы/протеинкиназы B (PI3K/AKT), внеклеточной сигнал-регулируемой киназы (ERK) [15], инициирование аноикиса при потере адгезии [10,15], регуляция миогенной дифференцировки [1,11,16,17], регуляция механической мишени рапамицинового пути (mTOR) [1] и эпителиально-мезенхимного перехода (ЭМП) в нейронном развитии [18,19]. На эти функциональные возможности могут влиять опосредованное интегрином присоединение, связывание кофакторов и состояние фосфорилирования белка [15]. Влияние различных мутаций PTRH2 на эти функциональные пути еще не выяснено. Понимание этих эффектов может помочь в понимании развития последующих множественных проявлений, наблюдаемых у пациентов с IMNEPD.
Очевидно, что при IMNEPD у пациентов задействованы многие системы, что может привести к широкой дифференциальной диагностике. Так, у разных пациентов клинические характеристики могут совпадать с различными синдромами и метаболическими заболеваниями, такими как синдром Johanson-Blizzard и MELAS (митохондриальная энцефаломиопатия, молочнокислый ацидоз и инсульт-подобные эпизоды). Поскольку широкий спектр симптомов и сопутствующих заболеваний делает диагностику этого заболевания особенно сложной, мы предлагаем выявлять мутации в гене PTRH2 при проведении клинико-генетической диагностики в соответствующих медицинских центрах заинтересованными медицинскими работниками в качестве индикатора IMNEPD.