Секвенирование всего экзома (WES) привело к обнаружению бесчисленного количества потенциально патологических вариаций [1]. Помимо выявления причин ранее не диагностированных редких заболеваний, таких как расстройства нейрального развития ( NDDs), эти вариации направленного или фундаментальные исследования и открыли возможность установить корреляции между генотипом и фенотипом для групп расстройств, гетерогенность которых была менее изучена [2,3]. Многие гены, ассоциированные с NDDs, кодируют синаптические белки, патологические варианты которых приводят к так называемым синаптопатиям [4--, 5, 6].

Наиболее многочисленным семейством киназ, экспрессирующихся в возбуждающем синапсе, является кальций/кальмодулин-зависимая протеинкиназа II типа (CAMK2) [7]. Семейство CAMK2 состоит из четырех генов - CAMK2A, B, G и D [8]. Более четырех десятилетий исследований на мышах, дрозофиле и других животных моделях показали, что паралоги CAMK2 критичны для широкого спектра неврологических процессов, таких как синаптическая пластичность, обучение, память и сон, а также для функций вне нервной системы, включая желудочно-кишечную моторику, зрение, функционирование кардиомиоцитов и Т-клеток [8, 9--, 10, 11, 12, 13]. Несмотря на его многочисленность и жизненно важное значение для структуры и функции синапсов, потребовалось много времени, чтобы связать случаи NDDs у человека с патологическими вариантами в генах CAMK2. 25-летний промежуток времени между открытиями на мышиных моделях и у пациентов стал очевиден, когда выяснилось, что подавляющее большинство пациентов с CAMK2 имеют уникальные миссенс-варианты, которые требуют трудоемких и длительных функциональных экспериментов для подтверждения патогенности. Совместное внедрение в здравоохранение инструментов WES и сопоставления [14] помогло выявить эти варианты как потенциальные причины NDDs [2,15,16].

В 2012 году в WES-исследовании пациентов с тяжелой умственной отсталостью (ID) [16] CAMK2G впервые был ассоциирован с ID, а затем вариант CAMK2A был обнаружен в WES-когорте пациентов с расстройствами аутистического спектра [17]. С тех пор в пятнадцати статьях были описаны клинические фенотипы 32 уникальных вариантов CAMK2 во всех четырех паралогах [16-30-]. Они включают некоторые варианты усечения белка, такие как варианты со сдвигом рамки считывания, но, как упоминалось выше, основную часть составляют missense-варианты. Термин «CAMK2-связанное расстройство» был введен Proietti Onori и др. в 2021 году [31]. Всеобъемлющий обзор случаев CAMK2 по всем четырем паралогам, включая общий анализ корреляций между генотипом и фенотипом, до сих пор отсутствует. Общий обзор случаев позволяет выяснить, приводят ли варианты в разных паралогах CAMK2 к одному единому синдрому CAMK2 или, наоборот, к нескольким синдромам, специфичным для паралога CAMK2. Поэтому мы изучим совпадающие и не-совпадающие клинические особенности во всех зарегистрированных на сегодняшний день случаях CAMK2, чтобы предложить первую тщательную корреляцию генотип-фенотип.

Структура и функции CAMK2, включая его эволюцию и роль в различных процессах мозга, были подробно рассмотрены [8, 32, 33, 34]. Вкратце, четыре различных паралога CAMK2 образуют голофермент, состоящий из 12-14 субъединиц, причем разные паралоги способны к совместной сборке. Каждая отдельная субъединица состоит из следующих доменов: каталитического, регуляторного, вариабельного (где паралоги существенно отличаются друг от друга) и ассоциативного домена (рис. 1а) [35]. Каталитический домен обладает фосфотрансферазной активностью, позволяя фосфорилировать различные субстраты, среди которых соседние субъединицы CAMK2. (Авто)регуляторный или ингибиторный домен функционирует как псевдосубстрат для каталитического домена, удерживая CAMK2 в неактивном состоянии, когда он связан с каталитическим доменом, и содержит сайт связывания Ca2+/кальмодулина. Связывание Ca2+/кальмодулина с регуляторным доменом при притоке Ca2+ приводит к конформационному изменению, в результате которого каталитический домен освобождается от регуляторного домена, что приводит к повышению ферментативной активности [32]. Соседние активированные субъединицы CAMK2 могут фосфорилировать друг друга на Thr286/Thr287 (CAMK2A против CAMK2B, D и G соответственно), что приводит к длительному активированному состоянию еще долгое время после снижения уровня кальция в клетке. Считается, что благодаря этому жестко регулируемому и удлиненному механизму CAMK2 действует как молекулярный переключатель во множестве процессов в мозге и за его пределами [8]. Кроме того, структурная роль голофермента CAMK2 в синапсе - еще одна роль, заслуживающая дальнейшего изучения [36].



Figure 1. Schematic overview of CAMK2 paralogs and the inferred effect of variants identified

a) Все паралоги CAMK2 содержат высоко гомологичный каталитический, регуляторный и ассоциативный (hub) домен. Единственный домен, в котором паралоги явно отличаются друг от друга, - это вариабельный (линкерный) домен. Миссенс-варианты показаны сверху каждого паралога, а делеции, дупликации, варианты интронных сайтов и сплайс-сайтов - ниже. Повторяющиеся варианты отмечены звездочкой с указанием количества повторов (например, Pro139Leu *6). b - d) Обзор предполагаемого влияния различных вариантов на каждый паралог CAMK2. Внутренний круг представляет каталитический домен, внешний - регуляторный домен. В группе протестированных вариантов CAMK2A (b) регуляторный домен содержит исключительно мутации Gain of function (GoF). Большинство вариаций в каталитическом домене вызывают эффект потери функции (LoF). В отличие от CAMK2A, каталитический домен CAMK2B (c) в основном состоит из GoF-вариантов. В CAMK2D (d) подавляющее большинство мутаций являются GoF. e) Схематический обзор распределения и эффектов мутаций в каждом паралоге CAMK2. ND = не определено.

Исследования на мышах (и крысах) показали, что четыре паралога различаются по временной и пространственной экспрессии, проявляя как перекрывающиеся, так и уникальные функции [37]. CAMK2G и CAMK2D являются доминирующими паралогами на ранних стадиях развития [37, 38], но по мере развития CAMK2A и CAMK2B становятся доминирующими паралогами постнатально. CAMK2A экспрессируется исключительно в нейронах и является наиболее распространенным паралогом в мозге [39, 40]. CAMK2B, CAMK2D и CAMK2G экспрессируются в различных органах, таких как мозг, желудочно-кишечный тракт и сердечная ткань [38, 41].

На сегодняшний день в 15 статьях [16-30-] подробно описаны клинические проявления у 46 человек с вариантами в одном из четырех генов CAMK2, охватывающие 32 уникальных варианта, включая семь рекуррентных (табл. 1). Наиболее распространенным вариантом является CAMK2B: p (Pro139Leu), обнаруженный у семи человек, а также в CAMK2D. Большинство вариантов расположены в каталитическом домене (17/32), затем в регуляторном домене (12/32); только два варианта CAMK2A затрагивают ассоциативный домен. Функциональные исследования, в основном оценивающие фосфотрансферазную активность через автофосфорилирование на Thr286/Thr287, охарактеризовали 20 из этих 32 вариантов [19, 30], определив восемь из них как утрату функции (LoF), 11 - как усиление функции (GoF) и один вариант с неопределенной патогенностью. Большинство вариантов LoF (5/8) находятся в каталитическом домене, в то время как варианты GoF распределены по всем доменам (рис. 1b-e).

Table 1. Overview published cases in all four CAMK2 paralogs.

Первые исследования были сосредоточены на случаях CAMK2A и CAMK2B, с основными симптомами, включая задержку развития, ID, аутизм и эпилепсию [18, 19, 22 и 23]]. В более поздних исследованиях CAMK2D к неврологическим проблемам добавилась дилатационная кардиомиопатия, что согласуется с установленной ролью CAMK2D в кардиологии [28, 30]. В целом паралоги CAMK2 обладают некоторыми общими характеристиками: 1) большинство вариантов - de novo, за исключением случаев Heiman et al. [27], 2) наследование, как правило, аутосомно-доминантное, за исключением кровосмесительных случаев Chia [23], 3) p (Pro139Leu) - горячая точка [19,24,25,30] и 4) случаи преимущественно педиатрические, причем Rizzi et al. сообщили о самом пожилом пациенте в возрасте 22 лет [25]. В целом, не наблюдается предвзятого отношения к какой-либо этнической или гендерной принадлежности. Помимо этих закономерностей, нет четких данных, позволяющих выделить четыре паралога CAMK2 в отдельные синдромы, что подчеркивает необходимость дальнейшего анализа.