Нарушения Ростовой Пластинки

Skeletal dysplasias and the growth plate BA Alman (2008) Clinical Genetics 73 (1) , 24–30 doi:10.1111/j.1399-0004.2007.00933.x
Skeletal dysplasias are disorders in which there is derangement in the growth or shape of the skeleton. Long bone grows from cartilage that persists near the ends until skeletal maturity as the growth plate. Developmental biology work has identified the major regulatory proteins in growth plate chondroyte function. There are hundreds of skeletal dysplasias, and the molecular genetic etiology of many was defined in the past decade and a half. Now that the causative genes for these disorders have been identified, they can be broadly classified by the function of the protein that these genes encode for into disorders caused by extracellular structural proteins, proteins that regulate normal growth plate chondrocyte differentiation and patterning, and enzymes that process these proteins. There are clinical similarities within each group, and the phenotype can be predicted based on the role of the mutated protein in normal growth plate function. As such, this framework to classify the skeletal dysplasias has practical clinical implications. Рис.1. \| A diagrammatic representation of the growth plate, genes that play a role in growth plate chondrocytes, and skeletal dysplasia. The proliferative zone is at the top, the hypertrophic zone is in the center and the zone of terminal differentiation of the growth plate at the bottom. Genes expressed in the various growth plate zones are listed on the left, while the associated skeletal dysplasia caused by a mutation in this gene is listed on the right. Рис.2. \| Mutatiosn in different types of collagen cause different types of hip pathology. In multiple eiphyseal dysplasia, there is a defect in the ability of the cartilage to withstand shear forces, and joints wear out with time. Radiographs of the same patient as a child (a) and young adult (b) shows the rapid deterioration. In spondyloepiphyseal dysplasia, there is a defect in the ability of cartilage to withstand compressive forces. At the hip this results in coxa vara, which may be mistaken for a dislocated joint on plane radiographs (c) but is really a deformity of the cartilage that can not withstand compression as seen in an arthrogram of the hips (d).	Существуют сотни ненетических нарушений, которые влияют на рост скелета и те, что в первую очередь влияют на рост костей, вызывая скелетные дисплазии. Большое количество нарушений делают классификацию затруднительной и традиционо они классифицируются в перую очередь рентгенологически (1). Однако в последнюю декаду были достигнуты существенные успехи в понимании генетики, лежащей в основе аномалий (2). Базируясь на молекулярно-генетических причинах дисплазии грубо могут быть сгруппированы по функции белкового продукта причинного гена (3). Такого типа классификация клинически пригодна, т.к. многие нарушения, вызываются генами, чьи белковые продукты имеют сходные функции и также имеют общие клинические характеристики. Длиные кости формируются из хрящевой матрицы, которая замещается костью, но вплоть до созревания скелета, хрящи сохраняются на концах костей в виде ростовых пластинок, которые отвечают за продольный рост кости. Многие мутантные гены при скелетных дисплазиях кодируют белки, которые играют критическую роль в ростовой пластинке (4). Limb and chondrocyte development Во время нормального развития клетки пролиферируют, дифференцируются, перемещаются и даже одвергаются запрограммированной клеточной гибели скоординированным способом для получения окончательной формы у взрослых. Конечности формируются из мезодермальных зачатков, окруженных эктодермальными клетками. Специфические части зачатков развивающихся конечностей экспрессируют гены, которые регулируют формирование костей и суставов. Зона поляризующей активности играет роль, которая регулирует формирование передне-заднего паттерна, апикальный эктодермальный гребень регулирует форму развивающейся конечности, а дорсальная эктодерма регулирует формирование дорсо-внтрального паттерна. Используются разные терминологии анатомами и биологами развития. В биологии развития задний аспект соответствует стороне малого пальца развивающегося плеча, тогда как передний означает сторону большого пальца. Мезодермальные клетки дифференцируются, чтобы сформировать хрящевую матрицу длинных костей. Кровеносные сосуды проникают в центральную часть хрящевой матрицы и формируются первичные центры оссификации. Центры вторичной оссификации формируются на каждой из сторон кости, оставляя хрящи на концах костей, которые в конечном итоге становятся артикулярными хрящами, и хрящи между регионами оссификации, которые становятся ростовыми пластинками(5, 6). Growth plate chondrocytes Хондроциты ростовой пластинки подвергаются процессу скоординированной дифференцировки. Клетки на эпифизарной стороне ростовой пластинки начинаю пролиферировать, гипертрофируются и подвергаются терминальной дифференцировке. Последняя ассоциирует с экспрессией коллагена типа X и клеточной гибелью. Новые мезенхимные клетки оказываются соседствующими с метафизарной стороной ростовой пластинки с помощью кровеносных сосудов, продуцируя новую кость. С помощью этого процесса кочти, формируемые за счет эндохондральной оссификации, увеличиваются в длину. Разнообразные клеточные пути передачи сигналов и молекулы матрикса играют критическую роль в этих процессах развития (7–9). Исследования с генетически преобразованными мышами дали важную новую информацию о функции многих из этих факторов. Скелетные дисплазии грубо классифицируются по функции дефектных генных продуктов (10). Growth plate chondrocytes regulatory genes Разнообразные гены, экспрессируемые во время нормального развития конечностей и ростовых пластинок и их белковые продукты играют критические роли в дифференцировке или формировании паттерна. Т.к. эти факторы могут играть роль на разных стадиях развития хондроцитов ростовой пластинки, то они всё ещё выполняют преобладающую роль в одной из областей ростовой пластинки. Такая организация соответствует специфической функции гена с его эффектом на ростовую пластинку. Мутации в этих генах, которые вызывают скелетные дисплазии, могут быть связаны с изменениями, отмечаемыми в ростовой пластинке при каждом специфическом нарушении. Такая организация помогает детерминировать фенотип, ассоциированный со специфическим генотипом (Fig. 1). В раннем развитии конечностей имеется рад факторов, необходимых для мезенхимных клеток в зачатке конечностей, чтобы трансформироваться в хондроциты. Одним из таких факторов является транскрипционный фактор SOX9 , который экспрессируется в мезенхимных клетках, когда они трансформируются в хондроциты. Исследования нокаутных мышей показали, что этот транскрипционный фактор необходим для плюрипотентных мезенхимных клеток, чтобы стаит предшественниками хондроцитов. SOX9 активирует экспрессию разных генов, которые важны для функции хондроцитов, такие как коллаген типа II. Передача сигналов fibroblast growth factor играет важную роль в разнообразных функциях хондроцитов ростовой пластинки, но его основная роль заключается в регуляции пролиферации хондроцитов. Существуют разнообразные лиганды и рецепторы для fibroblast growth factor, экспрессирующиеся в развивающихся хондроцитах и ростовой пластинке, указывающие тем самым, что этот сигнальный путь является критическим для функционирования хондроцитов. Когда хондроциты ростовой пластинки созревают, то parathyroid hormone-related protein (PTHrP) и Indian hedgehog действуют в виде петли обратной связи, регулирующей дифференцировку хондроцитов. Клетки в пре-гипертрофической зоне ростовой пластинки экспрессируют секретируемый белок Indian hedgehog (11–13). У эмбрионов кур Indian hedgehog диффундирует в перихондриальные клетки, окружающие ростовую пластинку, приводя к экспрессии PTHrP. PTHrP диффундирует обратно в хондроциты ростовой пластинки, где он замедляет терминальную дифференцировку и снижает экспрессию Indian hedgehog. Таким способом этот путь действует, чтобы тонко регулировать скорость развития хондроцитов ростовой пластинки (8, 14). Существует ряд генов, которые играют роль в терминальной диффернецировке хондроцитов, регуляции кровеносных сосудов на метафизарной стороне ростовой пластинки и в функции остеобластов. Один из таких генов, RUNX2, кодирует транскрипционный фактор, который является критическим для функции остеобластов. Этот ген, ранее назывался CBFA1. sib? у которых RUNX2 нокаутирован не развивают костей и этот транскрипционный фактор регулирует экспрессию разнообразных генов, важных для функции остеобластов, таких как щелочная фосфатаза. Однако он также экспрессируется в хондроцитах, где играет роль в регуляции терминальной дифференцировки. Matrix components (structural proteins) Большое разнообразие матричных компонентов обнаруживается в хрящах. Эти компоненты обеспечивают механические свойства хряща, сюда входят и способность противостять сжимающим и растягивающим нагрузкам в суставах и ростовой пластинке. Кроме того, эти компоненты вносят вклад в смазочные свойства суставного хряща. Коллаген типа II является основным колагеновым компонентом внеклеточного матрикса, продуцируемого хондроцитами. Это создает основную поддерживающую основу ростовой пластинки и суставного хряща и является основнм компонентом, вносящим вклад в сопротивление на сжатие хряща (15–17). Длиные отрезки типа II коллагена формируют тройную спиральную сеть с др. более мелкими молекулами, взпаимодействующими с волокнами типа II коллагена. Эти малые взаимодействующие молекулы включают типа IX коллаген, которые, по-видимому, помогает волокнам коллагена типа II формировать соотв. трехмерную структуру. Эти белки поддерживают коллаген типа II в его обычном расположении и вносят вклад в способность хряща противостоять сдирающим усилиям (18, 19). Учитывая важность, что эти структурные белки играют роль в хрящевых частях костей, не является сюрпризом, что мутации в гене, кодирующем один из этих структурных компонентов, могут вызывать скелетные дисплазии. Для большинства из этих генов тяжесть фенотипа зависит от места мутации, более тяжелые фенотипы развиваются, если разрушение продуцирует более аномальный белковый продукт. Дерегуляция генов, кодирующих такие компоненты, сильно нарушают нормальную структуру хряща, вызывая изменения ростовой пластинки, также как и изменения др. структур, в которых хрящ играет поддерживающую роль. Гены, чей белковый продукт играет роль в процессинге внеклеточных компонентов, может продуцировать сходный фенотип, что и мутация с самом внеклеточном компоненте. Как результат сходные фенотипы могут быть вызваны мутациями или в структурном белке или в белке, Рассмотрение скелетных дисплазий в отношении роли, которую играет белок, кодируемый причинным геном, в ростовой пластинке не только помогает объяснить наблюдаемый фенотип, но и помогает группировать нарушения в категории, которые обладают сходными клиническими проявлениями и принципами лечения. Напр., нарушения, вызываемые мутациями, затрагивающими структурные белки, вызывают образование структур, которые современем изнашиваются. При этом корретирующая хирургия ассоциирует с высокой долей повторного появления. Различные структурные белки обычно присутствуют в др. тканях, и в результате, обнаруживаются дополнительные предсказуемые фенотипические признаки. Напр., острота зрения частот затрагивается у пациентов с мутациями типа II collagen из-за его роли в глазах. Тяжесть фенотипа зависит от того. насколько сильно нарушен структурный белок и поэтому разные мутации одного и того же гена могут вызывать очень разные фенотипы. Нарушения, вызываемые мутациями в генах, кодирующих структурные белки, обычно наследуются аутосомно доминантным способом. Репарация кости обычно нормальная, т.к. различные гены, которые регулируют нормальное формирование костей и хрящей, функционируют нормально. Напротив, нарушения, ассоциированные с мутациями в гене, регулирующем функцию или формирование паттерна ростовой пластинки, не ассоциированы со структурами, которые со временем изнашиваются и поэтому коррекционная хирургия довольно успешна. Заживление переломов или коррекионная хирургия костей могут солучайно стать проблемой, когда происходит эндохондральная оссификация во время заживления костей, а этот процесс неправильно регулируется из-за мутации. Клинические проявления могут быть предсказаны с помощью каузативных белковых эффектов на развитие кости. Напр., при мутации, изменяющей передачу сигналов fibroblast growth factor, хоящевые структуры с более высокой скоростью пролиферации, как ожидается, будут более повреждены. Существуют варьирующие паттерны наследования для таких нарушений, хотя и отмечается преобладание аутосомно доминантного наследования. Developmental genes SOX9 gene Campomelic dysplasia вызывается мутациями в SOX9 (20). При данной болезни кости короткие и искривлены (21). Генетически преобразованные мыши, дейицитные по гену SOX9 имеют сходный фенотип. Как ожидается, исходя из известной функции SOX9, регулирующей раннее развитие хондроцитов, имеется гипоплазия всех хрящевых элементов, что и приводит к образованию коротких, искривленных костей. Общая структура ростовой пластинки в целом нормальная, но как ожидается, размером меньше общепринятого. Изучение ростовой пластинки у нокаутных мышей показало, что имеются минорные изменения в размере некоторых зон ростовой пластинки с расширенной гипертрофической зоной и преждевренменной минерализацией. Интересно, что campomelic дисплазия ассоциирует с реверсией пола, при которой женские наружные гентиалии не соответствуют мужскому генотипу. Скелетная дисплазия и реверсия пола вызываются функцией SOX9 в развивающихся семенниках, которая приводит к default развитию женских гениталий. Это показывает, что онтогенетически важные гены часто действуют в системах множественных органов, т.к. они используются для выполнения ряда функций во время нормального развития. Гетерозиготная мутация достаточна, чтобы вызывать болезнь, это делает её доминантной мутацией не смотря на более ранние сообщения, указывающшие на то, что campomelic дисплазия является рецессивным заболеванием. FGF-receptors Ахондроплазическая группа нарушений включает hypochondroplasia, achondroplasia и thanatophoric дисплазию. Thanatophoric дисплазия вызывает наиболее тяжелый фенотип, который приводит к гибели в течение первых часов жизни. Несмотря на изменчивость в тяжести все они вызываются мутациями в fibroblast growth factor type III receptor (22). В зависимости от локализации мутации обнаруживается разная тяжесть дисплазии, хотя внутри каждого индивидуального заболевания большинство пациентов имеют одну и ту же мутацию. При achondroplasia это обычно результат замены gly380-to-arg, при thanatophoric дисплазии это замена lys650-to-glu и при hypochondroplasia замена asn540-to-lys (23). Т.к. путь передачи сигналов fibroblast growth factor играет роль в пролиферации хондроцитов, то фенотип, ассоциированный с изменениями, согласуется с дефицитом клеточного роста хондроцитов. Различия между разными типами дисплазий связаны с тяжестью, с которой мутации нарушают функцию рецепторов. Структуры, в которых пролиферация хондроцитов играет более значительную роль, более повреждены, демонстрируя типичное rhizomelic укорочение. Фенотип ростовой пластинки варьирует в зависимости от тяжести нарушения. При achondroplasia структура ростовой пластинки сама по себе кажется довольно нормальной, но редуцированной в размере, что отличается от таковой при campomelic дисплазии. Однако более тяжело дизорганизованная ростовая пластинка обнаруживается при thanatophoric дисплазии с отсутствием гистологически нормальной ростовой пластинки. Однако клетки всё ещё экспрессируют основные белки внеклеточного матрикса, что согласуется с основным нарушением нормальной регуляции пролиферации хондроцитов ростовой пластинки. Все эти нарушения вызываются гетерозиготной мутацией и являются поэтому доминантными забоелваниями. Большинство случаев, особенно при thanatophoric дисплазии. вызываются новыми мутациями. Т.к. fibroblast growth factor играет важную роль в регуляции пролиферации хондроцитов, то ростовая пластинка с наибольшим ростом повреждается в большей степени. Это объясняет rhizomelic укорочение и искривление нижних конечностей (24), т.к. tibia обычно вырастает больше, чем fibula и поэтому повреждается в большей степени, вызывая характерные тскривляющие деформации. Части центрального скелета, которые происходят из хряща также повреждаются в первую очередь, объясняя тем самым малое foramen magnum (т.к. основание черепа развивается из хряща и прогрессивно уменьшающееся расстояние между pedicles в поясничном отделе позвоаночника, т.к. обчыно более крупные хрящевые матрицы ассоциируют с большей пролиферацией хондроцитов в нижней части поясничного отдела позвоночника. PTHrP-receptor Метафизарные дисплазии вызываются мутациями, нарушающими регуляцию PTHrP рецептора. Активирующие мутации рецептора вызывают форму Jansen, тогда как инактивирующие мутации вызывают форму Blomstarnd (25–28). Учитывая роль PTHrP в петле обратной связи, регулирующей дифференцировку хондроцитов ростовой пластинки, легко видеть, как эти мутации д. нарушать ростовую пластинку. Мыши, дефицитные по parathyroid hormone-related receptor, PTHR1, демонстрируют преждевременное созревание хондроцитов и ускоренное образование кости, тогда как мыши, экспрессирующие активированный рецептор демонстрируют уменьшение скорости превращения пролиферативных хондроцитов с гипертрофические с продолжительным присутствием гипертрофированных хондроцитов с задержкой инвазии сосудов. В обоих случаях имеются ожидаемые альтерации в пропорции клеток в гипертрофической зоне. Пациенты с Jansen metaphyseal дисплазией обнаруживают изменения роствой пластинки, которые почти идентичны тем, которые встречаются при hyperparathyroidism, это согласуется с активацией сж parathyroid hormone’s PTHR1 рецептора. Оба типа metaphyseal дисплазий вызываются доминантными мутациями в рецепторах. Др. родственное заболевание, множественный enchondromatosis (или болезнь Ollier) вызывается мутациями в PTHR1 (3). Однако в этом случае они вызываются в частях ростовой пластинки хряща, расположенных позади метафизарной части кости, которые становятся enchondromas, с относительно нормальной архитектурой ростовой пластинки. RUNX2 gene Cleiodcranial дисплазия вызывается мутациями в гене RUNX2 (29). Этот транскрипционный фактор является критическим для дифференцировкиостеобластов (30). Генетически преобразованные мыши, дефицитные по RUNX2, также обнаруживают пониженные поличества гипертрофированных хондроцитов и характеризуются дефектами минерализации хондроцитов, демонстрируя критичскую роль в терминальной дифференцировке хондроцитов (31). Наиболее характерным клиническим проявлением cleiodcranial дисплазии является отсутствие формирования костей срединной линии, таких как ключицы. Однако изменения ростовой пластинки также проявляются клинически, особенно в бедре. Учитывая дефект в терминальной дифференцировке, не является неожиданным, что у таких пациентов развивается coxa vara, состояние, которое также возникает при метаболиеских нарушениях, изменяющих терминальную дифференцировку ростовой пластинки, таких как hypoparathyroidism. При этом заболевании, ростовая пластинка ‘slips’ через зону терминальной дифференцировки, вызывая типичные радиографические проявления coxa vara. Matrix molecules Существует огромное количество нарушений, классифицируемых как spondyloepiphyseal дисплазия. Некоторые нарушения в этой группе, включая и spondyloepiphyseal dysplasia congenital, Kniest dysplasia, Stickler syndrome и achondrogenesis, вызываются мутациями в типа II collagen. Т.к. первичный структурный коллаген, продуцируется хондроцитами, то легко видеть, как это д. вызывать нарушение функции ростовой пластинки и тем самым вызывать скелетную дисплазию. При этих нарушениях ростовая пластинка дезорганизована и коллагеновые фибриллы редки в хрящевом матриксе. Др. структуры, в которых присутствует type II collagen, такие как глаза, также могут обнаруживать аномалии. Степень тяжести фенотипа зависит от функционального значения специфических мутаций, с мутациями, продуцирующими умеренные нарушения в структуре белка, дающими умеренный фенотип (32, 33). Изучение генетически преобразованных мышей дает воспроизводимый фенотип.Только дин аллель type II collagen необходим для проявления мутации как причины боезни, поэтому это аутосомно доминантное забеолевание. Хотя генетическая причина др. форм spondyloepiphyseal дисплазии была найдена, точная роль мутантного генного продукта в нормальной функции пока неизвестна. Напр., мутация в гене SEDL вызывает X-linked spondyloepiphyseal dysplasia tarda. Функция белкового продукта гена SEDL пока неизвестна, но его субклеточная локализация указывает на то, чтоон играет роль во внутриклеточном трафике. Индивиды, обладающие мутацией в гене SEDL наследуют заболевание по Х-сцепленному типу. Типа II коллаген поддерживает усилия сжатия в хряще. Поэтому заболевания, асосоциированные с мутациями в type II collagen имеют дефекты противостояния силам сжатия в хряще. Это объясняет характерные деформации бедер, при которых обнаруживается varus головки бедра и неспособность dens верхних шейных отростков противостоять сжимающим силам (Fig. 2). Кроме того, это объясняет, почему хирургия, с целью переориентировать расположение проксимальной части бедра очень часто неудачна из-за дефекта в способности хряща противостоять сжимающим силам. Множественные эпифизарные дисплазии ммогут быть вызваны мутациями в более мелких компонентах матрикса, таки х как type IX коллаген и aхрящевой олигомерный белок. Эти молекулы действуют, чтобы интегрировать волокна коллагена типа II в их тррехмерную структуру. Мутации в этих генах дают белки с потерей функции. В целом фенотип не является результатом широко распространенных изменений, как при мутациях type II collagen, преимущественно из-за того. что эти малые молекулы не нужны в одинаковой стпени во всех хрящевых структурах тела. В целом ростовая пластинка выглядит нормальной. Недавно было показано. что matrilin-3 также может быть мутантным при multiple epiphyseal dysplasia. Это олигомерный белок, который присутствует также в хрящевом внеклеточном матриксе и может выплнять сходную роль, что и др. мелкие молекулы внеклеточного матрикса. Лишь один из аллелей д. быть мутирован в этом гене, чтобы вызывать болезнь, т.е. наследование подоминантному типу. Типа IX коллаген играет роль по сцеплению волокон коллагена типа II в матриксе противостоит смещающим силам в хряще. Это объясняет фенотип ранних дегенеративных изменений, обусловленных снижением способности суставных хондроцитов противостоять срезающим усилям (shear forces) (Fig. 2). Это также объясняет, почему хирургия попредупреждению артритов у таких пациентов неудается, т.к. дефект в противостянии сдирающим силам созраняется. Conclusion There is a close relation between the molecular genetic cause of these disorders, the function of the protein product of the mutated gene, and its role in the growth plate. Although only a small sampling of disorders are discussed, all of the skeletal dysplasias can be thought of in this manner. Advances in mutation identification may well be matched by even greater advances in the upcoming decades in our ability to modulate gene function. Based on an understanding of the molecular genetics, it may be thus be possible to develop new, improved therapies for individuals with skeletal dysplasias.

Существуют сотни ненетических нарушений, которые влияют на рост скелета и те, что в первую очередь влияют на рост костей, вызывая скелетные дисплазии. Большое количество нарушений делают классификацию затруднительной и традиционо они классифицируются в перую очередь рентгенологически (1). Однако в последнюю декаду были достигнуты существенные успехи в понимании генетики, лежащей в основе аномалий (2). Базируясь на молекулярно-генетических причинах дисплазии грубо могут быть сгруппированы по функции белкового продукта причинного гена (3). Такого типа классификация клинически пригодна, т.к. многие нарушения, вызываются генами, чьи белковые продукты имеют сходные функции и также имеют общие клинические характеристики. Длиные кости формируются из хрящевой матрицы, которая замещается костью, но вплоть до созревания скелета, хрящи сохраняются на концах костей в виде ростовых пластинок, которые отвечают за продольный рост кости. Многие мутантные гены при скелетных дисплазиях кодируют белки, которые играют критическую роль в ростовой пластинке (4).

Limb and chondrocyte development

Во время нормального развития клетки пролиферируют, дифференцируются, перемещаются и даже одвергаются запрограммированной клеточной гибели скоординированным способом для получения окончательной формы у взрослых. Конечности формируются из мезодермальных зачатков, окруженных эктодермальными клетками. Специфические части зачатков развивающихся конечностей экспрессируют гены, которые регулируют формирование костей и суставов. Зона поляризующей активности играет роль, которая регулирует формирование передне-заднего паттерна, апикальный эктодермальный гребень регулирует форму развивающейся конечности, а дорсальная эктодерма регулирует формирование дорсо-внтрального паттерна. Используются разные терминологии анатомами и биологами развития. В биологии развития задний аспект соответствует стороне малого пальца развивающегося плеча, тогда как передний означает сторону большого пальца. Мезодермальные клетки дифференцируются, чтобы сформировать хрящевую матрицу длинных костей. Кровеносные сосуды проникают в центральную часть хрящевой матрицы и формируются первичные центры оссификации. Центры вторичной оссификации формируются на каждой из сторон кости, оставляя хрящи на концах костей, которые в конечном итоге становятся артикулярными хрящами, и хрящи между регионами оссификации, которые становятся ростовыми пластинками(5, 6).

Growth plate chondrocytes

Хондроциты ростовой пластинки подвергаются процессу скоординированной дифференцировки. Клетки на эпифизарной стороне ростовой пластинки начинаю пролиферировать, гипертрофируются и подвергаются терминальной дифференцировке. Последняя ассоциирует с экспрессией коллагена типа X и клеточной гибелью. Новые мезенхимные клетки оказываются соседствующими с метафизарной стороной ростовой пластинки с помощью кровеносных сосудов, продуцируя новую кость. С помощью этого процесса кочти, формируемые за счет эндохондральной оссификации, увеличиваются в длину. Разнообразные клеточные пути передачи сигналов и молекулы матрикса играют критическую роль в этих процессах развития (7–9). Исследования с генетически преобразованными мышами дали важную новую информацию о функции многих из этих факторов. Скелетные дисплазии грубо классифицируются по функции дефектных генных продуктов (10).

Growth plate chondrocytes regulatory genes

Разнообразные гены, экспрессируемые во время нормального развития конечностей и ростовых пластинок и их белковые продукты играют критические роли в дифференцировке или формировании паттерна. Т.к. эти факторы могут играть роль на разных стадиях развития хондроцитов ростовой пластинки, то они всё ещё выполняют преобладающую роль в одной из областей ростовой пластинки. Такая организация соответствует специфической функции гена с его эффектом на ростовую пластинку. Мутации в этих генах, которые вызывают скелетные дисплазии, могут быть связаны с изменениями, отмечаемыми в ростовой пластинке при каждом специфическом нарушении. Такая организация помогает детерминировать фенотип, ассоциированный со специфическим генотипом (Fig. 1).

В раннем развитии конечностей имеется рад факторов, необходимых для мезенхимных клеток в зачатке конечностей, чтобы трансформироваться в хондроциты. Одним из таких факторов является транскрипционный фактор SOX9 , который экспрессируется в мезенхимных клетках, когда они трансформируются в хондроциты. Исследования нокаутных мышей показали, что этот транскрипционный фактор необходим для плюрипотентных мезенхимных клеток, чтобы стаит предшественниками хондроцитов. SOX9 активирует экспрессию разных генов, которые важны для функции хондроцитов, такие как коллаген типа II. Передача сигналов fibroblast growth factor играет важную роль в разнообразных функциях хондроцитов ростовой пластинки, но его основная роль заключается в регуляции пролиферации хондроцитов. Существуют разнообразные лиганды и рецепторы для fibroblast growth factor, экспрессирующиеся в развивающихся хондроцитах и ростовой пластинке, указывающие тем самым, что этот сигнальный путь является критическим для функционирования хондроцитов. Когда хондроциты ростовой пластинки созревают, то parathyroid hormone-related protein (PTHrP) и Indian hedgehog действуют в виде петли обратной связи, регулирующей дифференцировку хондроцитов. Клетки в пре-гипертрофической зоне ростовой пластинки экспрессируют секретируемый белок Indian hedgehog (11–13). У эмбрионов кур Indian hedgehog диффундирует в перихондриальные клетки, окружающие ростовую пластинку, приводя к экспрессии PTHrP. PTHrP диффундирует обратно в хондроциты ростовой пластинки, где он замедляет терминальную дифференцировку и снижает экспрессию Indian hedgehog. Таким способом этот путь действует, чтобы тонко регулировать скорость развития хондроцитов ростовой пластинки (8, 14).

Существует ряд генов, которые играют роль в терминальной диффернецировке хондроцитов, регуляции кровеносных сосудов на метафизарной стороне ростовой пластинки и в функции остеобластов. Один из таких генов, RUNX2, кодирует транскрипционный фактор, который является критическим для функции остеобластов. Этот ген, ранее назывался CBFA1. sib? у которых RUNX2 нокаутирован не развивают костей и этот транскрипционный фактор регулирует экспрессию разнообразных генов, важных для функции остеобластов, таких как щелочная фосфатаза. Однако он также экспрессируется в хондроцитах, где играет роль в регуляции терминальной дифференцировки.

Matrix components (structural proteins)

Большое разнообразие матричных компонентов обнаруживается в хрящах. Эти компоненты обеспечивают механические свойства хряща, сюда входят и способность противостять сжимающим и растягивающим нагрузкам в суставах и ростовой пластинке. Кроме того, эти компоненты вносят вклад в смазочные свойства суставного хряща. Коллаген типа II является основным колагеновым компонентом внеклеточного матрикса, продуцируемого хондроцитами. Это создает основную поддерживающую основу ростовой пластинки и суставного хряща и является основнм компонентом, вносящим вклад в сопротивление на сжатие хряща (15–17). Длиные отрезки типа II коллагена формируют тройную спиральную сеть с др. более мелкими молекулами, взпаимодействующими с волокнами типа II коллагена. Эти малые взаимодействующие молекулы включают типа IX коллаген, которые, по-видимому, помогает волокнам коллагена типа II формировать соотв. трехмерную структуру. Эти белки поддерживают коллаген типа II в его обычном расположении и вносят вклад в способность хряща противостоять сдирающим усилиям (18, 19). Учитывая важность, что эти структурные белки играют роль в хрящевых частях костей, не является сюрпризом, что мутации в гене, кодирующем один из этих структурных компонентов, могут вызывать скелетные дисплазии. Для большинства из этих генов тяжесть фенотипа зависит от места мутации, более тяжелые фенотипы развиваются, если разрушение продуцирует более аномальный белковый продукт. Дерегуляция генов, кодирующих такие компоненты, сильно нарушают нормальную структуру хряща, вызывая изменения ростовой пластинки, также как и изменения др. структур, в которых хрящ играет поддерживающую роль. Гены, чей белковый продукт играет роль в процессинге внеклеточных компонентов, может продуцировать сходный фенотип, что и мутация с самом внеклеточном компоненте. Как результат сходные фенотипы могут быть вызваны мутациями или в структурном белке или в белке,

Рассмотрение скелетных дисплазий в отношении роли, которую играет белок, кодируемый причинным геном, в ростовой пластинке не только помогает объяснить наблюдаемый фенотип, но и помогает группировать нарушения в категории, которые обладают сходными клиническими проявлениями и принципами лечения. Напр., нарушения, вызываемые мутациями, затрагивающими структурные белки, вызывают образование структур, которые современем изнашиваются. При этом корретирующая хирургия ассоциирует с высокой долей повторного появления. Различные структурные белки обычно присутствуют в др. тканях, и в результате, обнаруживаются дополнительные предсказуемые фенотипические признаки. Напр., острота зрения частот затрагивается у пациентов с мутациями типа II collagen из-за его роли в глазах. Тяжесть фенотипа зависит от того. насколько сильно нарушен структурный белок и поэтому разные мутации одного и того же гена могут вызывать очень разные фенотипы. Нарушения, вызываемые мутациями в генах, кодирующих структурные белки, обычно наследуются аутосомно доминантным способом. Репарация кости обычно нормальная, т.к. различные гены, которые регулируют нормальное формирование костей и хрящей, функционируют нормально. Напротив, нарушения, ассоциированные с мутациями в гене, регулирующем функцию или формирование паттерна ростовой пластинки, не ассоциированы со структурами, которые со временем изнашиваются и поэтому коррекционная хирургия довольно успешна. Заживление переломов или коррекионная хирургия костей могут солучайно стать проблемой, когда происходит эндохондральная оссификация во время заживления костей, а этот процесс неправильно регулируется из-за мутации. Клинические проявления могут быть предсказаны с помощью каузативных белковых эффектов на развитие кости. Напр., при мутации, изменяющей передачу сигналов fibroblast growth factor, хоящевые структуры с более высокой скоростью пролиферации, как ожидается, будут более повреждены. Существуют варьирующие паттерны наследования для таких нарушений, хотя и отмечается преобладание аутосомно доминантного наследования.

Developmental genes

SOX9 gene

Campomelic dysplasia вызывается мутациями в SOX9 (20). При данной болезни кости короткие и искривлены (21). Генетически преобразованные мыши, дейицитные по гену SOX9 имеют сходный фенотип. Как ожидается, исходя из известной функции SOX9, регулирующей раннее развитие хондроцитов, имеется гипоплазия всех хрящевых элементов, что и приводит к образованию коротких, искривленных костей. Общая структура ростовой пластинки в целом нормальная, но как ожидается, размером меньше общепринятого. Изучение ростовой пластинки у нокаутных мышей показало, что имеются минорные изменения в размере некоторых зон ростовой пластинки с расширенной гипертрофической зоной и преждевренменной минерализацией. Интересно, что campomelic дисплазия ассоциирует с реверсией пола, при которой женские наружные гентиалии не соответствуют мужскому генотипу. Скелетная дисплазия и реверсия пола вызываются функцией SOX9 в развивающихся семенниках, которая приводит к default развитию женских гениталий. Это показывает, что онтогенетически важные гены часто действуют в системах множественных органов, т.к. они используются для выполнения ряда функций во время нормального развития. Гетерозиготная мутация достаточна, чтобы вызывать болезнь, это делает её доминантной мутацией не смотря на более ранние сообщения, указывающшие на то, что campomelic дисплазия является рецессивным заболеванием.

FGF-receptors

Ахондроплазическая группа нарушений включает hypochondroplasia, achondroplasia и thanatophoric дисплазию. Thanatophoric дисплазия вызывает наиболее тяжелый фенотип, который приводит к гибели в течение первых часов жизни. Несмотря на изменчивость в тяжести все они вызываются мутациями в fibroblast growth factor type III receptor (22). В зависимости от локализации мутации обнаруживается разная тяжесть дисплазии, хотя внутри каждого индивидуального заболевания большинство пациентов имеют одну и ту же мутацию. При achondroplasia это обычно результат замены gly380-to-arg, при thanatophoric дисплазии это замена lys650-to-glu и при hypochondroplasia замена asn540-to-lys (23). Т.к. путь передачи сигналов fibroblast growth factor играет роль в пролиферации хондроцитов, то фенотип, ассоциированный с изменениями, согласуется с дефицитом клеточного роста хондроцитов. Различия между разными типами дисплазий связаны с тяжестью, с которой мутации нарушают функцию рецепторов. Структуры, в которых пролиферация хондроцитов играет более значительную роль, более повреждены, демонстрируя типичное rhizomelic укорочение. Фенотип ростовой пластинки варьирует в зависимости от тяжести нарушения. При achondroplasia структура ростовой пластинки сама по себе кажется довольно нормальной, но редуцированной в размере, что отличается от таковой при campomelic дисплазии. Однако более тяжело дизорганизованная ростовая пластинка обнаруживается при thanatophoric дисплазии с отсутствием гистологически нормальной ростовой пластинки. Однако клетки всё ещё экспрессируют основные белки внеклеточного матрикса, что согласуется с основным нарушением нормальной регуляции пролиферации хондроцитов ростовой пластинки. Все эти нарушения вызываются гетерозиготной мутацией и являются поэтому доминантными забоелваниями. Большинство случаев, особенно при thanatophoric дисплазии. вызываются новыми мутациями. Т.к. fibroblast growth factor играет важную роль в регуляции пролиферации хондроцитов, то ростовая пластинка с наибольшим ростом повреждается в большей степени. Это объясняет rhizomelic укорочение и искривление нижних конечностей (24), т.к. tibia обычно вырастает больше, чем fibula и поэтому повреждается в большей степени, вызывая характерные тскривляющие деформации. Части центрального скелета, которые происходят из хряща также повреждаются в первую очередь, объясняя тем самым малое foramen magnum (т.к. основание черепа развивается из хряща и прогрессивно уменьшающееся расстояние между pedicles в поясничном отделе позвоаночника, т.к. обчыно более крупные хрящевые матрицы ассоциируют с большей пролиферацией хондроцитов в нижней части поясничного отдела позвоночника.

PTHrP-receptor

Метафизарные дисплазии вызываются мутациями, нарушающими регуляцию PTHrP рецептора. Активирующие мутации рецептора вызывают форму Jansen, тогда как инактивирующие мутации вызывают форму Blomstarnd (25–28). Учитывая роль PTHrP в петле обратной связи, регулирующей дифференцировку хондроцитов ростовой пластинки, легко видеть, как эти мутации д. нарушать ростовую пластинку. Мыши, дефицитные по parathyroid hormone-related receptor, PTHR1, демонстрируют преждевременное созревание хондроцитов и ускоренное образование кости, тогда как мыши, экспрессирующие активированный рецептор демонстрируют уменьшение скорости превращения пролиферативных хондроцитов с гипертрофические с продолжительным присутствием гипертрофированных хондроцитов с задержкой инвазии сосудов. В обоих случаях имеются ожидаемые альтерации в пропорции клеток в гипертрофической зоне. Пациенты с Jansen metaphyseal дисплазией обнаруживают изменения роствой пластинки, которые почти идентичны тем, которые встречаются при hyperparathyroidism, это согласуется с активацией сж parathyroid hormone’s PTHR1 рецептора. Оба типа metaphyseal дисплазий вызываются доминантными мутациями в рецепторах. Др. родственное заболевание, множественный enchondromatosis (или болезнь Ollier) вызывается мутациями в PTHR1 (3). Однако в этом случае они вызываются в частях ростовой пластинки хряща, расположенных позади метафизарной части кости, которые становятся enchondromas, с относительно нормальной архитектурой ростовой пластинки.

RUNX2 gene

Cleiodcranial дисплазия вызывается мутациями в гене RUNX2 (29). Этот транскрипционный фактор является критическим для дифференцировкиостеобластов (30). Генетически преобразованные мыши, дефицитные по RUNX2, также обнаруживают пониженные поличества гипертрофированных хондроцитов и характеризуются дефектами минерализации хондроцитов, демонстрируя критичскую роль в терминальной дифференцировке хондроцитов (31). Наиболее характерным клиническим проявлением cleiodcranial дисплазии является отсутствие формирования костей срединной линии, таких как ключицы. Однако изменения ростовой пластинки также проявляются клинически, особенно в бедре. Учитывая дефект в терминальной дифференцировке, не является неожиданным, что у таких пациентов развивается coxa vara, состояние, которое также возникает при метаболиеских нарушениях, изменяющих терминальную дифференцировку ростовой пластинки, таких как hypoparathyroidism. При этом заболевании, ростовая пластинка ‘slips’ через зону терминальной дифференцировки, вызывая типичные радиографические проявления coxa vara.

Matrix molecules

Существует огромное количество нарушений, классифицируемых как spondyloepiphyseal дисплазия. Некоторые нарушения в этой группе, включая и spondyloepiphyseal dysplasia congenital, Kniest dysplasia, Stickler syndrome и achondrogenesis, вызываются мутациями в типа II collagen. Т.к. первичный структурный коллаген, продуцируется хондроцитами, то легко видеть, как это д. вызывать нарушение функции ростовой пластинки и тем самым вызывать скелетную дисплазию. При этих нарушениях ростовая пластинка дезорганизована и коллагеновые фибриллы редки в хрящевом матриксе. Др. структуры, в которых присутствует type II collagen, такие как глаза, также могут обнаруживать аномалии. Степень тяжести фенотипа зависит от функционального значения специфических мутаций, с мутациями, продуцирующими умеренные нарушения в структуре белка, дающими умеренный фенотип (32, 33). Изучение генетически преобразованных мышей дает воспроизводимый фенотип.Только дин аллель type II collagen необходим для проявления мутации как причины боезни, поэтому это аутосомно доминантное забеолевание. Хотя генетическая причина др. форм spondyloepiphyseal дисплазии была найдена, точная роль мутантного генного продукта в нормальной функции пока неизвестна. Напр., мутация в гене SEDL вызывает X-linked spondyloepiphyseal dysplasia tarda. Функция белкового продукта гена SEDL пока неизвестна, но его субклеточная локализация указывает на то, чтоон играет роль во внутриклеточном трафике. Индивиды, обладающие мутацией в гене SEDL наследуют заболевание по Х-сцепленному типу. Типа II коллаген поддерживает усилия сжатия в хряще. Поэтому заболевания, асосоциированные с мутациями в type II collagen имеют дефекты противостояния силам сжатия в хряще. Это объясняет характерные деформации бедер, при которых обнаруживается varus головки бедра и неспособность dens верхних шейных отростков противостоять сжимающим силам (Fig. 2). Кроме того, это объясняет, почему хирургия, с целью переориентировать расположение проксимальной части бедра очень часто неудачна из-за дефекта в способности хряща противостоять сжимающим силам.

Множественные эпифизарные дисплазии ммогут быть вызваны мутациями в более мелких компонентах матрикса, таки х как type IX коллаген и aхрящевой олигомерный белок. Эти молекулы действуют, чтобы интегрировать волокна коллагена типа II в их тррехмерную структуру. Мутации в этих генах дают белки с потерей функции. В целом фенотип не является результатом широко распространенных изменений, как при мутациях type II collagen, преимущественно из-за того. что эти малые молекулы не нужны в одинаковой стпени во всех хрящевых структурах тела. В целом ростовая пластинка выглядит нормальной. Недавно было показано. что matrilin-3 также может быть мутантным при multiple epiphyseal dysplasia. Это олигомерный белок, который присутствует также в хрящевом внеклеточном матриксе и может выплнять сходную роль, что и др. мелкие молекулы внеклеточного матрикса. Лишь один из аллелей д. быть мутирован в этом гене, чтобы вызывать болезнь, т.е. наследование подоминантному типу. Типа IX коллаген играет роль по сцеплению волокон коллагена типа II в матриксе противостоит смещающим силам в хряще. Это объясняет фенотип ранних дегенеративных изменений, обусловленных снижением способности суставных хондроцитов противостоять срезающим усилям (shear forces) (Fig. 2). Это также объясняет, почему хирургия попредупреждению артритов у таких пациентов неудается, т.к. дефект в противостянии сдирающим силам созраняется.

Conclusion

There is a close relation between the molecular genetic cause of these disorders, the function of the protein product of the mutated gene, and its role in the growth plate. Although only a small sampling of disorders are discussed, all of the skeletal dysplasias can be thought of in this manner. Advances in mutation identification may well be matched by even greater advances in the upcoming decades in our ability to modulate gene function. Based on an understanding of the molecular genetics, it may be thus be possible to develop new, improved therapies for individuals with skeletal dysplasias.

Skeletal dysplasias and the growth plateBA Alman (2008) Clinical Genetics 73 (1) , 24–30 doi:10.1111/j.1399-0004.2007.00933.x

Skeletal dysplasias and the growth plate
BA Alman
(2008) Clinical Genetics 73 (1) , 24–30 doi:10.1111/j.1399-0004.2007.00933.x