Синдром делеции 22q11.2 является одной из наиболее распространенных хромосомных микроделеций, поражающих приблизительно 1 из 4000 живорожденных людей [1]. Гемизиготная делеция хромосомы 22q11.2 размером 1,5-2,5 Мб вызывает синдром DiGeorge syndrome (DGS; OMIM #188400) и velocardiofacial syndrome (VCFS или Shprintzen VCF syndrome; OMIM #192430) [2]. DGS/VCFS представляется геномным расстройством, отличным от синдрома дистальной делеции 22q11.2 (OMIM #611867). Клинический фенотип DGS/VCFS представляет собой сложную и вариабельную врожденную инвалидность, включая сердечно-сосудистые дефекты, гипоплазию тимической железы, гипоплазию паращитовидных желез и черепно-лицевые пороки развития [3]. Краниофациальные пороки развития встречаются примерно у 60% пациентов с DGS/VCFS [4].

TBX1, расположенный на хромосоме 22q11.21, кодирует T-box фактор транскрипции и считается геном-кандидатом для DGS/VCFS, поскольку мутации в TBX1 были обнаружены у пациентов с DGS/VCFS [5]. Гетерозиготные Tbx1-мутантные (Tbx1+/-) мыши демонстрируют связанные с DGS/VCFS сердечно-сосудистые, паращитовидные и тимические фенотипы, предполагая, что дозировка TBX1 критична для развития сердечно-сосудистой, паращитовидной и тимической систем [6-9]. У Tbx1-нулевых мышей проявляется большинство клинических признаков DGS/VCFS, включая черепно-лицевые фенотипы, в то время как у Tbx1+/- мышей черепно-лицевые фенотипы не выражены [6,-10].

Имеется несколько прекрасных обзоров по генетике и сердечно-сосудистым аномалиям DGS/VCFS [3,11-13]. Однако информация о черепно-лицевых аномалиях при DGS/VCFS ограничена. Данный обзор посвящен этим фенотипам и обобщает текущее понимание генетических факторов, влияющих на фенотипы, связанные с DGS/VCFS. Мы также рассмотрим мышиные модели DGS/VCFS, которые были разработаны для лучшего понимания патогенетических процессов DGS/VCFS.

У пациентов с DGS/VCFS проявляются черепно-лицевые аномалии, затрагивающие череп, основание черепа, челюсти, мышцы глотки, ухо-горло-нос, нёбо, зубы и шейный отдел позвоночника (Рисунок S1, Таблица 1 и Таблица 2). Часто наблюдаемые черепно-лицевые фенотипы включают велфарингеальную недостаточность (27-92%), гипоминерализацию эмали (39-41%), потерю слуха (33-39%), платибазию (50-91%) и аномалии шейного отдела позвоночника (75%) (Таблица 1). Также сообщалось о задержке развития подъязычной кости [14,15].

Table 1. Craniofacial anomalies in patients with DGS/VCFS.

Table 2. Craniofacial and skeletal phenotypes of DGS/VCFS and Tbx1-null mice.

Помимо морфологических аномалий, у младенцев и детей младшего возраста с DGS/VCFS часто отмечается высокая распространенность функциональных трудностей в кормлении и речи/языке, связанных с расщелиной неба, аномалиями гортани и дисфункцией велофарингеальной системы [37]. Даже после закрытия расщелины неба у детей с DGS/VCFS иногда наблюдаются коммуникативные нарушения, связанные с проблемами речи и языка, такие как нарушения артикуляции звуков речи и голосовые расстройства [37]. Они медленнее осваивают язык, чем дети с другими нарушениями, что может быть связано с аномальным развитием мышц.

DGS/VCFS вызываются гемизиготной делецией хромосомы 22q11.2 размером от 1,5 до 2,5 Мб (рис. 1). Хромосомные микроделеции на 10p14-p13 (локус DGS2) у пациентов с фенотипами DGS/VCFS определяются как комплекс DGS/VCFS 2. В этом обзоре мы сосредоточимся на локусе 22q11.2, связанных с ним генах и миРНК.



Figure 1. Proximal deletions of chromosome 22q11.2 are responsible for the clinical features of DGS/VCFS. Snapshot of the UCSC Genome Browser (http://genome.ucsc.edu accessed on 3 August 2021) in the hg38 assembly showing the genomic context in the proximal deletions of chromosome 22q11.2. Top, the 25 kb resolution Hi-C data in H1 human embryonic stem cell line (H1-hESC). Bottom, the coding (blue) and noncoding RNAs (green), including miRNAs and long noncoding RNAs, are shown.

Большинство хромосомных делеций локуса 22q11.2 происходят de novo, однако наследственные делеции локуса 22q11.2 были зарегистрированы у 6-28% пациентов как аутосомно-доминантные [16,17]. Большинство клинических фенотипов DGS/VCFS вызваны проксимальными 1. 5 Мб микроделециями [3,22], что приводит к гемизиготности примерно 30 кодирующих генов, включая DGCR6, PRODH, DGCR2, ESS2, TSSK2, GSC2, FAM246C, SLC25A1, CLTCL1, UFD1, HIRA, CDC45, MRPL40, C22orf39, CLDN5, TBX1, SEPTIN5, SEPT5-GP1BB, GP1BB, GNB1L, RTL10, TXNRD2, COMT, ARVCF, TANGO2, TRMT2A, RANBP1, CCDC188, DGCR8, ZDHHC8, RTN4R, DGCR6L и C007326 , а также микроРНК (миРНК) и длинные не-кодирующие РНК (Рисунок 1 и Рисунок S2A). Hi-C хроматиновая структура региона 1,5 Мб указывает на взаимодействие между этими локусами и соседними регионами (Рисунок 1).

Проксимальная делеция в 1,5 Мб в локусе 22q11.2 включает TBX1 (Рисунок 1). TBX1 считается геном-кандидатом DGS/VCFS, поскольку гаплонедостаточность TBX1 приводит к типичным фенотипам DGS/VCFS, синдрому конотрункальной аномалии лица (OMIM #217095) и тетралогии Фалло (OMIM #187500) (Таблица 3). Идентичные мутации в TBX1, присутствующие у пациентов, приводят к различным фенотипам, что позволяет предположить, что в клинические фенотипы вовлечены генетические и эпигенетические изменения или факторы окружающей среды [5]. Кодирующие варианты в Т-бокс и С-концевом доменах TBX1 показали высокие показатели комбинированного аннотационно-зависимого истощения (CADD) (табл. S1); однако для подтверждения того, что эти варианты вызывают DGS/VCFS и как они влияют на фенотипы, необходимы дальнейшие исследования.

Table 3. DGS/VCFS-associated variants of TBX1.

DGCR8, DGCR6 и DGCR6L расположены в часто удаляемом регионе размером 1,5 Мб при DGS/VCFS (рис. 1). DGCR8 - ядерный миРНК-связывающий белок, необходимый для биогенеза миРНК. Гаплонедостаточность Dgcr8 у мышей снижает экспрессию миРНК в головном мозге [45]. Гены DGCR6 и DGCR6L кодируют белок с последовательностью, сходной с gonadal дрозофилы [46] (Рисунок S2B). В куриной модели целенаправленное воздействие на функцию DGCR6 привело к сосудистому фенотипическому отклонению [47]. Подавление DGCR6 влияет на экспрессию трех генов, локализованных в области 1,5 Мб, повышая экспрессию TBX1 и UFD1 и снижая экспрессию HIRA в сердце и фарингеальных дугах куриных эмбрионов [47]. Таким образом, гаплонедостаточность DGCR8 или DGCR6 может быть связана с фенотипами DGS/VCFS при целенаправленном воздействи на гены и миРНК, связанные с DGS/VCFS.

Удаленные с 1,5 Мб в локусе 22q11.2 включают несколько миРНК, таких как miR-185, miR-4716, miR-3618, miR-1286, miR-1306 и miR-6816 (рис. 1). Программа предсказания мишеней миРНК TargetScan (http://www.targetscan.org accessed on 3 August 2021) определила, что 3' UTR TBX1 включает консервативные сайты для miR-183-5p, miR-96-5p, miR-1271-5p, miR-182-5p, miR-144-3p, miR-139-5p, miR-101-3p и miR-451. Было подтверждено, что две миРНК нацелены на 3', miR-96-5p подавляет экспрессию Tbx1 и, в свою очередь, TBX1 подавляет промоторную активность и экспрессию miR-96 [48]. miR-451a, опухолевый супрессор, также непосредственно нацелен на TBX1 [49]. Экспрессия этого гена повышается при кожной базальноклеточной карциноме, что обратно пропорционально miR-451a [49]. miR-17-92 точно регулирует экспрессию Tbx1 при черепно-лицевом развитии, что позволяет считать miR-17-92 генетическим модификатором Tbx1 [50]. Таким образом, миРНК как внутри, так и вне локуса 22q11.2 могут влиять на тяжесть клинических фенотипов DGS/VCFS.

Мышиные модели с DGS/VCFS помогают определить дополнительные гены-кандидаты или гены-модификаторы, которые влияют на пенетрантность и/или тяжесть фенотипов, связанных с DGS/VCFS. По показаниям базы данных геномной информатики мыши (MGI) (http://www.informatics.jax. org accessed on 3 August 2021), аномалии, связанные с DGS/VCFS, касающиеся Tbx1, Chrd, Tgfbr2, Vegfa, Fgf8, Crkl, Aldh1a2/Raldh2, Hoxa3, Kat6a/Moz/Myst3, Dicer1, Plxnd1, Dock1, Ndst1, Prickle1, Trappc10, Zfp366 и Foxn1, были зарегистрированы у генетически измененных мышей (Таблица 4 и Таблица S2). Когда эти гены были проанализированы в соответствии с биологическими процессами, "морфогенез сердца" и "развитие черепно-скелетной системы", где они были обогащены (Таблица S3). Анализ обогащения с использованием ToppCluster [51] показал, что гены, ассоциированные с фенотипами DGS/VCFS у мышей, специфически участвуют в морфогенезе черепно-лицевых тканей и сердца (рис. 2A). Интересно, что среди этих генов только Tbx1 и Chrd были специфически обогащены в морфогенезе крикоидного и щитовидного хрящей (рис. 2А). Гены, связанные с фенотипами DGS/VCFS у мышей, также показали, что фенотипы, связанные с DGS/VCFS, вовлекают взаимодействие нескольких сигнальных путей, включая костный морфогенетический белок (BMP), трансформирующий фактор роста (TGF), фактор роста эндотелия сосудов (VEGF), фактор роста фибробластов (FGF) и сигнальные пути ретиноевой кислоты (Рисунок 2B). Гены, вовлеченные в генетический путь Tbx1, вероятно, вызывают фенотипы, сходные с Tbx1-нулевыми мышами (Рисунок 2B, Таблица 4 и Таблица S2). Они описаны ниже.



Figure 2. Interaction network of genes associated with DGS/VCFS phenotypes in mice. (A) A gene-based network where each gene connects to a feature. The network was constructed using ToppCluster (https://toppcluster.cchmc.org/ accessed on 6 May 2022). Mouse phenotypes are shown in the network. (B) The protein-protein interaction network was constructed using the STRING tool (https://string-db.org/ accessed on 6 May 2022). Genes associated with DGS/VCFS phenotypes in mice (Table 4) were the input. Different colors represent different types of evidence of a connection between proteins. Table 4. Craniofacial phenotypes of DGS/VCFS mouse model.

Черепно-лицевые структуры с фенотипами DGS/VCFS являются производными мезенхимы головы и первой и второй глоточных дуг [62]. Tbx1 экспрессируется в мезодерме, эктодерме и эндодерме глоточного аппарата и мезенхиме головы между эмбриональными днями (E)9.5 и E11.5 у мышей [62,63]. На ст. E12.5 Tbx1 экспрессируется в эпителии ротовой полости, миогенном ядре языка, зубных почках резцов, мышцах глотки и эпителии ушного пузырька [63,64]. У Tbx1-нулевых мышей наблюдается наибольшее количество клинических признаков DGS/VCFS, тогда как у Tbx1+/- мышей нет значительных черепно-лицевых фенотипов (Таблица 2, Таблица 5 и Таблица S2). Информация о глазных фенотипах у Tbx1-мутантных мышей ограничена (табл. 2), хотя об этих аномалиях у пациентов с DGS/VCFS уже сообщалось [16,17]. Система Cre/loxP была использована с условно нокаутированными мышами Tbx1 для изучения тканеспецифической функции TBX1 в черепно-лицевом развитии (Таблица 5).

Таблица 5. Отдельные черепно-лицевые фенотипы новорожденных с Tbx1-мутациями.

В процессе палатогенеза нёбные половинки развиваются двусторонне из внутренних частей верхнечелюстных выступов и срастаются над языком, образуя неповрежденную крышу полости рта [67,68]. Поскольку нёбо состоит из твердого нёба, с костями, и мягкого нёба без костей, фенотипы расщелины нёба включают неполную и подслизистую расщелины нёба [67,68]. Абляция Tbx1, который экспрессируется в эпителии нёбных половинок, приводит к аномальным внутриротовым эпителиальным сращениям между нёбными половинками и нижней челюстью, что приводит к различным степеням фенотипа расщелины нёба (полная, неполная и подслизистая расщелина нёба) [30,34,69]. Экспрессия Pax9, мутации которого приводят к расщелине нёба и агенезии зубов [70], снижена в нёбных пластинках и глоточной области у Tbx1-нулевых эмбрионов [34,71]. В нёбных половинках у Tbx1-нулевых эмбрионов экспрессия генов, связанных с мышцами и костями, снижена, а активность генов, связанных с нейронами и биосинтезом коллагена, повышены [72].

У Tbx1-нулевых мышей наблюдаются черепно-лицевые костные аномалии, включая постоянно открытый родничок, микрогнатию, короткую ключицу, гипопластическую скуловую дугу и отсутствие подъязычной кости (Таблица 2 и Таблица S2). Условное удаление Tbx1 в мезодерме или остеохондральных предшественниках повторяет аномальные фенотипы свода черепа и нижней челюсти у Tbx1-нулевых мышей [35,66], предполагая, что Tbx1 необходим для морфогенеза и окостенения черепно-лицевых костей. Хотя экспрессия Tbx1 не была зарегистрирована в нервном гребне, условная делеция Tbx1 здесь приводит к гипопластической подъязычной кости [35] (Таблица 2 и Таблица 5). Эти результаты показывают, что Tbx1 необходим для морфогенеза и оссификации мембранозных костей, полученных из мезодермы и нервного гребня, хотя пороки развития, наблюдаемые в большинстве костей, полученных из нервного гребня у Tbx1-нулевых мышей, являются вторичными дефектами, индуцированными клетками не из нервного гребня [35,66]. Интересно, что аномалии мембранозных костей, наблюдаемые у Tbx1-нулевых мышей, похожи на аномалии кляйдокраниальной дисплазии (OMIM #119600 и #216330) у людей, проявляющиеся гипопластическими мембранозными костями, включая аномальную нейрокраниальную морфологию, короткую ключицу, гипопластическую скуловую дугу и подъязычную кость [73,74,75]. Cleidocranial dysplasia (OMIM #119600) вызывается гетерозиготными мутациями в RUNX2, который кодирует главный транскрипционный фактор для дифференциации остеобластов [74,75]. Поскольку абляция Tbx1 влияет на экспрессию Runx2 в костях свода черепа, а избыточная экспрессия TBX1 индуцирует экспрессию Runx2 in vitro [35], TBX1 может действовать выше Runx2, поддерживая популяции клеток, экспрессирующих Runx2 в начале развития костей. Кроме того, TBX1 может быть геном-кандидатом для рецессивного наследования Cleidocranial dysplasia (OMIM #216330).

Сфено-окципитальный синхондроз (SOS) в основании черепа является жизненно важным центром роста черепа (см. [76]). TBX1 экспрессируется в мезодерме, производной хрящевого примордия SOS и basioccipital костей, а делеция Tbx1 в мезодерме вызывает деформацию basioccipital костей и преждевременное окостенение SOS. Это указывает на то, что Tbx1 является важным регулятором дифференцировки хондроцитов и последующего окостенения в SOS [36]. TBX1 подавляет транскрипционную активность RUNX2 in vitro, а также экспрессию генов-мишеней RUNX2 в SOS [36]. У Tbx1-нулевых мышей также наблюдаются эндохондральные костные аномалии в atlas, axis, and xiphoid отростках [6,35]. Существует возможность изучить фенотипы черепных синхондрозов у пациентов с DGS/VCFS, поскольку аномалии в SOS и basioccipital костях могут вызывать черепные фенотипы DGS/VCFS, такие как долихоцефалия, базилярная импрессия и платибазия.

Аномалии зубов (одиночные центральные резцы, гипоплазия эмали и мелкие зубы) были зарегистрированы у многих пациентов [18,28]. Соответственно, примерно у 30% Tbx1-нулевых мышей верхние резцы отсутствуют [6]. Tbx1 экспрессируется в шейных петлях, которые содержат нишу для стволовых клеток зубов у мышей. У Tbx1-нулевых мышей область шейной петли резца либо сильно уменьшена, либо полностью отсутствует, а культивированные резцы Tbx1-нулевых мышей гипопластичны и лишены эмали [77]. Абляция Tbx1 в эпителии приводит к уменьшению размеров зубов по сравнению с диким типом, что позволяет предположить, что TBX1 регулирует пролиферацию клеток-предшественников зубов [48].

Бранхиомерные мышцы происходят из мезодермы глоточных дуг. У Tbx1-нулевых и Tbx1flox/-;Mesp1-Cre эмбрионов жевательная, птеригоидная и височная мышцы периодически отсутствуют [78,79]. Соответственно, экспрессия генов, связанных с мышцами, также снижена в нёбных половинках Tbx1-нулевых мышей [72]. Tbx1 действует выше критических транскрипционных факторов для формирования бранхиомерных мышц. К ним относятся LIM homeobox protein 2 (Lhx2), транскрипционный фактор 21 (Tcf21/capsulin), мускулин (Msc), миогенный фактор 5 (Myf5), фактор миогенной дифференцировки 1 (Myod1), фактор усиления миоцитов 2C (Mef2c) и GATA binding protein 4 (Gata4) [79-82]. Tbx1 находится в нисходящих генетических путях Tcf21, paired-like гомеодоменного транскрипционного фактора 2 (Pitx2) и ISL LIM homeobox 1 (Isl1) [80,83,84]. Таким образом, TBX1 регулирует структуру и развитие бранхиомерных мышц через транскрипционную регуляцию миогенных генов.

Мыши, лишенные гена Chrd, кодирующего chordin, антагонист костных морфогенетических белков (BMPs), демонстрируют фенотипы, повторяющие фенотипы Tbx1-нулевых мышей [32,52] (Таблица S2). У Chrd-нулевых новорожденных наблюдается большинство черепно-лицевых фенотипов в области черепа, основания черепа, верхней и нижней челюсти, ушей и подъязычной кости (Таблица S2). Как Tbx1, так и Fgf8 были снижены в эндодерме Chrd-нулевых мышей, это указывает на то, что Chrd действует выше Tbx1 и Fgf8 [52]. Tbx1 действует выше по течению члена семьи SMAD 7 (Smad7), ингибирующего Smad в рамках пути BMP/TGFβ , для регулирования сосудистой гладкой мускулатуры и внеклеточного матрикса в четвертой дуговой артерии [85]. Условное удаление Tgfbr2, который кодирует TGFβ рецептор 2 в нервном гребне, привело к сердечно-сосудистым дефектам, связанным с DGS/VCFS [53]. Эти данные свидетельствуют о потенциальной роли BMP/TGFβ сигнализации в патогенезе DGS/VCFS.

VEGFA является важным цитокином в ангиогенезе и развитии сосудов во время эмбриогенеза [86]. У новорожденных, лишенных Vegfa, наблюдаются некоторые аспекты черепно-лицевых аномалий, связанных с DGS/VCFS, включая несросшиеся черепные швы, отсутствие резцов и короткая нижняя челюсть, а также сердечно-сосудистые аномалии [54] (Таблица S2). Удаление Vegfa у мышей снижает экспрессию Tbx1, а нокдаун уровней vegfaa/vegfa у рыбок данио усиливает пороки развития глоточной дуги, вызванные нокдауном tbx1 [54]. У людей низкая экспрессия гаплотипа VEGFA повышает риск развития кардиального фенотипа DGS/VCFS, это указывает на то, что уровень экспрессии VEGFA влияет на тяжесть фенотипов DGS/VCFS [87]. Эти результаты позволяют предположить, что VEGFA изменяет фенотипы, связанные с DGS/VCFS, путем регуляции экспрессии TBX1.

Устранение Fgf8 вызывает черепно-лицевые, сердечно-сосудистые, тимические и паратиреоидные фенотипы [55,88]. У Fgf8-нулевых новорожденных наблюдаются некоторые аспекты черепно-лицевых аномалий, связанных с DGS/VCFS, включая расщелину нёба и аномальную морфологию наружного уха [55,88] (Таблица S2). У двойных гетерозиготных эмбрионов Fgf8+/-;Tbx1+/- наблюдается повышенная пенетрантность сердечно-сосудистых дефектов по сравнению с Tbx1-гетерозиготными эмбрионами [89]. Тканеспецифическая делеция Fgf8 в Tbx1-экспрессирующих доменах приводит к сердечно-сосудистым аномалиям [90]. TBX1 активирует энхансер Fgf8 во время развития сердца [9]. Удаление гена Fgfr2, кодирующего рецептор 2 FGF, снижает экспрессию Tbx1 в зубном эпителии, что указывает на генетическую связь между сигналом FGF и Tbx1 в развитии зубов [91]. Кроме того, генетический путь Tbx1-Six1/Eya1-Fgf8 имеет решающее значение для морфогенеза черепно-лицевой области [92,93]. Эти данные показывают, что FGF-путь и Tbx1 генетически взаимодействуют во время развития глоточных дуг.

CRKL занимает в 2,5 Мб область, обычно удаляемую при DGS/VCFS (рис. 1). Варианты в предсказанном энхансере CRKL значительно связаны с риском врожденных пороков сердца при DGS/VCFS [94]. Примерно у 12% мышей с нулевым генотипом Crkl наблюдаются легкие дефекты костей черепа, такие как маленький череп и слабое мембранозное окостенение носовых костей [56]. Сложная гетерозиготность по Crkl и Tbx1 у мышей показала, что делеция Crkl усиливает связанные с DGS/VCFS аномалии по сравнению с Tbx1-гетерозиготными эмбрионами [56], предполагая, что гены Tbx1 и Crkl действуют в одном генетическом пути. CRKL кодирует адаптерный белок, который способствует внутриклеточному ответу на передачу сигналов FGF. У двойных гетерозиготных мышей Crkl+/-;Fgf8+/- наблюдались дефекты, связанные с DGS/VCFS [95]. Таким образом, мутации CRKL вызывают или изменяют связанные с DGS/VCFS фенотипы и/или их пенетрантность как эффект сцепленного гена.

Retinoic acid (RA), активное производное витамина А, необходима для различных процессов развития позвоночных животных. Высокие уровни RA действуют как морфогены, вызывающие фенокопии DGS/VCFS путем снижения экспрессии Tbx1 в глоточном аппарате [96,97]. Уровни RA уравновешиваются ферментом альдегиддегидрогеназы, синтезирующим РА (ALDH), и ферментом Cyp26, катаболизирующим RA [98,99]. У мышиных эмбрионов, гипоморфных по Aldh1a2/Raldh2, наблюдаются связанные с DGS/VCFS пороки развития сердечно-сосудистой системы, тимической и паращитовидной желез [57]. Гаплонедостаточность Aldh1a2/Raldh2 приводит к снижению эмбрионального синтеза RA, повышению уровня Tbx1 и ускоренному восстановлению после задержки роста артерий у Tbx1-гетерозиготных мышей [100]. Ингибитор фермента Cyp26 вызывает фенокопию DGS/VCFS у эмбрионов цыплят [101]. У Tbx1-нулевых мышей наблюдается повышенная экспрессия Aldh1a2/Raldh2 и пониженная экспрессия Cyp26a1 [71].

Дальнейшие взаимодействия происходят между передачей сигналов RA, Crkl и Tbx1. Пенетрантность тимической гипоплазии снижена у тройных гетерозиготных эмбрионов Crkl+/-;Tbx1+/-;Aldh1a2+/- по сравнению с мутантами Crkl+/-;Tbx1+/-, это позволяет предположить, что снижение количества RA может спасти фенотип, связанный с DGS/VCFS [102]. Таким образом, уровни RA в эмбриогенезе могут вносить вклад в фенотипическую изменчивость DGS/VCFS.

Воздействие RA увеличивает экспрессию Hoxa3, гена, который кодирует гомеобоксный транскрипционный фактор, в нервной трубке и глоточном аппарате [103]. Интересно, что Hoxa3-нулевые новорожденные демонстрируют некоторые аспекты аномалий DGS/VCFS [58,104] (Таблица S2). Таким образом, HOXA3 может быть генетическим модификатором аномалий, связанных с DGS/VCFS.

Гомозиготная мутация Kat6a/Moz/Myst3, которая кодирует ацетилтрансферазу гистонов, приводит к сердечно-сосудистым дефектам, наблюдаемым при DGS/VCFS, и снижает экспрессию Tbx1 [59]. Лечение беременных мышей ингибитором гистоновой деметилазы, как сообщается, повышает уровень метилирования гистона H3 лизином K4 (H3K4) и частично спасает сердечно-сосудистые фенотипы Tbx1-гетерозиготных мышей [105]. TBX1 регулирует гены, транскрибируемые на низком уровне, путем привлечения лизин-метилтрансферазы (KMT2C) и контроля обогащения хроматина монометилированием H3K4 (H3K4me1) [105]. Кроме того, TBX1 транскрипционно нацеливает Wnt5a, взаимодействуя с SMARCD1/BAF60a, компонентом SWI/SNF-подобного комплекса ремоделирования хроматина BAF, вместе с монометилтрансферазой H3K4 SETD7 [106]. Микродупликация в KANSL1, который кодирует члена комплекса гистоновых ацетилтрансфераз, связана с аномалиями сердца у людей с DGS/VCFS [107]. В Т-клетках пациентов с DGS/VCFS глобально повышен статус транскрипционной активации (H3K4me3 и H3K27ac) [108]. Таким образом, эпигенетические изменения вовлечены в фенотипы, связанные с DGS/VCFS.

Shh кодирует сигнальную молекулу SHH. У человека мутации SHH приводят к голопрозэнцефалии 3 (OMIM #142945), микрофтальмии с колобомой (OMIM #611638) и одиночному срединному верхнечелюстному центральному резцу (OMIM #147250). У Shh-нулевых эмбрионов наблюдаются конотрункальные дефекты и дефекты артерий глоточных дуг, аналогичные тем, которые наблюдаются у DGS/VCFS и Tbx1-нулевых эмбрионов [109]. Экспрессия Tbx1 снижена у Shh-нулевых эмбрионов, а эктопическая экспрессия Shh может привести к повышению экспрессии Tbx1, что позволяет предположить, что Shh является возможным модификатором DGS/VCFS [62,110]. Shh также необходим для экспрессии генов транскрипционных факторов семейства Fox, forkhead box A2 (Foxa2) и forkhead box C2 (Foxc2), в мезенхиме головы и эндодерме глотки [62]. FOXA2 и FOXC2 связываются с регуляторными регионами в локусах TBX1 мыши и человека [111].

Ген Pitx2 кодирует bicoid-like гомеодоменный транскрипционный фактор. У мышей с нулевым геном Pitx2 наблюдаются черепно-лицевые дефекты, такие как остановка развития зубов, аномальная морфология верхней и нижней челюсти и расщелина нёба. У людей мутации PITX2 приводят к синдрому Axenfeld-Rieger, тип 1 (OMIM #180500). У пациентов с синдромом Аксенфельда-Ригера проявляются зубочелюстные и черепно-лицевые аномалии, затрагивающие верхнюю челюсть, нижнюю челюсть и основание черепа [112]. Как Tbx1, так и Pitx2 экспрессируются в раннем зубном эпителии, эпителии полости рта и вторичном поле сердца [64,113,114]. У двойных гетерозиготных эмбрионов Tbx1+/-;Pitx2+/- наблюдается повышенная пенетрантность экстра-премолярного зуба [115] и сердечно-сосудистые аномалии, связанные с DGS/VCFS [114]. TBX1 непосредственно активирует энхансер Pitx2c через синергетическое действие гомеобокс-содержащего транскрипционного фактора NK2 homeobox 5 (NKX2-5) [114]. TBX1 также взаимодействует с PITX2 и подавляет транскрипционную активность PITX2 [48,115]. Таким образом, PITX2 может быть генетическим модификатором аномалий, связанных с DGS/VCFS.

Проникновение и тяжесть врожденных аномалий связаны с генетическими и экологическими факторами. Недавние исследования выявили функцию TBX1 и модификаторы, которые влияют на тяжесть и пенетрантность DGS/VCFS. Изучение мышиных моделей DGS/VCFS позволило выяснить сигнальные пути и гены, которые взаимодействуют с TBX1 и/или влияют на фенотипы DGS/VCFS. Кроме того, мышиные модели с DGS/VCFS могут помочь нам выявить дополнительные фенотипы, связанные с DGS/VCFS. Например, существует возможность изучить фенотипические аномалии краниальных синхондрозов, черепа, скуловых дуг и мышц глотки у пациентов с DGS/VCFS. Мы также отметили, что информация о глазных фенотипах у Tbx1-мутантных мышей ограничена, хотя об этих аномалиях у пациентов с DGS/VCFS уже сообщалось [16,17]. Перекрестное взаимодействие с ключевыми эмбриональными сигналами, особенно BMP, TGF, VEGFA, FGF, RA и SHH, критически регулирует развитие глотки, связанное с DGS/VCFS. Гены, вовлеченные в эти сигнальные пути, могут изменять фенотипический спектр DGS/VCFS. Учитывая широкий спектр фенотипов заболевания DGS/VCFS, другие гены, важные для развития черепно-лицевой области, могут изменять фенотипический спектр. Генетически модифицированные мыши полезны для изучения фенотипов заболеваний; однако абляция основных генов, участвующих в развитии сердечно-сосудистой системы, может привести к ранней эмбриональной летальности, что не позволит наблюдать черепно-лицевые фенотипы. Например, абляция гена Ufd1, ортолог которого у человека была картирована в области 1,5 Мб, вызывает раннюю эмбриональную летальность до начала органогенеза у мышей [116]. Также важно выявить новые белки, взаимодействующие с TBX1, и изучить, могут ли взаимодействующие партнеры влиять на фенотипы мышиных моделей.

Исследования Tbx1-мутантных мышей позволили понять глубинный патогенез DGS/VCFS и получить знания для диагностики пациентов с DGS/VCFS. Гены, миРНК и эпигенетика могут изменять экспрессию Tbx1. Полиморфизмы, вариации и мутации в TBX1 могут вызывать проникновение и тяжесть черепно-лицевых фенотипов, подобных DGS/VCFS. Молекулярная основа последовательности вариантов TBX1 позволит определить, как TBX1 способствует развитию черепно-лицевых и других фенотипов DGS/VCFS. Поскольку взаимодействие с TBX1 и другими молекулами в транскрипционных комплексах или ремоделировании хроматина имеет решающее значение для функции TBX1, выявление и понимание этих генетических и эпигенетических модификаторов индивидуально для каждого пациента может направить терапию на минимизацию тяжести заболевания.

Supplementary Materials online at https://www.mdpi.com/article/10.3390/jdb10020018/s1