Посещений:
СИНДРОМАЛЬНЫЕ ВРОЖДЕННЫУ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТЫЕ БОЛЕЗНИ
и Сопутствующие заболевания
Lateral thinking in syndromic congenital cardiovascular disease Agnese Kocere,
Robert L. Lalonde ,Christian Mosimann et al.
Dis Model Mech (2023) 16 (5): dmm049735.
https://doi.org/10.1242/dmm.049735
|
Syndromic birth defects are rare diseases that can present with seemingly pleiotropic comorbidities. Prime examples are rare congenital heart and cardiovascular anomalies that can be accompanied by forelimb defects, kidney disorders and more. Whether such multi-organ defects share a developmental link remains a key question with relevance to the diagnosis, therapeutic intervention and long-term care of affected patients. The heart, endothelial and blood lineages develop together from the lateral plate mesoderm (LPM), which also harbors the progenitor cells for limb connective tissue, kidneys, mesothelia and smooth muscle. This developmental plasticity of the LPM, which founds on multi-lineage progenitor cells and shared transcription factor expression across different descendant lineages, has the potential to explain the seemingly disparate syndromic defects in rare congenital diseases. Combining patient genome-sequencing data with model organism studies has already provided a wealth of insights into complex LPM-associated birth defects, such as heart-hand syndromes. Here, we summarize developmental and known disease-causing mechanisms in early LPM patterning, address how defects in these processes drive multi-organ comorbidities, and outline how several cardiovascular and hematopoietic birth defects with complex comorbidities may be LPM-associated diseases. We also discuss strategies to integrate patient sequencing, data-aggregating resources and model organism studies to mechanistically decode congenital defects, including potentially LPM-associated orphan diseases. Eventually, linking complex congenital phenotypes to a common LPM origin provides a framework to discover developmental mechanisms and to anticipate comorbidities in congenital diseases affecting the cardiovascular system and beyond.
|
Сравнительные наблюдения за различными модельными организмами помогают нам понять, как развивается, функционирует и проявляет врожденные аномалии человеческий организм. Многочисленные редкие врожденные заболевания проявляются сложными синдромными фенотипами, которые затрагивают, казалось бы, не связанные между собой органы или типы клеток. Изучение фенотипов таких заболеваний на модельных организмах может (1) выявить новые, клинически значимые сведения о потенциально общем эмбриональном происхождении или молекулярном механизме и (2) информировать о возможных дополнительных фенотипах у пациентов. Однако расшифровка основных причин развития и молекулярных причин сложных синдромных врожденных пороков развития остается сложной задачей, когда у нас нет объединяющей концепции для связи наблюдаемых фенотипов.
Формирование сердца служит ярким примером тесной развивающей и генетической связи эмбриональных линий с, казалось бы, отдаленными местами в окончательном плане тела (Bulatovic et al., 2016; Diogo et al., 2015; Meilhac and Buckingham, 2018; Stainier et al., 1993). Сердце развивается из мезодермы латеральной пластинки (LPM), которая первоначально появляется на краю формирующегося эмбриона позвоночных (Meilhac and Buckingham, 2018; Prummel et al., 2020; Saint-Jeannet et al., 1992; Stainier et al., 1995) (рис. 1). Любопытно, что формирующееся поле сердца является частью более широкой популяции клеток предшественников, называемой кардиофарингеальным полем (CPF), которое включает клетки предшественников, формирующие различные группы мышц шеи и головы (рис. 1 и 2) (Chan et al., 2016; Diogo et al., 2015; Gopalakrishnan et al., 2015; Lescroart et al., 2015, 2021; Stolfi et al., 2010). Помимо сердца, LPM дает начало нескольким гладкомышечным линиям, вентральной дерме, мезотелию и соединительной ткани конечностей, включая длинные кости (Lane and Smith, 1999; Selleck and Stern, 1991; Warga and Nüsslein-Volhard, 1999) (рис. 1). Почки, традиционно описываемые как промежуточная мезодерма у птиц и млекопитающих, имеют общие клональные и генно-экспрессионные связи с другими производными LPM у всех позвоночных (рис. 1) (Davidson et al., 2019; Mansour et al., 2022; Mattonet et al., 2022; Takasato and Little, 2015; Takasato et al., 2014). Эта сложная архитектура развития и генетическая архитектура делает LPM чувствительным к дефектам в его структурировании и спецификации клеточной судьбы, что имеет широкие последствия для нескольких органов и тканей, являющихся его потомками. Так, синдромы "сердце-рука" проявляются в виде аномалий сердечно-сосудистой системы и передних конечностей (Camarata et al., 2010; Yin et al., 2018, 2020). Хотя эти фенотипы проявляются в, казалось бы, далеких друг от друга органах, предшественники сердца и скелета передней конечности имеют тесную связь в развитии, поскольку они возникают из соседних клеточных территорий в LPM которые также имеют значительное количество совместно экспрессируемых генов (рис. 1 и 2) (Mori and Bruneau, 2004; Silverman and Hurst, 1968; Tamari and Goodman, 1974; Yin et al., 2020).
Fig. 1. The lateral plate mesoderm (LPM) develops into a dispersed set of organs that share a common embryonic origin. Major LPM progenitor cell populations and their main transcription factors (middle), and their corresponding arrangement in a schematized vertebrate embryo during segmentation stages (left). The human infant (right) depicts the corresponding final organs and cell types with their distribution in the body.
Fig. 2. Heart and limb develop from neighboring LPM populations with shared transcription factors. The heart and the forelimb progenitors emerge within the anterior LPM in close proximity to each other, as depicted in a schematic representing the vertebrate embryo (left). On the right, we depict heart and limb/fin development in the mammalian and zebrafish embryo; the developmental process in zebrafish is similar to that in mammals. The heart forms by medial progenitor migration and leftward jog, resulting in the primitive heart tube that then undergoes complex remodeling to form a multi-chambered heart (top). The limb buds for both forelimbs and hindlimbs emerge from dedicated territories within the LPM via a conserved cascade of signaling events; interaction with the apical ectodermal ridge through Fgf ligand secretion supports lhttps://cob.silverchair-cdn.com/DownloadFile/DownloadImage.aspx?image=https://cob.silverchair-cdn.com/cob/content_public/journal/dmm/16/5/10.1242_dmm.049735/2/dmm04973502.png?Expires=1689682265&Signature=L0xsdF5T39Wc8KNZp4EGcMbpzYVGuTNYzfG8FlI1vxVpUAKcSYv8ldaFyeoEMAe4hZAw3~1EA5v0a7t86IwIbkDd80lFltOdKn~5g2k2uVsbZ3IGiIniapUuO6-Uk0aI3mFVJXthSv2ffOoCu415IKUXDCx6-TzGQRGFacTpTuPzG0MUh0YG86eZyS~F0okY9c~kkRVUHfjF04KmoSYdQWqnDmadTWHdMaD~~a4Jgn3rFKyEOBZAXdTg~DNM8q4l8NW5x7g~XC4m4SvKnYy6jnlBKqmSo7f6C9o-cZEHWzmWZfkCzx60V1gUobL4D6gkPTs2Y1pQW2P2jJc63hTudQ__&Key-Pair-Id=APKAIE5G5CRDK6RD3PGA&sec=13655147&ar=307368&xsltPath=~/UI/app/XSLT&imagename=&siteId=1000003imb bud outgrowth followed by LPM-based formation of connective tissue and skeletal structures (bottom).
Наложение фенотипов сложных синдромных заболеваний на информацию о развитии обеспечивает концептуальную основу для выявления глубинных механизмов и возможных сопутствующих заболеваний, имеющих отношение к долгосрочному здоровью пациента. Здесь мы обсуждаем LPM как концепцию развития, позволяющую связать кажущиеся несопоставимыми фенотипы врожденных пороков сердца и других заболеваний человека с известными и неизвестными причинными генами. Далее мы представим синдромы, пока еще не получившие статуса сиротских, не имеющие ассоциаций с причинными генами, которые проявляются как потенциальные заболевания LPM поскольку они затрагивают две или более тканей, производных LPM Наконец, мы описываем, как лаборатории клинической, вычислительной биологии и биологии развития могут продуктивно сотрудничать для выявления причин сложных врожденных синдромов, влияющих на сердце и сопутствующие заболевания.
The LPM as context for cardiovascular system development Формирование LPM и формирование паттерна регулируется глубоко консервативными принципами у всех хордовых (вставка 1) (Prummel et al., 2020). Её возникновение тесно связано с дорсально-вентральной структурой позвоночного эмбриона, которая управляется секретируемыми сигнальными молекулами Bmp и Nodal, контролирующими нижележащие транскрипционные факторы Smad (Graff et al., 1996; Liu et al., 1996; M?ller et al., 1999; Savage et al., 1996; Schier and Talbot, 2005; Sekelsky et al., 1995; Shi et al., 1997; Zhang et al., 1996). В то время как Bmp регулирует дорсально-вентральное расположение оси тела, активность Nodal дополнительно поддерживает формирование паттерна эктодермы против мезэнтодермы (Conlon et al., 1991; Davidson et al., 2015; Gritsman et al., 1999; Hayes et al., 2021; Kattman et al., 2011; Martyn et al., 2019; Schier and Talbot, 2005; Zhou et al., 1993). Во время гаструляции LPM возникает как территория вентральной и латеральной мезодермы (Garcia-Martinez and Schoenwolf, 1993; Gurdon, 1995; Lane and Smith, 1999; Mead et al., 1996; Selleck and Stern, 1991). У рыбок данио белки Smad взаимодействуют с Eomesa, Foxh1 и Mixl1 для индукции LPM, однако является ли эта комбинация необходимой и достаточной у всех позвоночных, еще предстоит выяснить (Bjornson et al., 2005; Prummel et al., 2019; Slagle et al., 2011). Тем не менее, основная концепция вентральной активности, индуцирующей LPM по-видимому, сохраняется у всех хордовых и определяет формирующийся LPM как специальное поле предшественников для его различных последующих клеточных фаций (рис. 1 и 2, вставка 1) (Prummel et al., 2019, 2020).
Box 1.Evolutionary context of lateral plate mesoderm (LPM) and cardiovascular fate formation
Несмотря на обилие данных о судьбах нижележащих клеток, мало что известно о том, как LPM разделяется на отдельные территории и как они связаны друг с другом. Наши современные представления позволяют предположить, что органы, производные LPM такие как сердце, развивались путем интеграции регуляторных программ, ориентированных на LPM и механизмов клеточной судьбы, которые были усовершенствованы из ранее существовавших более крупных клеточных полей с пока неизвестной целью (Kaplan et al., 2015; Monahan-Earley et al., 2013; Onimaru et al., 2011; Prummel et al., 2020; Tanaka, 2016) (рис. 1). Кажущаяся несвязанность функций и распределений последующих судеб, возникающих в LPM сделала изучение их совместного происхождения сложной задачей. Сравнительные исследования с участием отдаленно родственных видов хордовых в настоящее время подчеркивают, что LPM является благодатной почвой для эволюционных инноваций, которые способствовали появлению важнейших аспектов позвоночных, включая, в частности, мышцы головы и шеи для питания, придатки для локомоции и камерные сердца для повышенных метаболических потребностей (Ericsson et al., 2013; Onimaru et al., 2011; Prummel et al., 2019; Stephenson et al., 2017; Yong et al., 2021). В частности, эволюционный контекст развития сердца продвинул наше понимание развития сердечно-сосудистой системы и связи с заболеваниями. |
Передняя конечность и скелет задней конечности являются наиболее разошедшимися (дивергированными), неочевидными производными LPM Десятилетия фенотипической, генетической и молекулярной работы в модельных системах и при врожденных заболеваниях человека выявили, что и в сердце, и в передней конечности предшественники экспрессируют Tbx5, Hand2 и другие транскрипционные факторы (Rallis et al., 2003; Steimle and Moskowitz, 2017). Кроме того, поля предшественников сердца и конечностей формируются рядом друг с другом в LPM (рис. 1 и 2). Данные по рыбкам данио и мышам свидетельствуют о том, что ограничение сердечной мезодермы ретиноевой кислотой необходимо для инициации поля конечностей (Tanaka, 2016; Waxman et al., 2008; Zhao et al., 2009). У мутантов рыбок данио и мыши raldh2 (aldh1a2)/Raldh2 (Aldh1a2) отсутствуют передние парные придатки, а ингибирование ретиноевой кислоты у рыбок данио вызывает заднее расширение сердечного поля, что коррелирует с неудачной инициацией зачатка плавника (Gibert et al., 2006; Grandel et al., 2002; Waxman et al., 2008). Эти фенотипы позволяют предположить, что регионализация LPM на сердечную мезодерму и более задние производные способствовала эволюции поля передней конечности. Анализ динамики экспрессии Nkx2.5 показал, что эта регионализация происходит во время развития миноги (lamprey), но не amphioxus, что позволяет предположить, что этот процесс эволюционировал в ветви семейства позвоночных (Onimaru et al., 2011). Область экспрессии Tbx5 определяется вложенной экспрессией Hox, в частности, на передней границе Hox5- и Hox6-экспрессирующихся в LPM (Minguillon et al., 2012). Хотя многие вопросы, касающиеся эволюционной и онтогенетической связи мезодермы сердца и передней конечности, остаются нерешенными, экспериментальные данные свидетельствуют о том, что эволюция поля передней конечности последовала за передним ограничением сердечной мезодермы. Однако первоначальная цель этого ограничения остается спорной; предполагается, что зарождение передних конечностей начинается с седьмой фарингеальной дуги или как часть более широких моделей формирования плавников вдоль оси тела, однако обе возможности ждут дальнейших данных (Diogo, 2020; Sleight and Gillis, 2020; Tulenko et al., 2013).
Обнаружение того, что предшественники второго поля сердца имеют общее клональное происхождение с черепно-лицевыми мышцами, выявило еще одну непредвиденную связь развития и эволюции - кардиофарингеальное поле (CPF). Объединенное CPF определяется экспрессией Tbx1, Nkx2.5 и других. Последующая работа на разных моделях, включая хордовых Ciona, выявила глубоко консервативные механизмы регуляции генов в этом переплетенном поле предшественников (Diogo et al., 2015; Stolfi et al., 2010; Wang et al., 2013) (рис. 2). Однако, как и в случае со связью сердца и конечностей, первоначальное назначение предковой CPF остается загадкой. Предполагается, что кардиофарингеальные предшественники, формирующие мышцы сердца и головы, используют отдельно эволюционировавшие, но функционально конвергентные программы поперечно-полосатых мышц (Diogo et al., 2015; Steinmetz et al., 2017). Предполагается, что в ходе эволюции головы хордовых кардиофарингеальные клетки предшественники приобрели способность к самообновлению до дифференцировки в группы сердечных или бранхиомерных (голова/шея) мышц и способность реагировать на соответствующие сигналы для специализации в разных местах (Diogo et al., 2015; Kaplan et al., 2015; Tolkin and Christiaen, 2012). Эволюционные и сравнительные исследования показали, что появление гетерогенных бранхиомерных мышечных групп совпадает с появлением камерного сердца у стволовых позвоночных, что предполагает общую историю развития и эволюции (Diogo et al., 2015; Moorman and Christoffels, 2003; Sim?es-Costa et al., 2005). У tunicates клетки вентральной части ствола являются мультипотентными кардиофарингеальными предшественниками, которые способствуют развитию сердца и групп мышц глотки (Kaplan et al., 2015; Stolfi et al., 2010; Wang et al., 2017b).
Эти эволюционные загадки, связанные с LPM, подчеркивают силу сравнительных межвидовых исследований для того, чтобы начать определять клеточные и молекулярные рамки, которые определяют контекст развития сердца. Сочетание сравнительных подходов биологии развития и эволюционной биологии развития (evo-devo) с генетическим анализом заболеваний человека имеет большой потенциал для развития наших знаний во всех этих дисциплинах.
Отличительной чертой архитектуры LPM является совместная экспрессия генов транскрипционных факторов между, казалось бы, несопоставимыми родоначальниками линий; вопрос о том, отражает ли эта совместная экспрессия клональное происхождение совместно экспрессирующих родоначальников или кооптированную регуляцию генов для сходных регуляторных целей, остается открытым. В формирующемся поле сердца Tbx5 синергично активен с Nkx2.5 (Nkx2-5), Gata4, Hand1/2 и другими факторами транскрипции сердца для регуляции предшественников сердечной трубки, которые развиваются из первого и второго полей сердца, встроенных в LPM (Greulich et al., 2011; Hiroi et al., 2001; Pi-Roig et al., 2014; Steimle and Moskowitz, 2017). Первое поле сердца содержит рано дифференцирующиеся предшественники, которые формируют примитивную сердечную трубку; клетки-потомки второго поля сердца впоследствии дифференцируются на обоих полюсах формирующейся сердечной трубки (Dyer and Kirby, 2009; Laura et al., 2020; Rochais et al., 2009) (рис. 1 и 2). В LPM непосредственно перед формирующимся полем сердца инициация почки передней конечности/грудного плавника требует экспрессии Tbx5 в поле, определяющем плавник/ конечность, чтобы вызвать Fgf10, который затем активирует Fgf8 в вышележащем апикальном эктодермальном гребне (Cunningham and Duester, 2015; Garrity et al, 2002; Minguillon et al., 2009, 2012; Moreau et al., 2019; Parrie et al., 2013; Rodriguez-Esteban et al., 1999; Takeuchi et al., 1999) (рис. 2). Hand2 устанавливает передне-заднюю ось передней конечности через активацию Shh и антагонизм Gli3 (Charit? et al., 2000; Galli et al., 2010; Osterwalder et al., 2014). В поле, определяющем заднюю конечность, Pitx1 активирует Tbx4, который, в свою очередь, индуцирует Fgf10, достигая аналогичной петли обратной связи с Fgf8 в апикальном эктодермальном гребне. Хотя передние и задние конечности имеют уникальную морфологию, Tbx4 может функционировать вместо Tbx5 при экспрессии в области, определяющей передние конечности (Don et al., 2016; Minguillon et al., 2005, 2012; Rodriguez-Esteban et al., 1999; Takeuchi et al., 1999) (рис. 2). Несмотря на их физическую близость и тот факт, что и сердце, и поля передней конечности экспрессируют Tbx5 и Hand2, остается неясным, имеют ли эти две линии общего предшественника или они возникают из разных областей-предшественников (Ahn et al., 2002; Charite et al., 2000; Fernandez-Teran et al., 2000; Garrity et al., 2002; Rodriguez-Esteban et al., 1999; Steimle and Moskowitz, 2017; Yelon et al., 2000).
Расширяя контекст развития формирования сердца в пределах LPM можно сказать, что формирующиеся сердечные предшественники являются частью CPF, которая экспрессирует Tbx1 и Nkx2.5/7 и способствует развитию черепно-лицевых мышц помимо сердца (Comai et al., 2019; Diogo et al., 2015; Lescroart et al., 2010; Meilhac et al., 2004; Nomaru et al., 2021; Xu et al., 2004; Zhou et al., 2008). Является ли вся CPF единым полем линий или представляет собой совокупность LPM и других передних мезодермальных линий, еще предстоит выяснить (рис. 1 и 2). Тем не менее, активность Mesp1, Nkx2.5 и Tbx1/10, а также связанных с ними генно-регуляторных сетей указывает на гомологию между вентральными клетками ствола tunicates и CPF позвоночных (Stolfi et al., 2010; Tolkin and Christiaen, 2012; Wang et al., 2013) (см. также вставку 1).
Во время развития другие линии LPM пересекаются с сердечными предшественниками по происхождению, экспрессии генов или и по тому, и по другому. Эндокард возникает из передних Scl/Tal1- и Etv2-экспрессирующих предшественников, которые имеют отличную морфологию и путь миграции по сравнению с другими эндотелиальными клетками черепа (Bussmann et al., 2007; DeRuiter et al., 1992; Harris and Black, 2010; Ivanovitch et al., 2017; Misfeldt et al., 2009; Proulx et al., 2010) (рис. 1). В стволе экспрессирующие
Scl/Tal1 предшественники развиваются в эндотелий ствола и первые предшественники эритроцитов, которые формируют начальные компоненты системы кровообращения (De La Garza et al., 2019; Garcia-Martinez and Schoenwolf, 1992; Mead et al., 1996; Pardanaud et al., 1996; Stainier et al., 1996) (рис. 1 и 3). Параллельно Pax2- и Pax8-позитивные предшественники LPM формируют почку, что было первоначально обнаружено по вкладу нарушений Pax2/8 в развитие заболеваний почек (Bouchard et al., 2002; Eccles et al., 2004; Keller et al., 1994; McMahon, 2016; Poleev et al., 1992; Torres et al., 1995) (рис. 1). Недавние работы на рыбках данио показали, что pax2a-экспрессирующие предшественники LPM способствуют эндотелиальной и эритроидной судьбе, а также формированию почечных линий (Mattonet et al., 2022). Предшественники почек изначально располагаются латеральнее эндотелиальных предшественников, по крайней мере, в LPM телеост, в отличие от млекопитающих, у которых они располагаются между сомитами и эндотелиальными предшественниками как "промежуточная мезодерма" (McMahon, 2016; Mullins et al., 1996; Perens et al., 2016; Takasato and Little, 2015; Terashima et al., 2014). Эти данные позволяют предположить, что почечные предшественники могут рассматриваться как линия LPM. Наконец, самая латеральная часть LPM образует экспрессирующие Hand2 предшественники мезотелия, который окружает внутренние органы и полости тела, а также различные типы гладких мышц (Ariza et al., 2016; Gays et al., 2017; Prummel et al., 2022; Shin et al., 2009). Работа, проведенная на цыплятах, документально подтвердила взаимодействие и поэтапное разделение между гладкими мышцами, кровеносными и эндотелиальными предшественниками под влиянием Hand2, Wnt, Bmp и Notch (Shin et al., 2009). Еще одним подтверждением неавтономного перекрестного взаимодействия между полосами является то, что потеря Hand2 у рыбок данио нарушает баланс между эндотелиальными предшественниками и формированием почек (Perens et al., 2016, 2021). Последующий кровоток оказывает большое влияние на ремоделирование тканей и даже на появление ключевых клеточных фаций, поскольку после начала циркуляции механические силы влияют на отпочковывание дефинитивных гемопоэтических стволовых клеток-предшественников, экспрессирующих
Runx1, от вентральной стенки дорсальной аорты (Boisset et al, 2010; Downing et al., 1993; Kissa and Herbomel, 2010; Lancino et al., 2018; M?ller et al., 1994; North et al., 2009; Traver et al., 2003).
Fig. 3.
Discovery of disease-causing genes and mechanisms. Curated public databases assemble a wealth of patient-based sequencing data, genetic and phenotype information, and more. These data enable analyses of the intersection of diseases with related phenotypes and developmental similarities, such as LPM-centered anomalies. The developmental function of gene loss or gain of function, polymorphisms and other genetic changes are then testable in model systems, such as animal models that carry orthologs of human disease-associated human genes or patient-derived in vitro models. CPF, cardiopharyngeal field; LPM, lateral plate mesoderm; MARRVEL, Model organism Aggregated Resources for Rare Variant ExpLoration; OMIM, Online Mendelian Inheritance in Man.
В целом, LPM содержит популяции предшественников для множества органов, что дает возможность связать нарушения в общих предшественниках с причинностью врожденных дефектов, затрагивающих два или более органов, полученных из LPM (Gays et al., 2017; Nishimoto and Logan, 2016; Prummel et al., 2019, 2020, 2022; Tanaka, 2016). Тем не менее, LPM не имеет единого клонального происхождения, и основные предшественники органов разделяются уже во время гаструляции. Следовательно, альтернативные механизмы, способствующие развитию сопутствующих заболеваний, могут включать в себя нарушения расположения предшественников органов, сигнальные взаимодействия и общую экспрессию генов в доменах LPM В данном обзоре мы рассматриваем заболевания, затрагивающие LPM как те, которые затрагивают два или более органов или типов клеток, имеющих происхождение из LPM и/или имеющих общие профили экспрессии генов, ориентированные на LPM Особенности развития и эволюции LPM подчеркивают, как мутации в генах, затрагивающих общие предшественники или общие регуляторные механизмы, могут вызывать синдромные дефекты со сложными сопутствующими заболеваниями в, казалось бы, несвязанных системах органов.
Syndromes with joint heart and limb anomalies
Одновременные аномалии сердца и верхних конечностей встречаются в нескольких врожденных синдромах человека (рис. 2). Пораженные пациенты имеют общие клинические проявления, которые различаются по фенотипической выраженности и описываются под общим термином синдромы "сердце-рука" или "верхние конечности-сердечно-сосудистые синдромы". Хотя генетические основы некоторых из этих заболеваний были раскрыты (табл. 1, вставка 2), многие из них остаются без установленной генетической причины (табл. 2). Эти синдромы часто проявляются дополнительными респираторными, эндокринными, метаболическими, кроветворными или неврологическими симптомами, которые по клинической значимости могут преобладать над фенотипами сердца и рук, включая симптомы, возникающие как осложнения первичных пороков сердца (Metra et al., 2011; Tamari and Goodman, 1974) (таблицы 1 и 2).
Box 2.
OMIM for diseases mentioned throughout the text resulting in a comparison table
В
таблице на портале OMIM обобщены гены-возбудители и молекулярные основы синдрома, а также схема наследования, если она известна, и несколько классов фенотипов. Эта таблица была создана с помощью поискового запроса, подробно описанного в
дополнительной информации.
Синдром Хольта-Орама является прототипическим синдромом "сердце-рука". Он проявляется в виде аутосомно-доминантных аномалий верхних (передних) конечностей и плечевого пояса со спектром врожденных пороков сердца [Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM) #142900] (Hurst et al., 1991; Temtamy, 1985). Наиболее часто при синдроме Хольта-Орама встречаются трехфаланговые большие пальцы и дефекты межпредсердной перегородки сердца, хотя тяжесть дефектов конечностей и сердца варьируется в широких пределах. В 1997 году две отдельные группы подтвердили, что мутации в TBX5 являются причиной синдрома Хольта-Орама, что привело к предсказанным случаям гаплонедостаточности (Basson et al., 1997; Yi et al., 1997). С тех пор как мутации TBX5 были связаны с синдромом, у пациентов, страдающих этим заболеванием, было обнаружено все большее количество вариантов аллелей TBX5. Мутации с потерей функции или большие делеции TBX5 вызывают наиболее тяжелые фенотипы (Basson et al., 1997; Gruenauer-Kloevekorn and Froster, 2003) (Borozdin et al., 2006). Миссенс-варианты могут вызывать различные фенотипы в зависимости от положения мутации (Yang et al., 2000). Синдромические фенотипы человека воспроизводятся в рецессивных моделях мышей с потерей функции Tbx5 (Bruneau et al., 2001; Rallis et al., 2003), а мутанты и морфанты tbx5a рыбок данио имеют сопутствующие аномалии сердца и грудных плавников (рис. 2, табл. 3) (Ahn et al., 2002; Garrity et al., 2002). Отдельные предполагаемые аллели TBX5 с усиленной функцией вызывают атипичный синдром Хольта-Орама с легкими дефектами скелета и пароксизмальной фибрилляцией предсердий (Postma et al., 2008). Дупликация размером 48 кб, охватывающая экзоны TBX5 со 2 по 9, связана с легкими дефектами конечностей и несептальными пороками сердца (Patel et al., 2012).
Таблица 3
Потеря паралога Tbx5 Tbx4 у мышей (Naiche and Papaioannou, 2003; Rodriguez-Esteban et al., 1999) и tbx4 у рыбок данио (Don et al., 2016) приводит к отсутствию задних конечностей или тазового плавника (рис. 2, табл. 3), хотя мутантные мыши не выживают на эмбриональных стадиях из-за фатальной легочной недостаточности (Arora et al., 2012) (табл. 3). Эта комбинация фенотипов развития связана с экспрессией Tbx4 в зародыше в задней конечности, а также в будущем мезотелии легких, который, вероятно, имеет происхождение LPM. Любопытно, что доминантные нарушения TBX4 у человека в основном вызывают сердечно-легочные дефекты, включая легочную артериальную гипертензию и незакрытый артериальный проток, при которых легочный контур не успевает перестроиться в функциональную единицу до рождения (D'Alto and Mahadevan, 2012; Haarman et al., 2019; Haarman et al., 2020; Karolak et al., 2023; Welch and Chung, 2020; Yarboro et al., 2022). Пациенты с гетерозиготными вариантами TBX4 имеют легкие аномалии конечностей, затрагивающие надколенник или суставы (Haarman et al., 2019, 2020; Karolak et al., 2023). Примечательно, что человеческие фенотипы, затрагивающие задние конечности, отличаются от фенотипов, возникающих в моделях потери функции у мышей, которые, по-видимому, обусловлены возможной видоспецифической частичной компенсацией Tbx4 с помощью Pitx1 и функцией Isl1/Ldb в развитии задних конечностей у мышей (Duboc et al., 2021; Itou et al., 2012; Narkis et al., 2012) (рис. 2).
Мутации в HAND1 и HAND2 были связаны с аномалиями сердца, такими как тетрада Фалло, гипопластический левый желудочек и другими (Lu et al., 2016; Reamon-Buettner et al., 2008, 2009). Эти транскрипционные факторы с основной спиралью-петлей-спиралью (bHLH) имеют широкую экспрессию в раннем LPM и в последующих сердечных, глоточных дугах, конечностях и мезотелиальных предшественниках (Charite' et al., 2000; Gibert et al., 2006; Prummel et al., 2022). Hand1 и Hand2 обладают уникальными, а также избыточными функциями в формировании сердца и конечностей у мышей, контролируя формирование эпителия, состав внеклеточного матрикса, миграцию клеток и экспрессию генов нижележащих транскрипционных факторов (Barnes and Firulli, 2009; Barnes et al., 2010; Conway et al., 2010; Firulli et al., 1998, 2010).
Любопытно, что рыбки данио сохранили в своем геноме только hand2, а у мутантов hand2 развиваются дефекты сердца и ветвей дуги, гипопластические грудные плавники и уменьшенный мезотелий, что приводит к образованию грыж (Garavito-Aguilar et al., 2010; Hu et al., 2011; Perens et al., 2016; Prummel et al., 2022; Yelon and Stainier, 2005; Yelon et al., 2000). По сравнению с генами, кодирующими другие сердечные транскрипционные факторы, HAND1/2, по-видимому, реже мутируют при врожденных заболеваниях, возможно, из-за их частичной избыточности и способности компенсировать друг друга при нарушении (Barnes et al., 2011; Charite' et al., 2000; McFadden et al., 2005). Примечательно, что частичная трисомия дистальной хромосомы 4q (4q+; ссылка на OMIM отсутствует), которая содержит локус HAND2, связана с дефектами сердца, пальцев, почек и черепно-лицевой области, что указывает на более широкое нарушение LPM во время развития (Battaglia et al., 2005; Lundin et al., 2002; Lurie, 2005). Элегантные исследования связали дозировку Hand2 у мышей с фенотипами развития, которые повторяют основные аспекты человеческого синдрома 4q+ (Таблица 3) (Tamura et al., 2013). Вместе эти общие факторы транскрипции сердца и конечностей дают наглядные примеры сопутствующих заболеваний на основе LPM
Congenital craniofacial anomalies with cardiac comorbidities
Синдромы "сердце-руки" характеризуются очевидными сопутствующими заболеваниями, связанными с LPM однако дополнительные синдромы с поражением сердца и сложными сопутствующими заболеваниями, похоже, также находятся под влиянием общих предшественников LPM и/или общих генетических программ (рис. 1 и 2, табл. 1 и 2, вставка 2). Синдром Ди Джорджа (OMIM #188400) вызывается аутосомно-доминантной делецией 22q11.2 (Wilson et al., 1993). Наиболее характерными симптомами синдрома Ди Джорджа являются гипокальциемия вследствие гипоплазии паращитовидных желез, гипоплазия тимуса и дефицит Т-клеток, подслизистая расщелина неба и дефекты отводящих путей сердца. Пациенты с делецией 22q11.2 могут также иметь различные черепно-лицевые дефекты, включающие состояния, известные как синдром Shprintzen (velocardiofacial) или синдром Такао, связанные с дисфагией и широким спектром пороков сердца (Karpinski et al., 2022; Motahari et al., 2019; Shprintzen, 1994; Yagi et al., 2003; Yamagishi et al., 2016). Тем не менее, 22q11.2 содержит несколько генов и пока еще неполно описанных регуляторные элементы (Fernandez et al., 2005; Saitta et al., 2004), и ни один ген не связан с полным спектром фенотипа. Следовательно, синдром Ди Джорджа может включать в себя несколько синдромов, вызванных отдельными генами в локусе 22q11.2 (Burn, 1999; Wilson et al., 1993).
Основные фенотипы синдрома Ди Джорджа потенциально могут быть объяснены гаплонедостаточностью TBX1, а другие симптомы объясняются кумулятивным эффектом от потери других генов 22q11.2 (Jerome and Papaioannou, 2001; Lindsay et al., 2001; Paylor et al., 2006; Yagi et al., 2003). Примечательно, что пациенты с точечными мутациями в TBX1 демонстрируют характерные фенотипы пациентов с делецией 22q11.2 (Yagi et al., 2003), хотя у них не развивается полный спектр синдрома Ди Джорджа. У мышей, гемизиготных по высоко консервативной области 22q11.2, наблюдаются легкие дефекты оттока сердца, как и у гетерозиготных мутантных мышей Tbx1 (Lindsay et al., 1999, 2001). Гомозиготные Tbx1 мутантные мыши (Jerome and Papaioannou, 2001; Merscher et al., 2001) и tbx1 мутантные рыбки данио (van gogh, vgo) (Piotrowski et al., 2003) воспроизводят основные структурные дефекты, наблюдаемые у пациентов с тяжелым синдромом Ди Джорджа, включая дефекты сердца, тимуса и черепно-лицевой области (Таблица 3), но не воспроизводят все аспекты синдрома Ди Джорджа человека. Примечательно, что характер экспрессии Tbx1 не является специфичным для одной линии или LPM а скорее представляет собой смесь различных типов клеток передней/задней части тела, включая LPM, нервный гребень и дополнительную мезодерму головы, что ожидает точного определения. Следовательно, распутывание индивидуального вклада функции Tbx1 в отдельных типах клеток, а также в перекрестном взаимодействии клеток в структурах головы и сердца остается актуальной задачей в данной области.
Кроме того, у пациентов с атипичными микроделециями 22q11.2, которые не затрагивают TBX1, по-прежнему наблюдаются черепно-лицевые и сердечные дефекты, а также велофарингеальная недостаточность (Shi and Wang, 2018; Verhagen et al., 2012). Одна из возможностей заключается в том, что у этих пациентов отсутствуют цис-действующие регуляторные элементы, необходимые для модуляции экспрессии TBX1; в качестве альтернативы делеция CRKL, другого гена 22q11.2, который также был связан с черепно-лицевыми и сердечными аномалиями в мышиных моделях (Guris et al., 2001, 2006; Motahari et al., 2019; Verhagen et al., 2012), вызывает черепно-лицевые и сердечные дефекты синдрома Ди Джорджа. Кроме того, модифицирующие аллели за пределами микроделеции 22q11.2 могут взаимодействовать с TBX1, создавая уникальные, нетипичные фенотипические проявления (Aggarwal and Morrow, 2008). Хотя синдром Ди Джорджа сложен и не до конца изучен, он служит ярким примером сложного взаимодействия клеточных линий, связанных с развитием сердца в LPM и за его пределами.
Hematological disorders with complex comorbidities
Некоторые заболевания с преобладанием кроветворных органов сопровождаются, казалось бы, не связанными с ними структурными нарушениями (таблицы 1 и 2, вставка 2). Классическим примером является синдром тромбоцитопении с отсутствием радиуса (TAR) (OMIM #274000), редкое врожденное заболевание, встречающееся менее чем у 1:100 000 живорожденных. В своем наиболее избирательном проявлении синдром TAR характеризуется резко сниженным количеством тромбоцито-образующих мегакариоцитов (менее 30х109 тромбоцитов/л крови), что коррелирует с гипомегакариоцитарной тромбоцитопенией, и отсутствием лучевой кости (Bonsi et al., 2009; Greenhalgh, 2002; Hall et al., 1969; Klopocki et al., 2007; Petit and Boussion, 2022; Thompson et al., 2001). Дефект свертывания крови, который может быть преходящим, наблюдается во всех случаях и более чем у 90% пациентов проявляется как симптоматика в течение первых 4 месяцев жизни (Hall et al., 1969). Любопытно, что дефект коагуляции разрешается с увеличением возраста, но необходимо выяснить, связано ли это с миграцией гемопоэтических предшественников из печени плода в костный мозг плода. Не-гематопоэтические синдромальные фенотипы имеют различную выраженность, от легких проблем с суставами до отсутствия лучевой кости, а у некоторых пациентов с синдромом TAR также наблюдаются различные аномалии сердца и почек, непереносимость коровьего молока, проявляющаяся в виде постоянной диареи и неспособности к процветанию, и может наблюдаться обострение тромбоцитопении (Whitfield and Barr, 1976) в более позднем возрасте. Реже у пациентов наблюдаются легкие черепно-лицевые аномалии. Генетически синдром TAR связан с гетерозиготной микроделецией 1q21.1, удаляющей по меньшей мере десять генов, включая ген, кодирующий фактор комплекса соединения экзонов RBM8A/Y14, который повсеместно участвует в регуляции сплайсинга мРНК, нонсенс-опосредованного распада и локализации мРНК (Gehring et al., 2005; Klopocki et al., 2007; Palacios et al., 2004). Предполагается, что гипоморфное нарушение RBM8A вызывает синдром TAR, поскольку микроделеция 1q21.1 в сочетании с предполагаемым гипоморфным аллелем RBM8A/Y14 была обнаружена у большинства секвенированных пациентов (Albers et al., 2012, 2013). Однако механистическая связь между гипоморфным RBM8A и особым сочетанием фенотипов при синдроме TAR до сих пор не выяснена. Примечательно, что синдром TAR затрагивает преимущественно линии клеток, производных LPM, в крови, скелете передних конечностей, сердце и почках. Рассмотрение синдрома TAR как LPM-ассоциированной патологии может обеспечить основу для изучения его механистических основ (Kocere et al., препринт 2023) (рис. 1 и 3).
Другой сверхредкий синдром, аутосомно-доминантный лучелоктевой синостоз с амегакариоцитарной тромбоцитопенией (RUSAT1; OMIM #605432), характеризуется тяжелыми дефектами коагуляции и ограничением пронации-супинации предплечья (Thompson and Nguyen, 2000; Thompson et al., 2001). Сообщалось, что две семьи, страдающие RUSAT1, несут мутации в HOXA11, гене Hox, участвующем в региональном формировании костей, мышц и сухожилий (Hawkins et al., 2021; Swinehart et al., 2013); каким образом пертурбация HOXA11 вызывает дефекты кроветворения, остается неизвестным. Напротив, другие случаи RUSAT1 были связаны с мутациями в локусе MECOM, который охватывает гены MDS1 и EVI1 (Niihori et al., 2015); транскрипционный фактор EVI1 широко контролирует гены клеточного цикла и динамически экспрессируется в различных тканях, включая формирующиеся конечности (Bard-Chapeau et al., 2012; Cela' et al., 2013; Li et al., 2022; Nucifora, 1997). Примечательно, что Evi1 является upstream-регулятором гемопоэтических транскрипционных факторов, включая регулятор мегакариоцитов-эритроцитов Gfi1 (Ayoub et al., 2018; Chiba et al., 2020; Konantz et al., 2016).
Помимо TAR и RUSAT1, сообщалось о других редких нарушениях кроветворения с сопутствующими аномалиями конечностей. У людей с анемией Фанкони (OMIM #609054) могут наблюдаться аномалии конечностей, такие как односторонние лучевые аномалии, включающие дублированные большие пальцы (Bhandari et al., 2022; Tischkowitz and Hodgson, 2003). Другие примеры включают синдром "конечность-кровь" WT (OMIM #194350) (Gonzalez et al., 1977), анемию Даймонда-Блэкфана 3 (OMIM #610629) (Gazda et al., 2006; Landowski et al., 2013) и врожденную гемидисплазию с ихтиозиформной эритродермией и дефектами конечностей (OMIM #308050) (Happle et al., 1996). Примечательно, что TAR, анемия Фанкони и анемия Даймонда-Блэкфана, по-видимому, вызваны мутациями в повсеместно распространенных регуляторных факторах, что позволяет предположить раннюю восприимчивость развития к уровню их активности, которую еще предстоит выяснить. Тем не менее, является ли корнем этих синдромных фенотипов более ранний фенотип LPM, остается неясным, однако это предоставляет рабочую гипотезу для изучения их эмбрионального происхождения.
Orphan diseases with potential LPM connections
В приведенных выше примерах мы изложили обоснование для рассмотрения общего происхождения LPM для синдромальных врожденных сердечно-сосудистых заболеваний как части сложных синдромов с сопутствующими заболеваниями, влияющими на связанные с LPM структуры. Концептуальные рамки, позволяющие связать синдромные фенотипы с общей основой развития, распространяются на связь структурных врожденных дефектов с воздействием на плод факторов окружающей среды, таких как тератогенные соединения (вставка 3). В конечном итоге, объединение синдромов с похожими фенотипами через общие молекулярные пути или процессы развития может пролить свет на сиротские заболевания с пока неизвестными причинами и, порой, без четких всеобъемлющих диагнозов. Сиротские заболевания (Таблица 2, вставка 2) остаются недостаточно изученными, поскольку они встречаются крайне редко, иногда поражают отдельные семьи или, наоборот, могут иметь сложное полигенное происхождение (Chen and Altman, 2017).
Вставка 3.Влияние окружающей среды на развитие сердца и передних конечностей
Помимо синдромов с прослеживаемой генетической основой, понимание программ развития и генетики помогает объяснить последствия воздействия тератогенных агентов. Наиболее известным примером является синдром талидомида или эмбриопатия, связанная с использованием талидомида (также известного как фталимидоглутаримид) для лечения утренней тошноты при беременности (Donovan et al., 2018; Kim and Scialli, 2011; Rehman et al., 2011; Somers, 1960; Vargesson, 2015), которая затронула тысячи беременностей в конце 1950-х годов. Младенцы рождались с тяжелыми дефектами конечностей (фокомелия), деформациями глаз и ушей, а также врожденными пороками сердца, в зависимости от срока беременности и продолжительности лечения (Donovan et al., 2018; Vargesson, 2015). Теперь мы знаем, что синдром талидомида вызывается деградацией нескольких транскрипционных факторов с цинковыми пальчиками, включая SALL4 (Donovan et al., 2018). В соответствии с этим открытием, синдром талидомида фенокопирует синдром Duane-radial ray (также называемый синдромом Окихиро; OMIM #607323), который вызывается мутациями в SALL4 (Asakawa and Kawakami, 2018; Cox et al., 2002; Kohlhase et al., 2005).
При формировании сердца и передних конечностей у мышей Tbx5 регулирует экспрессию Sall4 и для правильного формирования сердца и конечностей необходимы скоординированные положительные и отрицательные обратные связи между этими двумя транскрипционными факторами (Koshiba-Takeuchi et al., 2006). Эта взаимосвязь на молекулярном уровне объясняет общие фенотипы пациентов с синдромами Дуане-радиального луча/Окихиро и талидомида. Вместе с фенотипами синдрома Хольта-Орама они отражают раннее развитие связи сердца и передних конечностей в LPM
Другие примеры эмбриопатий, связанных с воздействием тератогенных агентов на плод, включают литий-ассоциированные врожденные пороки сердца и фетальный ретиноидный синдром. Поскольку передача сигналов ретиноивой кислоты участвует в формировании второго поля сердца, нарушения в этом пути вызывают пороки сердца. Наиболее распространенной причиной ретиноидного синдрома плода является воздействие изотретиноина, ретиноида, получаемого из витамина А, который используется для лечения кистозных угрей. Анализ 154 пациентов с воздействием изотретиноина на плод показал, что риск развития эмбриопатии составляет 35%, если изотретиноин принимается после 15-го дня после зачатия (Lammer et al., 2010; Mondal et al., 2017). Врожденные аномалии, связанные с воздействием изотретиноина, включают черепно-лицевые и сердечные дефекты, а также изменения в развитии центральной нервной системы и тимические пороки (Lammer et al., 2010; Mondal et al., 2017). Механистически изотретиноин усиливает апоптоз в клетках черепного нервного гребня вследствие активации FoxO3a (FOXO3) и TRAIL (TNFSF10) (Draghici et al., 2021; Ej, 1992; Gudas and Wagner, 2011; Niederreither et al., 2001). Необходимы дальнейшие исследования для выяснения дополнительных сигнальных игроков в дефектах сердца и нервного гребня, вызванных изотретиноином во время развития плода, и того, как LPM поражается при этих синдромах.
Работа, проведенная на цыпленке, документально подтвердила взаимодействие и поэтапное разделение между гладкими мышцами, кровеносными и эндотелиальными предшественниками под влиянием Hand2, Wnt, Bmp и Notch (Shin et al., 2009). Еще одним подтверждением неавтономного перекрестного взаимодействия между полосами является то, что потеря Hand2 у рыбок данио нарушает баланс между эндотелиальными предшественниками и формированием почек (Perens et al., 2016, 2021). Последующий кровоток оказывает большое влияние на ремоделирование тканей и даже на появление ключевых клеточных фаций, поскольку после начала циркуляции механические силы влияют на отпочковывание дефинитивных гемопоэтических стволовых клеток-предшественников, экспрессирующих Runx1, от вентральной стенки дорсальной аорты (Boisset et al, 2010; Downing et al., 1993; Kissa and Herbomel, 2010; Lancino et al., 2018; Müller et al., 1994; North et al., 2009; Traver et al., 2003).
Синдром Холта-Орама и синдром Дуане-радиального луча, которые мы рассматриваем во вставке 3, имеют схожие фенотипы, обусловленные генетическими нарушениями в общем молекулярном пути (Harvey and Logan, 2006): Tbx5 действует непосредственно перед Sall4 во время развития сердца и придатков у мышей (Koshiba-Takeuchi et al., 2006) и у рыбок данио (Harvey and Logan, 2006). Другие синдромы руки-сердца могут быть результатом нарушения развития тех же или взаимодействующих путей и популяций клеток-предшественников, которые они контролируют. Синдром "сердце-руки" типа 3 (также известный как испанский тип; OMIM #140450) характеризуется характерными деформациями верхних конечностей и врожденными пороками сердца. Это заболевание, поражающее трех человек из одной испанской семьи, до настоящего времени не имеет причинного гена (Ruiz de la Fuente and Prieto, 1980). Другие сиротские заболевания, которые проявляются в основном как врожденные пороки сердца и конечностей, включают синдром незаращения артериального протока и двустворчатого аортального клапана с аномалиями рук (OMIM #604381) (Gelb et al., 1999) и синдром брахидактилии длинных пальцев (OMIM #112430) (Gelb et al., 1999; Hollister and Hollister, 1981) (Таблица 2). Несмотря на перекрывающиеся фенотипы, общая клетка-предшественник или генетическое происхождение этих сиротских заболеваний не установлены. Поэтому изучение возможных нарушений TBX5, SALL4 и других факторов транскрипции сердца/передней конечности в мезодерме сердца и конечностей, полученной из LPM, требует дальнейшего рассмотрения (Fan et al., 2009; Harvey and Logan, 2006; Koshiba-Takeuchi et al., 2006).
Многочисленные сиротские заболевания, не относящиеся к синдромам "сердце-рука", характеризуются симптомами, затрагивающими органы или ткани, производные LPM Примерами являются ранее упомянутый синдром конечности-кровь WT, при котором у пациентов наблюдаются дефекты эндотелия, конечностей и черепно-лицевой области (Gonzalez et al., 1977), и торакоабдоминальный синдром (OMIM #313850), при котором поражаются черепно-лицевые и шейные структуры, сердце, кровь и почки (Carmi et al., 1990; Gonzalez et al., 1977). Эти явно сложные фенотипы могут быть результатом ранних нарушений в формировании LPM но также могут быть результатом более плейотропных проблем развития. Рассмотрение совместного происхождения LPM различных пораженных органов в качестве трафарета развития для сужения возможных общих причин может продвинуть исследование мутаций, лежащих в основе этих сиротских заболеваний. Хотя сиротские заболевания встречаются крайне редко, в совокупности пациенты, страдающие ими, составляют большой процент генетических заболеваний и заслуживают диагностических и терапевтических исследований (Orphanet).
Connecting and testing mechanisms of syndromic diseases using animal models
Как было сказано выше, ген, связанный с заболеванием LPM может экспрессироваться в нескольких наборах органов. Это основано на связи между линиями или кооптации механизмов регуляции генов во время развития органов в различных типах клеток (McQueen and Rebeiz, 2020; Monteiro, 2012; Olson, 2006; Shubin et al., 2009). На протяжении всего обзора мы подчеркивали, как модельные организмы внесли фундаментальный вклад в наше понимание врожденных пороков развития, онтологии генов и биологических механизмов (рис. 3, табл. 3). Например, представление о том, что при синдроме Ди Джорджа поражаются мышцы головы и шеи, а также сердце, указывает на то, что они возникают из Tbx1-экспрессирующего CPF (Diogo et al., 2015; Greulich et al., 2011; Lescroart et al., 2015; Swedlund and Lescroart, 2019). Эксперименты по прослеживанию клонов позволили получить убедительные доказательства общего клонального происхождения линий сердечной и головной мышц (Diogo et al., 2015; Lescroart et al., 2010, 2015; Mahadevan et al., 2004; Meilhac et al., 2004). Следовательно, мутации в недифференцированных ранних предшественниках CPF, такие как мутации в TBX1, потенциально могут влиять на все последующие клоны. Однако, как Tbx1 регулируется в CPF и использует ли его последующая экспрессия в различных мышечных линиях общие или дивергентные механизмы в каждой линии, еще предстоит выяснить.
TBX5, являющийся причинным геном синдрома Хольта-Орама, представляет собой еще один мощный пример совместной экспрессии в различных потомках LPM Рецессивный мутант рыбок данио heartstrings несет мутантный аллель tbx5a (Garrity et al., 2002). Мутанты heartstrings, как и морфанты tbx5a, демонстрируют дефекты сердца и грудных плавников, повторяя фенотипы Tbx5 мутанта мыши и синдрома человека Хольт-Орама (Ahn et al., 2002; Garrity et al., 2002) (Таблица 3). Исследования мутантов и морфантов tbx5a у рыбок данио позволили по-новому взглянуть на то, как Tbx5 вносит вклад в лево-правую латеральность, сердечную петлю и проводимость миокарда (Boyle Anderson and Ho, 2018; Mao et al., 2015; Mao et al., 2021; Mosimann et al., 2015; Parrie et al., 2013). Эти сведения дают базовые представления о сердечных проявлениях, которые могут возникнуть у пациентов, несущих варианты гена TBX5. Мыши, гетерозиготные по делеции Tbx5 (Tbx5del/+), повторяют признаки человеческого синдрома с врожденными пороками передних конечностей и сердца, в то время как мыши с гомозиготными делециями (Tbx5del/del) являются эмбрионально летальными (Bruneau et al., 2001; Mori and Bruneau, 2004; Zhou et al., 2005). Механистическая работа показала, что Tbx5 и Nk2.5 синергически взаимодействуют, способствуя экспрессии белка gap junction (щелевых соединений) Cx40 (Gja5), снижение уровня которого, как предполагается, способствует аномалиям сердца при синдроме Холта-Орама (Bruneau et al., 2001; Zhou et al., 2005). В конечностях отсутствие Tbx5 нарушает сигнальную петлю Fgf10-Fgf8, которая имеет решающее значение для роста почек конечностей (Agarwal et al., 2003; Arora et al., 2012; Minguillon et al., 2012). Однако, как мы обсуждали ранее, вопрос о том, отражает ли активность Tbx5 в предшественниках сердца и передней конечности совместное клональное происхождение LPM предшественников этих органов, или же экспрессия и функция Tbx5 кооптируется предшественниками передней конечности в результате отдельного генно-регуляторного события, остается нерешенным. Локус Tbx5 мыши содержит несколько регуляторных элементов, включая специальный энхансер передней конечности (Cunningham et al., 2018; Minguillon et al., 2012) и несколько энхансеров сердца (Richter et al., 2020; Smemo et al., 2012); еще больше регуляторных элементов (и их контроль сверху) ожидают своего открытия (Bickley and Logan, 2014; Bruneau et al., 1999). Аналогичным образом, мутанты рыбок данио Hand2 и мыши Hand2 позволили получить ключевые сведения о механизмах развития сердца, конечностей и других органов LPM под влиянием этого глубоко консервативного транскрипционного фактора (Barnes et al., 2011; Firulli et al., 1998; George et al., 2022; Hashimoto et al., 2019; Keegan et al., 2005; Laurent et al., 2017; McFadden et al., 2005; Osterwalder et al., 2014; Perens et al., 2016; Prummel et al., 2022; Vincentz et al., 2021; Yamagishi et al., 2000; Yelon and Stainier, 2005). Предшествующая регуляция Hand2 у мыши и рыбок данио, помимо глоточной дуги (Charite' et al., 2001; Ikle' et al., 2012), остается совершенно не изученной, поскольку регуляторные элементы для широкой ранней экспрессии LPM или для активности сердца и конечностей/пекторальных плавников до сих пор не идентифицированы.
Развитие нескольких линий также может происходить взаимосвязано, и изменение одной из них может иметь последствия для другой. Помимо Tbx5, сердце и грудной плавник/передняя конечность также представляют собой пример межорганных сигнальных взаимодействий во время развития. При отсутствии сигнала ретиноевой кислоты в проспективном поле грудного плавника/передней конечности, в поле сердца увеличивается число клеток (Cunningham and Duester, 2015; Duong et al., 2021; Gibert et al., 2006; Zhao et al., 2009). Это взаимодействие может отражать эволюционную связь между сердцем и передней конечностью, причем модели предполагают, что отграничение поля сердца было необходимым условием для эволюции парных придатков (Tanaka, 2013, 2016). Помимо воздействия на развитие, связанного с нарушением сигнализации ретиноевой кислоты и ее регуляции, первостепенное значение имеет предотвращение воздействия аналогов ретиноевой кислоты на эмбрион или плод (вставка 3) (Cunningham and Duester, 2015; Duester, 2008; Lammer et al., 2010; Mondal et al., 2017; Niederreither et al., 2001). В формирующемся туловище почки, кроветворные и эндотелиальные предшественники формируются в непосредственной близости в задней части LPM и находятся под влиянием сигнальных взаимодействий, включающих самые латеральные мезотелиальные предшественники (рис. 1) (Chapman, 2019; Cheng et al., 2015; Dressler, 2009; Fleming et al., 2013; Perens et al., 2016; Shin et al., 2009; Wingert and Davidson, 2008). Следовательно, нарушения этих взаимодействий в процессе развития могут привести к мультиорганным дефектам, которые проявляются в виде сложных синдромных фенотипов.
Хотя работа на животных моделях позволила выявить причины и последствия врожденных аномалий сердца и их сопутствующих заболеваний, животные модели также подчеркивают межвидовые различия в генетической восприимчивости к структурным нарушениям сердца. У людей большинство пациентов с генетическими врожденными пороками сердца несут гетерозиготные мутации (Richards and Garg, 2010; Andersen et al., 2014; Nees and Chung, 2020; Pierpont et al., 2018; Williams et al., 2019; Yasuhara and Garg, 2021). Напротив, в моделях этих заболеваний у мышей и рыбок данио для проявления фенотипа часто требуется биаллельная потеря функции ортологичного гена (генов), как это зафиксировано для мутаций в Tbx5, Hand2, Sall4, членов семейства Gata и других (Bruneau et al., 2001; Garrity et al., 2002; Granados-Riveron et al., 2012; Harvey and Logan, 2006; Yelon et al., 2000) (рис. 3, табл. 3). Помимо полной потери функции, многочисленные мутации, выявленные у пациентов, приводят к аминокислотным заменам или изменениям сплайсинга и регуляции, оказывая более тонкое воздействие на функцию гена. Поэтому для адекватного моделирования конкретного синдрома или когорты пациентов может потребоваться воспроизведение точной мутации, полученной от пациента (Albadri et al., 2017; Kimura et al., 2014; Prykhozhij et al., 2018). Эти нюансы не снижают достоверность моделей животных, а выявляют критические роли дозировки генов или компенсаторных генетических механизмов, которые ждут дальнейшего выяснения (Rossi et al., 2015; Sztal and Stainier, 2020).
В целом, LPM обеспечивает концептуальную основу для связи, казалось бы, разрозненных фенотипов заболеваний, либо благодаря общему клональному происхождению, тесной связи линий в процессе развития, либо общей экспрессии регуляторных генов среди предшественников. Учет развития и молекулярных связей между клетками и органами имеет огромный потенциал в направлении диагностики для выявления возможных и вероятных сопутствующих заболеваний, избежания потенциально неполных диагнозов и облегчения разработки комплексных стратегий лечения.
Outlook
Секвенирование следующего поколения позволило получить принципиально новые сведения о мутациях и вариантах генов, связанных с нарушениями развития, и активизировать исследования ассоциаций для поиска локусов предрасположенности к заболеваниям (Austin-Tse et al., 2022; Lightbody et al., 2019; Morash et al., 2018; Yang and Kim, 2018). Несколько общедоступных баз данных собирают информацию о генетике заболеваний, например, Monarch Initiative и OMIM (McMurry et al., 2016; Shefchek et al., 2020; Motulsky, 1993) (рис. 3). Несмотря на то, что они обладают огромным потенциалом в агрегировании разнообразных данных клинических и функциональных исследований, любые развивающие или механистические связи для ассоциированных с LPM заболеваний, такие как совместное происхождение из LPM пораженных органов, остается определить пользователю базы данных. Кроме того, на функциональные или причинные выводы на основе отдельных мутаций или генетических вариаций в значительной степени влияет понимание, полученное в исследованиях модельных организмов (Alghamdi et al., 2022), в частности, оценка фенотипического влияния нарушений отдельных генов на структурные врожденные дефекты. Поскольку почти все ортологи и паралоги генов человека не были функционально протестированы в модельных организмах развития (Таблица 3, вставка 2), сообщество по-прежнему сталкивается с пробелом в знаниях онтологии генов, что ограничивает предсказание признаков заболеваний на основе последовательности. CRISPR-опосредованный мутагенез для базового функционального тестирования генов-кандидатов возможен путем микроинъекции у рыбок данио и Xenopus: эти CRISPR-индуцированные соматические мутанты, так называемые криспанты (crispants) (Burger et al., 2016), могут повторять основные аспекты функции гена-кандидата. Тем не менее, несмотря на то, что криспанты представляют собой мощный инструмент для первых функциональных открытий до исследований нокаутов на мышах, они требуют строгого контроля и оценки зародышевых мутантов у видов, которые позволяют использовать этот рабочий процесс (Burger et al., 2016; Naert and Vleminckx, 2018; Shah et al., 2015; Trubiroha et al., 2018; Wu et al., 2018) (рис. 3).
Отсутствие интерфейсов, связывающих генетические данные пациентов с функциональным наблюдением in vivo, например, отсутствие межвидовой интеграции с моделями животных в отдельных базах данных, остается ключевым пробелом. На сайте Model organism Aggregated Resources for Rare Variant ExpLoration (MARRVEL) собраны доступные ресурсы модельных организмов для генов, связанных с заболеваниями человека, что является мощным ресурсом для преодоления этого пробела (Wang et al., 2017a). Дополнительная информация, такая как геномные координаты или связь с базами данных, отображающими не-кодирующие особенности генома, может значительно расширить данные о последовательностях, полученных от пациентов. Кроме того, различные версии сборки генома человека, используемые в отдельных базах данных, затрудняют сравнение. Хотя отдельные гены, представляющие интерес, могут быть перекрестно сопоставлены вручную, систематическое составление списков генов-кандидатов для проверки на модельных организмах остается трудоемким и малодоступным. Расширение баз данных для экспериментальной проверки мутаций, вариантов и обнаружения причинного гена в целом обеспечит плодородную почву для сотрудничества между клиницистами, биоинформатиками и биологами развития, чтобы ускорить исследования редких нарушений LPM как мы начали определять в этом обзоре, и не только.
В конечном итоге, основным препятствием для диагностики и полноценного лечения синдромных врожденных аномалий остается сложность фенотипов человека, таких как нарушения сердечно-сосудистой системы. Пациенты с заболеванием, поражающим конкретный орган, часто нуждаются в высокоспециализированном уходе. Проведение полной диагностической оценки фенотипа потенциально десятков симптомов в многочисленных органах часто невозможно по причинам, связанным со временем, финансами, технологиями или отсутствием согласия. Тем не менее, понимание биологии, лежащей в основе сопутствующих заболеваний, связанных с синдромами врожденных болезней, может улучшить долгосрочный уход и, следовательно, качество жизни пациентов. Прогнозирование или предвидение значимых для ухода врожденных фенотипов, которые могут сопутствовать друг другу, на основе эмбриональных связей, полученных из биологии развития, является лишь отправной точкой на пути к этой цели.
Эта статья является частью сборника "Переход от сердечной недостаточности к сердечному успеху: Механизмы, регенерация и терапия". См. соответствующие статьи в этом сборнике на сайте https://journals.biologists.com/collection/8169/Moving-Heart-Failure-to-Heart-Success.