Ανίχνευση μεταλλάξεων στο γονίδιο FGFR 1, στο γονίδιο GPR54, και στο γονίδιο της prokineticin 2 και του υποδεχέα της prokineticin receptor 2 σε ασθενείς με ανεπάρκεια GnRH (ιδιοπαθή υπογοναδοτροφικό υπογοναδισμό και σύνδρομο kallmann) και διερεύνηση της παρουσίας μεταλλαγών στο γονίδιο KaL1 σε ασθενείς με αγενεσία/δυσγενεσία νεφρού

Abstract

Background: Isolated GnRH deficiency (IGD) is characterized by afunctional deficit of GnRH production or secretion in the hypothalamusresulting in the loss of pulsatile secretion of GnRH and in impairedgonadotropin release, in the setting of otherwise normal anterior pituitaryanatomy and function and in the absence of secondary causes ofhypogonadotropic hypogonadism (HH). Kallmann syndrome (KS) ischaracterized by the association of IGD and anosmia, whereas patients withnormal olfactory function are referred as having normosmic IdiopathicHypogonadotropic Hypogonadism (nIHH).Objective: The objective of the study was to describe the different patientsphenotypes with IGD (KS and nIHH), to identify mutations in the KAL1,FGFR1, PROK2, PROKR2 and GPR54 genes and to correlate specificphenotypes with the patients genotypes. We also studied the presence ofKAL1 mutations in young children with unilateral renal agenesis/dysgenesis,in order to determine the incidence of KAL1 gene mutations in this population.In addition, we attempted to define the in vitro functionality of two FGFR1mutants (R254W and R254Q), resulting from two different amino acidsubstitutions of the same residue, and to correlate the in vitro findings to thepatients phenotypes.Patients: A total of 66 patients with IGD (26 with KS and 40 with nIHH) wereincluded in this study and mutation analysis of KAL1, FGFR1, PROK2,PROKR2 and GPR54 genes was performed for this group of patients. Wealso studied 13 children (up to the age of 15) with unilateral renal agenesis/dysgenesis, confirmed by imaging studies. Mutation analysis ofKAL1 gene was performed for the later group of patients.Methods: Gene mutation analysis methodology included DNA extraction,polymerase chain reaction amplification, and DNA sequence analysis of allexons of the KAL1, FGFR1, PROK2, PROKR2 and GPR54 genes. The invitrofunctional studies of two FGFR1 mutants (R254W and R254Q) includedevaluation of the mutant signaling activity and the expression levels, whichwere compared to the wild type (WT) receptor signaling activity andexpression. Signaling activity was determined by a FGF2/FGFR1dependenttranscription reporter assay. Receptor total expression levels were assessedby Western blot assay and receptor cell surface expression was measured byradiolabelled antibody binding assay.Results: We identified 5 different mutations in KAL1 gene in three unrelatedmale patients with KS (Δ514Κ, Α660Σ, Δ37Κ, T235S, deletion of exons 5-10of KAL1 gene with STS gene deletion) and one point mutation in FGFR1gene (R254W) in a male patient with nIHH.The in-vitro functional studies of the two FGFR1 mutants (R254W andR254Q) showed that R254W maximal receptor signaling capacity wasreduced by 45% (p<0.01), while maximal signaling of R254Q was alsoreduced (−15%) but the reduction was not statistically significant relative toWT. However, both mutants displayed diminished total protein expressionlevels (40% and 30% reduction relative to WT, respectively), while proteinmaturation was unaffected. Accordingly, cell surface expression levels of themutant receptors were also significantly reduced (35% p<0.01 and 15%p<0.05, respectively). Sequence analysis of KAL1 gene in the group of patients with unilateral renalagenesis/dysgenesis revealed genetic defects in KAL1 gene in a 12 year oldchild with associated anosmia, bimanual synkinesis of upper limbs andcryptorchidism. The genetic diagnosis of Kallmann syndrome was establishedin this case, enabling a prompt therapeutic intervention for puberty inductionat a later stage.Conclusions: Up to date very few mutations have been described in patientswith IGD in the Greek population and the genetic causes of IGD still remainsunclear in the majority of cases, pointing out the importance of further studiesfor determining the molecular pathogenesis of the disease. The phenotype ofrenal agenesis/dysgenesis strongly indicates the existence of KAL1 genedefects in the genotype of patients with sporadic KS, providing evidence forthe X-linked mode of inheritance and offering the opportunity for geneticcounseling. The detection of KAL1 gene mutations in children with unilateralrenal agenesis (URA) not only confirms the involvement of anosmin-1 (theproduct of KAL1 gene) in kidney organogenesis, but it can also lead to anearly prepubertal diagnosis of KS. Sequence analysis of KAL1 gene inpatients with URA is recommended in those cases with associated clinicalsigns of KS (e.g. anosmia, mirror movements, cryptorchidism, microphallus)or with familial history of hypogonadism or/and anosmia. The comparativefunctional analysis of two FGFR1 mutations affecting the same residue(R254W, R254Q) in two unrelated patients with IGD showed that both areloss-of-function mutations and that a tryptophan substitution at R254(R254W) is more disruptive to receptor structure than the more conservedglutamine substitution (R254Q). However, no clear correlation between the severity of in vitro loss-of-function and phenotypic presentation could beassigned.

Εισαγωγή: Το σύνδρομο της μεμονωμένης ανεπάρκειας της εκλυτικής ορμόνης των γοναδοτροπινών (IGD) χαρακτηρίζεται από μεμονωμένη λειτουργική ανεπάρκεια της υποθαλαμικής παραγωγής ή/και έκκρισης της GnRH οδηγώντας σε μεμονωμένη ανεπάρκεια των γοναδοτροπινών με φυσιολογική λειτουργικότητα των υπολοίπων υποφυσιακών ορμονών. Η συνύπαρξη IGD και ανοσμίας αναφέρεται ως σύνδρομο Kallmann (ΣΚ), ενώ η απουσία οσφρητικής διαταραχής αναφέρεται ως ιδιοπαθής υπογοναδοτροφικός υπογοναδισμός (ΙΥΥ). Σκοπός: Σκοπός της μελέτης είναι η περιγραφή των φαινοτυπικών χαρακτηριστικών ασθενών με μεμονωμένη ανεπάρκεια GnRH (ΙΥΥ και ΣΚ), η διερεύνηση της ύπαρξης μεταλλάξεων στα γονίδια KAL1, FGFR1 (υποδοχέας του αυξητικού παράγοντα των ινοβλαστών 1), PROK2 (προκινετισίνη 2), PROKR2 (υποδοχέας της προκινετισίνης 2) και GPR54 (KISS1R: υποδοχέας της κισσπεπτίνης) στους ασθενείς αυτούς, καθώς και η συσχέτιση μεταξύ του γονότυπου των ασθενών και ειδικών κλινικών φαινοτύπων. Επίσης διερευνείται η παρουσία μεταλλάξεων στο γονίδιο KAL1 σε ομάδα φαινομενικά υγιών παιδιών με ετερόπλευρη αγενεσία/δυσγενεσία νεφρού (ΕΝΑ), σε μια προσπάθεια καθορισμού της συχνότητας των μεταλλάξεων του γονιδίου KAL1 στην ΕΝΑ. Τέλος πραγματοποιείται in-vitro λειτουργικός έλεγχος δύο σημειακών μεταλλάξεων του γονιδίου FGFR1 που επηρεάζουν το ίδιο αμινοξύ της πρωτεΐνης (R254W και R254Q), με στόχο τη συσχέτιση των in-vitro ευρημάτων με τον κλινικό φαινότυπο των ασθενών. Ασθενείς: Μελετήθηκαν συνολικά εξήντα έξι (66) ασθενείς με μεμονωμένη ανεπάρκεια GnRH (26 με ΣΚ και 40 με ΙΥΥ), στους οποίους πραγματοποιήθηκε μοριακός έλεγχος των γονιδίων KAL1, FGFR1, PROK2, PROKR2 και GPR54. Επίσης μελετήθηκαν 13 παιδιά (ηλικίας κάτω των 15 ετών) στα οποία υπήρχε απεικονιστικά επιβεβαιωμένη συγγενής ετερόπλευρη νεφρική αγενεσία/δυσγενεσία, η οποία δεν παρατηρήθηκε στα πλαίσια γνωστού συνδρόμου και τα οποία ελέχθησαν για την παρουσία μεταλλάξεων στο γονίδιο KAL1. Μέθοδοι: Η μεθοδολογία του μοριακού γονιδιακού ελέγχου περιλάμβανε την απομόνωση DNA γονιδιώματος από δείγμα ολικού αίματος, τον εκλεκτικό πολλαπλασιασμό των εξονίων των υπό μελέτη γονιδίων με την αλυσιδωτή αντίδραση της πολυμεράσης (PCR amplification) και τον προσδιορισμό της αλληλουχίας του DNA στα προϊόντα της PCR (DNA sequencing). Ο in-vitro λειτουργικός έλεγχος των δύο μεταλλαγμένων μορφών του υποδοχέα FGFR1 (R254W και R254Q) περιλάμβανε την μελέτη της σηματοδοτικής δραστηριότητας του υποδοχέα κατόπιν διέγερσής του από τον προσδέτη FGF2, καθώς και τον προσδιορισμό των επιπέδων έκφρασης των μεταλλαγμένων μορφών του υποδοχέα FGFR1, τα οποία συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα του φυσιολογικού υποδοχέα (WT=wild type). Η μετάδοση σήματος του υποδοχέα FGFR1 αξιολογήθηκε με την τεχνική ανίχνευσης δραστηριότητας του γονιδίου αναφοράς της λουσιφεράσης. Η μέτρηση των επιπέδων της ολικής έκφρασης του FGFR1 πραγματοποιήθηκε με την τεχνική της ανάλυσης πρωτεϊνών με ηλεκτροφόρηση σε πήκτωμα πολυακριλαμιδίου, ακολουθούμενη από την τεχνική της ανάλυσης κατά Western. Η εκτίμηση της ενδοκυττάριας ωρίμανσης του πρωτεϊνικού μορίου του υποδοχέα FGFR1 έγινε μέσω ενζυμικής πέψης της γλυκοπρωτεΐνης με ενδογλυκοσιδάσες, ενώ ο υπολογισμός των επιπέδων έκφρασης του FGFR1 στην κυτταροπλασματική μεμβράνη έγινε με την πρόσδεση ραδιοσημασμένου αντισώματος (radiolabelled antibody binding assay). Αποτελέσματα: Εκ του μοριακού γονιδιακού ελέγχου που πραγματοποιήθηκε στους ασθενείς με IGD εντοπίσθηκαν πέντε διαφορετικές μεταλλάξεις στο γονίδιο KAL1 σε τρεις άρρενες ασθενείς με σύνδρομο Kallmann (Ε514Κ, Α660Τ, Ε37Κ, T235S, έλλειψη εξονίων 5-10), καθώς και μια σημειακή μετάλλαξη στο γονίδιο FGFR1 (R254W) σε έναν άρρενα ασθενή με ιδιοπαθή υπογοναδοτροφικό υπογοναδισμό. Εκ του in-vitro λειτουργικού ελέγχου των δύο σημειακών μεταλλάξεων του γονιδίου FGFR1 (R254W και R254Q) που μελετήθηκαν, προέκυψε ότι η μέγιστη σηματοδοτική δραστηριότητα για τη μεταλλαγμένη μορφή του υποδοχέα R254W παρουσιάζει μείωση κατά 45% σε σύγκριση με τον wild-type υποδοχέα (p<0.01), ενώ η μέγιστη απάντηση της μεταλλαγμένης μορφής R254Q μειώνεται κατά 15% σε σχέση με το wild-type υποδοχέα, διαφορά που δεν αναδείχθηκε στατιστικά σημαντική. Ωστόσο και οι δυο μεταλλαγμένες μορφές R254W και R254Q εμφανίζουν ελαττωμένα επίπεδα ολικής έκφρασης (40% και 30% μείωση σε σχέση με τον wild-type, αντίστοιχα), ενώ η πρωτεϊνική ωρίμανση δεν φαίνεται να επηρεάζεται. Τέλος η έκφραση των μεταλλαγμένων μορφών R254W και R254Q επί της κυτταρικής επιφάνειας παρουσιάζεται σημαντικά ελαττωμένη (35%, p<0.01 και 15%, p<0.05, αντιστοίχως). Εκ του μοριακού γονιδιακού ελέγχου που πραγματοποιήθηκε στους ασθενείς με ΕΝΑ βρέθηκε μετάλλαξη του KAL1 σε έναν ασθενή 12 ετών, ο οποίος εμφάνιζε συνοδό ανοσμία, συγκινησία άνω άκρων και κρυψορχία. Στον ασθενή αυτόν τέθηκε η γενετική διάγνωση του ΣΚ και αργότερα υποβλήθηκε σε έγκαιρη έναρξη θεραπευτικής αγωγής. Συμπεράσματα: Το ποσοστό των γνωστών μεταλλάξεων που έχουν εντοπισθεί στους ασθενείς με IGD του Ελλαδικού χώρου είναι πολύ μικρό και επομένως παραμένει πρόσφορο το πεδίο για περαιτέρω έρευνα προς την κατεύθυνση της διευκρίνησης της μοριακής αιτιοπαθογένειας της νόσου. Η σύγκριση φαινότυπου-γονότυπου των ασθενών με σύνδρομο Kallmann υποδεικνύει ότι η παρουσία συνοδού ετερόπλευρης αγενεσίας νεφρού αποτελεί ισχυρή ένδειξη για την ύπαρξη μεταλλαγών στο γονίδιο KAL1. Η ανεύρεση μεταλλάξεων του γονιδίου KAL1 σε παιδιά με ΕΝΑ έχει διττή σημασία· αφενός επιβεβαιώνει την εμπλοκή της ανοσμίνης-1 (του προϊόντος του γονιδίου KAL1) στην οργανογένεση του νεφρού και αφετέρου οδηγεί στην πρώιμη διάγνωση του ΣΚ. Ο μοριακός έλεγχος του γονιδίου KAL1 σε παιδιά με ΕΝΑ συστήνεται επί συνύπαρξης και άλλων κλινικών σημείων του ΣΚ (ανοσμία, κινήσεις καθρέπτη, κρυψορχία, μικροφαλλία) ή ανάδειξης οικογενειακού ιστορικού υπογοναδισμού και ανοσμίας. Ο συγκριτικός λειτουργικός έλεγχος δύο μεταλλάξεων του FGFR1 που επηρεάζουν το ίδιο αμινοξύ (R254W, R254Q) αναδεικνύει την απώλεια της λειτουργικότητας των μεταλλαγμένων μορφών του υποδοχέα in-vitro. Αν και από τον in-vitro λειτουργικό έλεγχο προκύπτει ότι η μετάλλαξη R254W είναι πιο σοβαρή από τη μετάλλαξη R254Q, ωστόσο δεν παρατηρείται συσχέτιση του βαθμού της απώλειας της in-vitro λειτουργικότητας των μεταλλαγμένων μορφών του υποδοχέα με τον κλινικό φαινότυπο των ασθενών που φέρουν αυτές τις μεταλλάξεις.