Применение биоинформатического анализа для прогностической оценки клинической значимости миссенс-мутаций гена HS3ST6 в развитии наследственного ангиоотека

Наследственный ангиоотек (НАО) – генетически детерминированное заболевание, характеризующееся повторяющимися отеками, поражающими подкожные и/или подслизистые слои ткани, лицо, губы, шею, конечности, ротовую полость, кишечник и/или гортань. В последнем случае заболевание становится опасным для жизни. Преимущественно НАО связан со снижением уровней С1 (ингибитор С1-эстеразы), описаны НАО с дисфункциональным и с нормальным С1-ингибитором. При первом и втором вариантах причиной заболевания становятся мутации в гене C1NH. НАО с нормальным количественным и функциональным уровнями С1-ингибитора имеет те же клинические проявления, но с мутациями в иных генах, в том числе F12, PLG, ANGPT1, KNG1, MYOF, HS3ST6. В настоящее время мутации в гене HS3ST6 остаются малоизученными, описана только одна миссенсмутация (p.Thr144Ser, rs746467957), связанная с развитием НАО.

Целью нашей работы являлось изучение новых мутаций в гене HS3ST6 и прогностический анализ in silico их характера и клинической значимости для развития НАО.

Материалом служили образцы цельной крови, полученные от 13 пациентов с симптомами НАО без снижения уровней и функции C1-INH.

Методы исследования включали секвенирование полного экзома пациентов, биоинформатический анализ мутаций гена HS3ST6 с использованием ряда баз данных и веб-ресурсов для прогноза влияния мутаций на белок и оценки консервативности позиций обнаруженных мутаций.

Мутации в гене HS3ST6 выявлены у четырех больных, в том числе два случая с двумя мутациями одновременно. Применение биоинформатического анализа позволило получить новые данные о четырех миссенс-мутациях в исследуемом гене. Для трех из них определена потенциальная патогенетическая значимость. Для мутации NC_000016.9:g.1962132G>A (р.A163V) наиболее вероятным путем участия в патогенезе НАО является косвенное нарушение O-сульфирования гепарансульфата непосредственно внутри белка. Мутация NC_000016.9:g.1962024G>A (р.P199L), по всей видимости, приводит к развитию заболевания за счет нарушения соединения с гепарансульфатом SDC2. При мутации NC_000016.9:g.1962046C>T (р.A192T) дестабилизация 192 аминокислотной позиции рядом с PAPS может способствовать срыву O-сульфирования гепарансульфата за счет нарушения функциональной активности белка и, соответственно, катализа переноса сульфогруппы на гепарансульфат синдекана-2. Во всех трех случаях представляется возможным формирование НАО в связи с нарушением этапов O-сульфирования гепарансульфата синдекана-2.

Учитывая, что методы in silico открывают новые возможности оценки патогенетической значимости мутаций, применение биоинформатического анализа может способствовать детальному исследованию истоков НАО. В настоящей работе убедительно показано, что редкие мутации в гене HS3ST6, могут быть задействованы в патогенезе НАО и провоцировать отеки за счет повышенного релиза брадикинина.

1. Близнец Е.А., Ряднинская Н.В., Галеева Н.М., Кузнецова И.А., Дмитриева А.В., Латышева Т.В., Латышева Е.А., Гусева М.Н., Поляков А.В. ДНК-диагностика наследственного ангионевротического отека и клиническое значение вариантов гена SERPING1. Медицинская генетика. 2018. Т. 17, № 7. С. 11-20.

2. Гусева М.Н., Зинина Е.И., Суспицын Е.Н., Костик М.М. Наследственный ангиоотек – проблема на стыке иммунологии и аллергологии: анализ данных литературы и описание серии 34 случаев. Педиатрия. Журнал им. Г.Н. Сперанского. 2021. Т. 100. № 2. С. 49-56.

3. Мухина А.А., Кузьменко Н.Б., Родина Ю.А., Кондратенко И.В., Бологов А.А., Латышева Т.В., Продеус А.П., Пампура А.Н., Ильина Н.И., Латышева Е.А., Балашов Д.Н., Костинова А.М., Пащенко О.Е., Зиновьева Н.В., Зимин С.Б., Хорева А.Л., Моисеева А.А., Кутлянцева А.Ю., Филоненко Д.А., Барычева Л.Ю., Аллагулиева С.М., Хачирова Л.С., Сибгатулина Ф.И., Тузанкина И.А., Болков М.А., Шахова Н.В., Камалтынова Е.М., Хайруллина Р.М., Пролыгина Д.Д., Кальметьева Л.Р., Давлетбаева Г.А., Мирсаяпова И.А., Сулима Е.И., Гусева М.Н., Тотолян А.А., Миличкина А.М., Кузнецова Р.Н., Рычкова О.А., Кузьмичева К.П., Грахова М.А., Селезнева О.С., Юдина Н.Б., Орлова Е.А., Самофалова Т.В., Букина Т.В., Печкурова А.Д., Бармина Е.В., Парфенова Н.А., Исакова С.Н., Аверина Е.В., Сазонова И.В., Старикова С.Ю., Шилова Т.В., Асекретова Т.В., Супрун Р.Н., Клещенко Е.И., Лебедев В.В., Демихова Е.В., Демихов В.Г., Калинкина В.А., Тимофеева Е.В., Павлова Т.Б., Шинкарева В.М., Гуркина М.В., Щербина А.Ю., Новичкова Г.А., Румянцев А.Г. Характеристика пациентов с первичными иммунодефицитными состояниями в Российской Федерации: от рождения до старости. Педиатрия. 2019. Т. 98, № 3. С. 24–31.

4. Мухина А.А., Кузьменко Н.Б., Родина Ю.А., Хорева А.Л., Моисеева А.А., Швец О.А., Кондратенко И.В., Латышева Т.В., Латышева Е.А., Костинова А.М., Пащенко О.Е., Пампура А.Н., Зиновьева Н.В., Зимин С.Б., Ильина Н.И., Бологов А.А., Продеус А.П., Балашов Д.Н., Фомина Д.С., Деордиева Е.А., Кутлянцева А.Ю., Вахлярская С.С., Барычева Л.Ю., Кубанова Л.Т., Хачирова Л.С., Сибгатулина Ф.И., Тузанкина И.А., Болков М.А., Шахова Н.В., Камалтынова Е.М., Хайруллина Р.М., Кальметьева Л.Р., Пролыгина Д.Д., Давлетбаева Г.А., Мирсаяпова И.А., Сулима Е.И., Гусева М.Н., Тотолян А.А., Миличкина А.М., Кузнецова Р.Н., Рычкова О.А., Кузьмичева К.П., Грахова М.А., Селезнева О.С., Юдина Н.Б., Орлова Е.А., Самофалова Т.В., Букина Т.В., Мигачева Н.Б., Жестков А.В., Бармина Е.В., Парфенова Н.А., Исакова С.Н., Аверина Е.В., Сазонова И.В., Старикова С.Ю., Шилова Т.В., Асекретова Т.В., Супрун Р.Н., Клещенко Е.И., Лебедев В.В., Демихова Е.В., Демихов В.Г., Калинкина В.А., Тимофеева Е.В., Ермакова А.С., Павлова Т.Б., Шинкарева В.М., Горенькова А.В., Дурягина С.Н., Смолева И.В., Александрова Т.П., Бамбаева З.В., Филиппова М.А., Грачева Е.М., Цывкина Г.И., Ефременков Е.В., Машковская Д.В., Яровая И.В., Алексеенко В.А., Фисюн И.В., Молокова Г.В., Троицкая Е.В., Гольцман Е.А., Пяткина Л.И., Власова Е.В., Уханова О.П., Чернышова Е.Г., Васильева М.М., Лаба О.М., Володина Е.В., Ипатова М.Г., Воронин К.А., Гуркина М.В., Щербина А.Ю., Новичкова Г.А., Румянцев А.Г. Эпидемиология первичных иммунодефицитов в Российской Федерации. Педиатрия. Журнал им. Г.Н. Сперанского. 2020. Т. 99, № 2. С. 16-32.

5. Печникова Н.А., Останкова Ю.В., Тотолян Арег А. Применение биоинформатического анализа для выявления генов-кандидатов, ассоциированных с наследственным ангиоотеком. Медицинская иммунология. 2022. Т. 24, № 5. С. 1027-1046.

6. Awan F.M., Obaid A., Ikram A., Janjua H.A. Mutation-structure-function relationship based integrated strategy reveals the potential impact of deleterious missense mutations in autophagy related proteins on Hepatocellular Carcinoma (HCC): A comprehensive informatics approach. Int. J. Mol. Sci., 2017, Vol. 18, no. 1, 139. doi: 10.3390/ijms18010139.

7. Bork K., Brehler R., Witzke G., Boor S., Heineke W., Hardt J. Blindness, tetraspasticity, and other signs of irreversible brain damage in hereditary angioedema. Ann. Allergy Asthma Immunol., 2017, Vol. 118, no. 4, pp. 520-521.

8. Bork K., Siedlecki K., Bosch S., Schopf R.E., Kreuz W. Asphyxiation by laryngeal edema in patients with hereditary angioedema. Mayo Clin. Proc., 2000, Vol. 75, no. 4, pp. 349-354.

9. Bork K., Wulff K., Möhl B.S., Steinmüller-Magin L., Witzke G., Hardt J., Meinke P. Novel hereditary angioedema linked with a heparan sulfate 3-O-sulfotransferase 6 gene mutation. J. Allergy Clin. Immunol., 2021, Vol. 148, no. 4, pp. 1041-1048.

10. Bork K., Wulff K., Witzke G., Hardt J. Hereditary angioedema with normal C1-INH with versus without specific F12 gene mutations. Allergy, 2015, Vol. 70, no. 8, pp. 1004-1012.

11. Busse P.J., Christiansen S.C. Hereditary angioedema. N. Engl. J. Med., 2020, Vol. 382, pp. 1136-1148.

12. Depetri F., Tedeschi A., Cugno M. Angioedema and emergency medicine: From pathophysiology to diagnosis and treatment. Eur. J. Intern. Med., 2019, Vol. 59, pp. 8-13.

13. Ercetin E., Richtmann S., Delgado B.M., Gomez-Mariano G., Wrenger S., Korenbaum E., Liu B., DeLuca D., Kühnel M.P., Jonigk D., Yuskaeva K., Warth A., Muley T., Winter H., Meister M., Welte T., Janciauskiene S., Schneider M.A. Clinical significance of SERPINA1 gene and its encoded alpha1-antitrypsin protein in NSCLC. Cancers (Basel), 2019, Vol. 11, no. 9, 1306. doi:10.3390/cancers11091306.

14. Faisant C., Du Thanh A., Mansard C., Deroux A., Boccon-Gibod I., Bouillet L. Idiopathic Non-histaminergic Angioedema: Successful Treatment with Omalizumab in Five Patients. J. Clin. Immunol., 2017, Vol. 37, no. 1, pp. 80-84.

15. Hasan A.A., Cines D.B., Herwald H., Schmaier A.H., Muller-Esterl W. Mapping the cell binding site on high molecular weight kininogen domain 5. J. Biol. Chem., 1995, Vol. 270, pp. 19256-19261.

16. Henderson L.M., Figueroa C.D., Muller-Esterl W., Bhoola K.D. Assembly of contact-phase factors on the surface of the human neutrophil membrane. Blood, 1994, Vol. 84, no. 2, pp. 474-482.

17. Kaplan A.P., Joseph K. Pathogenic mechanisms of bradykinin mediated diseases: dysregulation of an innate inflammatory pathway. Adv. Immunol., 2014, Vol. 121, pp. 41-89.

18. Kaplan A.P, Joseph K. The bradykinin-forming cascade and its role in hereditary angioedema. Ann. Allergy Asthma Immunol., 2010, Vol. 104, pp. 193-204.

19. Kyte J., Doolittle R.F. A simple method for displaying the hydropathic character of a protein. J. Mol. Biol., 1982, Vol. 157, no. 1, pp. 105-132.

20. Maurer M., Grattan C.E.H., Zuraw B.L. Urticaria and angioedema without wheals. Allergy (Fourth Edition), 2012, pp. 247-261.

21. Maurer M., Magerl M., Ansotegui I., Aygören-Pürsün E., Betschel S., Bork K., Bowen T., Balle Boysen H., Farkas H., Grumach A.S., Hide M., Katelaris C., Lockey R., Longhurst H., Lumry W.R., Martinez-Saguer I., Moldovan D., Nast A., Pawankar R., Potter P., Riedl M., Ritchie B., Rosenwasser L., Sánchez-Borges M., Zhi Y., Zuraw B., Craig T. The international WAO/EAACI guideline for the management of hereditary angioedema-The 2017 revision and update. Allergy, 2018, Vol. 73, no. 8, pp. 1575-1596.

22. Minafra F.G., Gonçalves T.R., Alves T.M., Pinto J.A. The mortality from hereditary angioedema worldwide: a review of the real-world data literature. Clin. Rev. Allerg. Immunol., 2021, Vol. 62, pp. 232-239.

23. Motta G., Tersariol I.L.S. Modulation of the plasma kallikrein-kinin system proteins performed by heparan sulfate proteoglycans. Front. Physiol., 2017, Vol. 8, 481. doi: 10.3389/fphys.2017.00481.

24. Muñoz E., Xu D., Kemp M., Zhang F., Liu J., Linhardt R.J. Affinity, kinetic, and structural study of the interaction of 3-O-sulfotransferase isoform 1 with heparan sulfate. Biochemistry, 2006, Vol. 45, no. 16, pp. 5122-5128.

25. Pac M., Bernatowska E. Comprehensive activities to increase recognition of primary immunodeficiency and access to immunoglobulin replacement therapy in Poland. Eur. J. Pediatr., 2016, Vol. 175, no. 8, pp.1099-1105.

26. Papadopoulou-Alataki E. Upper airway considerations in hereditary angioedema. Curr. Opin. Allergy Clin. Immunol., 2010, Vol. 10, no. 1, pp. 20-25.

27. Pommié C., Levadoux S., Sabatier R., Lefranc G., Lefranc M.P. IMGT standardized criteria for statistical analysis of immunoglobulin V-REGION amino acid properties. J. Mol. Recognit., 2004, Vol. 17, no. 1, pp. 17-32.

28. Renné T., Dedio J., David G., Müller-Esterl W. High molecular weight kininogen utilizes heparan sulfate proteoglycans for accumulation on endothelial cells. J. Biol. Chem., 2000, Vol. 275, no. 43, pp. 33688-33696.

29. Renne T., Schuh K., Muller-Esterl W. Local bradykinin formation is controlled by glycosaminoglycans. J. Immunol., 2005, Vol. 175, pp. 3377-3385.

30. Saih A., Baba H., Bouqdayr M., Ghazal H., Hamdi S., Kettani A., Wakrim L. In silico analysis of high-risk missense variants in human ACE2 gene and susceptibility to SARS-CoV-2 infection. Biomed Res. Int., 2021, Vol. 2021, 6685840. doi: 10.1155/2021/6685840.

31. Sambrook J., Russell D. W. Purification of nucleic acids by extraction with phenol:chloroform. Cold Spring Harb. CSH Protoc., 2006, Vol. 1, pdb.prot4455. doi: 10.1101/pdb.prot4455.

32. Santacroce R., D’Andrea G., Maffione A.B., Margaglione M., d’Apolito M. The genetics of hereditary angioedema: A review. J. Clin. Med., 2021. Vol. 10. no. 9, 2023. doi: 10.3390/jcm10092023.

33. Singh S., Sharma S., Baranwal M. Identification of SNPs in hMSH3/MSH6 interaction domain affecting the structure and function of MSH2 protein. Biotechnol. Appl. Biochem., 2021. doi: 10.1002/bab.2295.

34. Staller K., Lembo A., Banerji A., Bernstein J.A., Shah E.D., Riedl M.A. Consider Hereditary Angioedema in the Differential Diagnosis for Unexplained Recurring Abdominal Pain. J. Clin. Gastroenterol., 2022. doi: 10.1097/MCG.0000000000001744.

35. Steinhaus R., Proft S., Schuelke M., Cooper D.N., Schwarz J.M., Seelow D. MutationTaster2021. Nucleic Acids Research., 2021, Vol. 49, no. W1, pp. W446-W451.

36. Spiess B.D., Armour S., Horrow J., Kaplan J.A., Koch C.G., Karkouti K., Body S.C. Transfusion medicine and coagulation disorders. Kaplan’s essentials of cardiac anesthesia. Ed. Kaplan J.A., 2018, pp. 685-714.

37. Wang Z., Huang C., Lv H., Zhang M., Li X. In silico analysis and high-risk pathogenic phenotype predictions of non-synonymous single nucleotide polymorphisms in human Crystallin beta A4 gene associated with congenital cataract. PLoS One, 2020, Vol. 15, no. 1, e0227859. doi:10.1371/journal.pone.0227859.

38. Wells M.J., Hatton M.W., Hewlett B., Podor T.J., Sheffield W.P., Blajchman M.A. Cytokeratin 18 is expressed on the hepatocyte plasma membrane surface and interacts with thrombin-antithrombin complexes. J. Biol. Chem., 1997, Vol. 272, no. 45, pp. 28574-28581.

39. Xu D., Tiwari V., Xia G., Clement C., Shukla D., Liu J. Characterization of heparan sulphate 3-O-sulphotransferase isoform 6 and its role in assisting the entry of herpes simplex virus type 1. Biochem. J., 2005, Vol. 385, Pt 2, pp. 451-459.