Molecular mechanisms associated with digenic inheritance of TRPS1 and IL6ST in craniosynostosis

Abstract

Craniosynostosis (CRS) is characterized by abnormal cranial suture ossification and premature fusion. Although several associated genetic disorders have been identified, the genetic determinants in CRS remain poorly understood. Using exome data from 121 CRS patients including 52 trios, we performed integrative analyses of de novo variants, pathogenic variants, and oligogenic combinations in haploinsufficient genes with rare variants. Our findings reveal that genes associated with CRS share a molecular network with genes linked to skeletal and neurodevelopmental disorders, with an enrichment of deleterious variants in haploinsufficient genes. We identified six unique digenic pairs in haploinsufficient genes specific to CRS patients. In vitro experiments validated the functional impact of the identified variants and demonstrated accelerated bone mineralization resulting from the digenic effects of IL6ST and TRPS1 in osteoblast cells. Our study highlights the significant role of rare variants in haploinsufficient genes and expands the genetic spectrum of CRS to digenic or oligogenic inheritances in the CRS pathogenesis. 두개골 유합증은 생후 각 두개골의 봉합선이 합쳐 하나의 두개골을 형성하는 과정에서 정해진 시기보다 조기 유합되면서 골화가 빠르게 진행되는 경우에 발생하는 질환으로 소아에서 2,500명 당 한명의 비율로 발생하는 희귀적 질환에 해당한다. 관련하여 여러 단일 원인의 유전자가 보고되었지만 그 이외의 영역에서의 CRS의 유전적 요인은 아직 제대로 이해되지 않은 상태이다. 본 연구에서는 52쌍을 포함한 121명의 CRS 환자의 엑솜 데이터를 사용하여 드노버 변이(De novo variants)을 확인하고 반수체 부족(Haploinsufficiency)을 기반으로 이인자 유전 조합에 대한 통합 분석을 수행하였다. 연구 결과, 후보 유전자들은 골격 및 신경 발달 장애와 관련된 유전자와 분자 네트워크를 공유하며, 반수체 부족(Haploinsufficiency) 변이가 풍부하다는 사실이 확인하였다. 우리는 CRS 환자에 반수체 부족 변이군에서 2명의 환아에서 동시에 나타나는 6개의 고유한 이인자 유전(Digenic inheritance) 쌍을 확인하였고, 이 쌍에서 골화 과정과 연관성이 제일 높은 TRPS1과 IL6ST을 선택하여 세포 실험을 통해 확인된 변이의 기능적 영향을 검증하였고, 조골 세포에서의 IL6ST 및 TRPS1의 이 인자 효과로 인한 골 무기질화 가속화를 입증하였다. 이 연구는 희귀 변이 분석에서 반수체 부족(haploinsufficiency)을 기반으로 한 해석의 역할을 강조하고 CRS 발병 기전에서 이 인자 및 다인자 유전 기전으로의 확대의 필요성을 강조하는 연구가 될 것이라 사료된다.