Поиск новых генов, ассоциированных с фенотипом семейной гиперхолестеринемии, методами полногеномного секвенирования и машинного обучения

Одним из наиболее распространенных врожденных метаболических нарушений является семейная гиперхолестеринемия. Это заболевание приводит к раннему развитию сердечно-сосудистых заболеваний атеросклеротического генеза. Семейная гиперхолестеринемия относится к моногенным заболеваниям с преимущественно аутосомно-доминантным типом наследования. Редкие патогенные варианты в гене LDLR определяются в 75–85 % случаев у пациентов с выявленной молекулярно-генетической причиной заболевания, варианты в других генах встречаются с частотой менее 5 % (APOB, PCSK9, LDLRAP1, ABCG5, ABCG8 и др.). Отрицательный результат генетического скрининга патогенных вариантов генов рецептора липопротеинов низкой плотности и его лигандов не исключает диагноз «семейная гиперхолестеринемия». В 20–40 % случаев при молекулярно-генетическом исследовании не удается определить изменения в вышеназванных генах. Цель настоящей работы – поиск новых генов, ассоциированных с фенотипом семейной гиперхолестеринемии, с использованием современных высокотехнологичных методов секвенирования и машинного обучения. На основании выборки пациентов с семейной гиперхолестеринемией, сформированной по критериям Dutch Lipid Clinic Network и включающей случаи заболевания, подтвержденные молекулярно-генетическим анализом, построены решающие деревья, которые позволили выделить из выборки случаи, требующие дополнительного молекулярно-генетического анализа. Определены пять пробандов с наиболее тяжелым течением семейной гиперхолестеринемии без патогенных вариантов в изученных генах для проведения полногеномного секвенирования на платформе HiSeq 1500 (Illumina). При выполнении полногеномного секвенирования у трех из пяти обследованных пациентов найдены редкие варианты: гетерозиготный вариант (rs760657350), локализованный в акцепторном сайте сплайсинга гена PLD1: c.2430-1G>A, ранее не описанная однонуклеотидная делеция гена SIDT1: c.2426del (p.Leu809CysfsTer2), новый миссенс-вариант c.10313C>G (p.Pro3438Arg) гена LRP1B и вариант однонуклеотидной делеции rs753876598: c.165del (p.Ser56AlafsTer11) гена CETP. Все варианты впервые описаны у пробандов с клиническим диагнозом «семейная гиперхолестеринемия». Идентифицированы варианты, которые потенциально могут влиять на формирование фенотипа семейной гиперхолестеринемии.

1. Andersson L., Boström P., Ericson J., Rutberg M., Magnusson B., Marchesan D., Ruiz M., Asp L., Huang P., Frohman M.A., Borén J., Olofsson S.O. PLD1 and ERK2 regulate cytosolic lipid droplet formation. J. Cell Sci. 2006;119(Pt. 11):2246-2257. DOI: 10.1242/jcs.02941.

2. Assouline L., Leitersdorf E., Lambert M., Reshef A., Feoli-Fonseca J.C., Levy E. Identification of two novel LDL receptor gene defects in French-Canadian pediatric population: mutational analysis and biochemical studies. Hum. Mutat. 1997;9(6):555-562. DOI: 10.1002/(SICI)1098-1004(1997)9:6<555::AID-HUMU9>3.0.CO;2-0.

3. Banda J.M., Sarraju A., Abbasi F., Parizo J., Pariani M., Ison H., Briskin E., Wand H., Dubois S., Jung K., Myers S.A., Rader D.J., Leader J.B., Murray M.F., Myers K.D., Wilemon K., Shah N.H., Knowles J.W. Finding missed cases of familial hypercholesterolemia in health systems using machine learning. NPJ Digit. Med. 2019;2:23. DOI: 10.1038/s41746-019-0101-5.

4. Barter P.J. The causes and consequences of low levels of high density lipoproteins in patients with diabetes. Diabetes Metab. J. 2011; 35(2):101-106. DOI: 10.4093/dmj.2011.35.2.101.

5. Barter P.J., Kastelein J.J.P. Targeting cholesteryl ester transfer protein for the prevention and management of cardiovascular disease. J. Am. Coll. Cardiol. 2006;47(3):492-499. DOI: 10.1016/j.jacc.2005.09.042.

6. Borén J., Chapman M.J., Krauss R.M., Packard C.J., Bentzon J.F., Binder C.J., Daemen M.J., Demer L.L., Hegele R.A., Nicholls S.J., Nordestgaard B.G., Watts G.F., Bruckert E., Fazio S., Ference B.A., Graham I., Horton J.D., Landmesser U., Laufs U., Masana L., Pasterkamp G., Raal F.J., Ray K.K., Schunkert H., Taskinen M.R., van de Sluis B., Wiklund O., Tokgozoglu L., Catapano A.L., Ginsberg H.N. Low-density lipoproteins cause atherosclerotic cardiovascular disease: pathophysiological, genetic, and therapeutic insights: a consensus statement from the European Atherosclerosis Society Consensus Panel. Eur. Heart J. 2020;41(24):2313-2330. DOI: 10.1093/eurheartj/ehz962.

7. Bowling F.Z., Frohman M.A., Airola M.V. Structure and regulation of human phospholipase D. Adv. Biol. Regul. 2021;79:100783. DOI: 10.1016/j.jbior.2020.100783.

8. Damgaard D., Larsen M.L., Nissen P.H., Jensen J.M., Jensen H.K., Soerensen V.R., Jensen L.G., Faergeman O. The relationship of molecular genetic to clinical diagnosis of familial hypercholesterolemia in a Danish population. Atherosclerosis. 2005;180(1):155-160. DOI: 10.1016/j.atherosclerosis.2004.12.001.

9. Day I.N., Whittall R.A., O’Dell S.D., Haddad L., Bolla M.K., Gudnason V., Humphries S.E. Spectrum of LDL receptor gene mutations in heterozygous familial hypercholesterolemia. Hum. Mutat. 1997;10(2):116-127. DOI: 10.1002/(SICI)1098-1004(1997)10:2<116::AID-HUMU4>3.0.CO;2-I.

10. Ezhov M.V., Bazhan S.S., Ershova A.I., Meshkov A.N., Sokolov A.A., Kukharchuk V.V., Gurevich V.S., Voevoda M.I., Sergienko I.V., Shakhtshneider E.V., Pokrovsky S.N., Konovalov G.A., Leontyeva I.V., Konstantinov V.O., Shcherbakova M.Yu., Zakharova I.N., Balakhonova T.V., Filippov A.E., Akhmedzhanov N.M., Aleksandrova O.Yu., Lipovetsky B.M. Clinical guidelines for familial hypercholesterolemia. Ateroscleroz i Dislipidemii = The Journal of Atherosclerosis and Dyslipidemias. 2019;15(1):58-98. (in Russian)

11. Feussner G., Dobmeyer J., Nissen H., Hansen T.S. Unusual xanthomas in a young patient with heterozygous familial hypercholesterolemia and type III hyperlipoproteinemia. Am. J. Med. Genet. 1996; 65:149-154. DOI: 10.1002/(SICI)1096-8628(19961016)65:2<149::AID-AJMG14>3.0.CO;2-Q.

12. Fouchier S.W., Kastelein J.J., Defesche J.C. Update of the molecular basis of familial hypercholesterolemia in the Netherlands. Hum. Mutat. 2005;26(6):550-556. DOI: 10.1002/humu.20256.

13. García-García A.B., Real J.T., Puig O., Cebolla E., Marín-García P., Martínez Ferrandis J.I., García-Sogo M., Civera M., Ascaso J.F., Carmena R., Armengod M.E., Chaves F.J. Molecular genetics of familial hypercholesterolemia in Spain: Ten novel LDLR mutations and population analysis. Hum. Mutat. 2001;18(5):458-459. DOI: 10.1002/humu.1218.

14. Graham C.A., McClean E., Ward A.J., Beattie E.D., Martin S., O’Kane M., Young I.S., Nicholls D.P. Mutation screening and genotype:phenotype correlation in familial hypercholesterolaemia. Atherosclerosis. 1999;147(2):309-316. DOI: 10.1016/s0021-9150(99)00201-4.

15. Hegele R.A., Berberich A.J., Ban M.R., Wang J., Digenio A., Alexander V.J., D’Erasmo L., Arca M., Jones A., Bruckert E., Stroes E.S., Bergeron J., Civeira F., Witztum J.L., Gaudet D. Clinical and biochemical features of different molecular etiologies of familial chylomicronemia. J. Clin. Lipidol. 2018;12(4):920-927.e4. DOI: 10.1016/j.jacl.2018.03.093.

16. Iacocca M.A., Hegele R.A. Recent advances in genetic testing for familial hypercholesterolemia. Expert. Rev. Mol. Diagn. 2017;17(7): 641-651. DOI: 10.1080/14737159.2017.1332997.

17. Iwanicka J., Iwanicki T., Niemiec P., Balcerzyk A., Krauze J., Górczyńska-Kosiorz S., Ochalska-Tyka A., Grzeszczak W., Żak I. Relationship between CETP gene polymorphisms with coronary artery disease in Polish population. Mol. Biol. Rep. 2018;45(6):1929-1935. DOI: 10.1007/s11033-018-4342-1.

18. Khera A.V., Won H.H., Peloso G.M., Lawson K.S., Bartz T.M., Deng X., van Leeuwen E.M., … Correa A., Boerwinkle E., Merlini P.A., Ardissino D., Saleheen D., Gabriel S., Kathiresan S. Diagnostic yield and clinical utility of sequencing familial hypercholesterolemia genes in patients with severe hypercholesterolemia. J. Am. Coll. Cardiol. 2016;67(22):2578-2589. DOI: 10.1016/j.jacc.2016.03.520.

19. Lahrouchi N., Postma A.V., Salazar C.M., De Laughter D.M., Tjong F., Piherová L., Bowling F.Z., … Mulder B., Airola M.V., Kmoch S., Barnett J.V., Clur S.A., Frohman M.A., Bezzina C.R. Biallelic loss-of-function variants in PLD1 cause congenital right-sided cardiac valve defects and neonatal cardiomyopathy. J. Clin. Invest. 2021; 131(5):e142148. DOI: 10.1172/JCI142148.

20. Lee S. The genetic and epigenetic association of LDL Receptor Related Protein 1B (LRP1B) gene with childhood obesity. Sci. Rep. 2019; 9(1):1815. DOI: 10.1038/s41598-019-38538-2.

21. Li W., Liu X., Huang C., Liu L., Tan X., Wang X. The loss-of-function mutation of CETP affects HDLc levels but not ApoA1 in patients with acute myocardial infarction. Nutr. Metab. Cardiovasc. Dis. 2021;31(2):602-607. DOI: 10.1016/j.numecd.2020.10.019.

22. Ma Y., Liu M.S., Chitayat D., Bruin T., Beisiegel U., Benlian P., Foubert L., De Gennes J.L., Funke H., Forsythe I., Blaichman S., Papanikolaou M., Erkelens D.W., Kastelein J., Brunzell J.D., Hayden M.R. Recurrent missense mutations at the first and second base of codon Arg243 in human lipoprotein lipase in patients of different ancestries. Hum. Mutat. 1994;3(1):52-58. DOI: 10.1002/humu.1380030109.

23. Méndez-Acevedo K.M., Valdes V.J., Asanov A., Vaca L. A novel family of mammalian transmembrane proteins involved in cholesterol transport. Sci. Rep. 2017;7(1):7450. DOI: 10.1038/s41598-017-07077-z.

24. Millwood I.Y., Bennett D.A., Holmes M.V., Boxall R., Guo Y., Bian Z., Yang L., Sansome S., Chen Y., Du H., Yu C., Hacker A., Reilly D.F., Tan Y., Hill M.R., Chen J., Peto R., Shen H., Collins R., Clarke R., Li L., Walters R.G., Chen Z., China Kadoorie Biobank Collaborative Group. Association of CETP gene variants with risk for vascular and nonvascular diseases among chinese adults. JAMA Cardiol. 2018;3(1):34-43. DOI: 10.1001/jamacardio.2017.4177.

25. Miroshnikova V.V., Romanova O.V., Ivanova O.N., Fedyakov M.A., Panteleeva A.A., Barbitoff Y.A., Muzalevskaya M.V., Urazgildeeva S.A., Gurevich V.S., Urazov S.P., Scherbak S.G., Sarana A.M., Semenova N.A., Anisimova I.V., Guseva D.M., Pchelina S.N., Glotov A.S., Zakharova E.Y., Glotov O.S. Identification of novel variants in the LDLR gene in Russian patients with familial hypercholesterolemia using targeted sequencing. Biomed. Rep. 2021;14(1):15. DOI: 10.3892/br.2020.1391.

26. Mollaki V., Progias P., Drogari E. Familial hypercholesterolemia in Greek children and their families: genotype-to-phenotype correlations and a reconsideration of LDLR mutation spectrum. Atherosclerosis. 2014;237(2):798-804. DOI: 10.1016/j.atherosclerosis.2014.09.031.

27. Nelson R.K., Frohman M.A. Physiological and pathophysiological roles for phospholipase D. J. Lipid. Res. 2015;56(12):2229-2237. DOI: 10.1194/jlr.R059220.

28. Nguyen T.A., Smith B.R.C., Elgass K.D., Creed S.J., Cheung S., Tate M.D., Belz G.T., Wicks I.P., Masters S.L., Pang K.C. SIDT1 localizes to endolysosomes and mediates double-stranded RNA transport into the cytoplasm. J. Immunol. 2019;202(12):3483-3492. DOI: 10.4049/jimmunol.1801369.

29. Nordestgaard B.G., Chapman M.J., Humphries S.E., Ginsberg H.N., Masana L., Descamps O.S., Wiklund O., … Kuivenhoven J.A., Pajukanta P., Ray K., Stalenhoef A.F., Stroes E., Taskinen M.R., Tybjærg-Hansen A., European Atherosclerosis Society Consensus Panel. Familial hypercholesterolaemia is underdiagnosed and undertreated in the general population: guidance for clinicians to prevent coronary heart disease: consensus statement of the European Atherosclerosis Society. Eur. Heart J. 2013;34(45):3478-3490. DOI: 10.1093/eurheartj/eht273.

30. Oliveira H.C.F., Raposo H.F. Cholesteryl ester transfer protein and lipid metabolism and cardiovascular diseases. In: Jiang X.-C. (Ed.). Lipid Transfer in Lipoprotein Metabolism and Cardiovascular Disease. Advances in Experimental Medicine and Biology. Vol. 1276. Singapore: Springer, 2020;15-25. DOI: 10.1007/978-981-15-6082-8_2.

31. Pullinger C.R., Hennessy L.K., Chatterton J.E., Liu W., Love J.A., Mendel C.M., Frost P.H., Malloy M.J., Schumaker V.N., Kane J.P. Familial ligand-defective apolipoprotein B. Identification of a new mutation that decreases LDL receptor binding affinity. J. Clin. Invest. 1995;95(3):1225-1234. DOI: 10.1172/JCI117772.

32. Richards S., Aziz N., Bale S., Bick D., Das S., Gastier-Foster J., Grody W.W., Hegde M., Lyon E., Spector E., Voelkerding K., Rehm H.L., ACMG Laboratory Quality Assurance Committee. Standards and guidelines for the interpretation of sequence variants: a joint consensus recommendation of the American College of Medical Genetics and Genomics and the Association for Molecular Pathology. Genet. Med. 2015;17(5):405-424. DOI: 10.1038/gim.2015.30.

33. Sambrook J., Russell D.W. Purification of nucleic acids by extraction with phenol:chloroform. Cold Spring Harb. Protoc. 2006;2006(1): pdb.prot4455. DOI: 10.1101/pdb.prot4455.

34. Santos R.D., Gidding S.S., Hegele R.A., Cuchel M.A., Barter P.J., Watts G.F., Baum S.J., Catapano A.L., Chapman M.J., Defesche J.C., Folco E., Freiberger T., Genest J., Hovingh G.K., Harada-Shiba M., Humphries S.E., Jackson A.S., Mata P., Moriarty P.M., Raal F.J., Al-Rasadi K., Ray K.K., Reiner Z., Sijbrands E.J., Yamashita S., International Atherosclerosis Society Severe Familial Hypercholesterolemia Panel. Defining severe familial hypercholesterolaemia and the implications for clinical management: a consensus statement from the International Atherosclerosis Society Severe Familial Hypercholesterolemia Panel. Lancet Diabetes Endocrinol. 2016;4(10):850-861. DOI: 10.1016/S2213-8587(16)30041-9.

35. Semaev S., Shakhtshneider E., Orlov P., Ivanoshchuk D., Malyutina S., Gafarov V., Ragino Y., Voevoda M. Association of rs708272 (CETP gene variant) with lipid profile parameters and the risk of myocardial infarction in the white population of Western Siberia. Biomolecules. 2019;9(11):739. DOI: 10.3390/biom9110739.

36. Speranza F., Mahankali M., Henkels K.M., Gomez-Cambronero J. The molecular basis of leukocyte adhesion involving phosphatidic acid and phospholipase D. J. Biol. Chem. 2014;289(42):28885-28897. DOI: 10.1074/jbc.M114.597146.

37. Strickland D.K., Gonias S.L., Argraves W.S. Diverse roles for the LDL receptor family. Trends Endocrinol. Metab. 2002;13(2):66-74. DOI: 10.1016/s1043-2760(01)00526-4.

38. Surendran R.P., Visser M.E., Heemelaar S., Wang J., Peter J., Defesche J.C., Kuivenhoven J.A., Hosseini M., Péterfy M., Kastelein J.J., Johansen C.T., Hegele R.A., Stroes E.S., Dallinga-Thie G.M. Mutations in LPL, APOC2, APOA5, GPIHBP1 and LMF1 in patients with severe hypertriglyceridaemia. J. Intern. Med. 2012;272(2):185-196. DOI: 10.1111/j.1365-2796.2012.02516.x.

39. Szklarczyk D., Gable A.L., Lyon D., Junge A., Wyder S., Huerta-Cepas J., Simonovic M., Doncheva N.T., Morris J.H., Bork P., Jensen L.J., Mering C.V. STRING v11: protein-protein association networks with increased coverage, supporting functional discovery in genome-wide experimental datasets. Nucleic Acids Res. 2019; 47(D1):D607-D613. DOI: 10.1093/nar/gky1131.

40. Tanguy E., Kassas N., Vitale N. Protein-phospholipid interaction motifs: A focus on phosphatidic acid. Biomolecules. 2018;8(2):20. DOI: 10.3390/biom8020020.

41. Tanguy E., Wolf A., Wang Q., Chasserot-Golaz S., Ory S., Gasman S., Vitale N. Phospholipase D1-generated phosphatidic acid modulates secretory granule trafficking from biogenesis to compensatory endocytosis in neuroendocrine cells. Adv. Biol. Regul. 2022;83:100844. DOI: 10.1016/j.jbior.2021.100844.

42. Ta-Shma A., Zhang K., Salimova E., Zernecke A., Sieiro-Mosti D., Stegner D., Furtado M., Shaag A., Perles Z., Nieswandt B., Rein A.J., Rosenthal N., Neiman A.M., Elpeleg O. Congenital valvular defects associated with deleterious mutations in the PLD1 gene. J. Med. Genet. 2017;54(4):278-286. DOI: 10.1136/jmedgenet-2016-104259.

43. Teramoto R., Tada H., Kawashiri M.A., Nohara A., Nakahashi T., Konno T., Inazu A., Mabuchi H., Yamagishi M., Hayashi K. Molecular and functional characterization of familial chylomicronemia syndrome. Atherosclerosis. 2018;269:272-278. DOI: 10.1016/j.atherosclerosis.2017.11.006.

44. Torres M.M.T., Mora-Hernández S., Vázquez Cárdenas N.A., González Jaimes A. Homozygous familial hypercholesterolemia: the c.1055G>A mutation in the LDLR gene and clinical heterogeneity. J. Clin. Lipidol. 2014;8(5):525-527. DOI: 10.1016/j.jacl.2014.05.002.

45. Vaezi Z., Amini A. Familial Hypercholesterolemia. In: StatPearls. StatPearls Publishing: Treasure Island, FL, USA, 2022. Available online: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK556009/ (accessed on 24 July 2022).

46. Valdes V.J., Athie A., Salinas L.S., Navarro R.E., Vaca L. CUP-1 is a novel protein involved in dietary cholesterol uptake in Caenorhabditis elegans. PLoS One. 2012;7(3):e33962. DOI: 10.1371/journal.pone.0033962.

47. Vasilyev V., Zakharova F., Bogoslovskaya T., Mandelshtam M. Familial hypercholesterolemia in Russia: three decades of genetic studies. Front. Genet. 2020;11:550591. DOI: 10.3389/fgene.2020.550591.

48. Wiegman A., Gidding S.S., Watts G.F., Chapman M.J., Ginsberg H.N., Cuchel M., Ose L., … Santos R.D., Stalenhoef A.F., Steinhagen-Thiessen E., Stroes E.S., Taskinen M.R., Tybjærg-Hansen A., Wiklund O., European Atherosclerosis Society Consensus Panel. Familial hypercholesterolaemia in children and adolescents: gaining decades of life by optimizing detection and treatment. Eur. Heart J. 2015;36(36):2425-2437. DOI: 10.1093/eurheartj/ehv157.

49. World Health Organization-Human genetics DoNDP. Familial hypercholesterolaemia: report of a second World Health Organization consultation, Geneva: WHO; 1999. URL: https://apps.who.int/iris/handle/10665/66346 (Application: 14.11.2022).

50. Wuni R., Kuhnle G.G.C., Wynn-Jones A.A., Vimaleswaran K.S. A nutrigenetic update on CETP gene-diet interactions on lipid-related out-comes. Curr. Atheroscler. Rep. 2022;24(2):119-132. DOI: 10.1007/s11883-022-00987-y.

51. Zakharova F.M., Damgaard D., Mandelshtam M.Y., Golubkov V.I., Nissen P.H., Nilsen G.G., Stenderup A., Lipovetsky B.M., Konstantinov V.O., Denisenko A.D., Vasilyev V.B., Faergeman O. Familial hypercholesterolemia in St.-Petersburg: the known and novel mutations found in the low density lipoprotein receptor gene in Russia. BMC Med. Genet. 2005;6:6. DOI: 10.1186/1471-2350-6-6.