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ScienceDirect www.sciencedirect.com Annales d’Endocrinologie 76 (2015) 105–109

Journées Klotz 2015

Mutations paternelles de GNAS : quels phénotypes ? Quel conseil génétique ? Paternal GNAS mutations: Which phenotypes? What genetic counseling? Marie-Laure Kottler Department of Genetics, Reference centre for rare disease of calcium and phosphorus metabolism, Caen University Hospital, 14033 Caen, France

Résumé Les mécanismes d’empreinte parentale et la nature de l’altération génétique jouent un rôle déterminant dans l’expression phénotypique des lésions du locus GNAS associées à l’ostéodystrophie héréditaire d’Albright (OHA). L’OHA est un syndrome associant petite taille, facies lunaire, obésité, ossifications sous-cutanées et brachymétacarpie (essentiellement 4e et 5e rayon). Une mutation perte de fonction de GNAS située sur l’allèle d’origine maternelle entraîne une résistance hormonale à la PTH au niveau du rein et à la TSH au niveau de la thyroïde, tableau décrit sous le nom de pseudohypoparathyroïdie 1a (PHP1a). Si la mutation est située sur l’allèle paternel, il n’y a pas de résistance hormonale et le diagnostic de pseudopseudo hypoparathyroidie (pseudo-PHP) est rarement fait devant le syndrome dysmorphique. Néanmoins, le phénotype des mutations situées sur l’allèle paternel s’avère plus complexe. L’obésité est rarement présente et les patients ont le plus souvent présenté un retard de croissance intra-utérin sévère voire une prématurité. Plus récemment, les mutations de GNAS localisées sur l’allèle paternel ont été associées à une maladie rare l’hétéroplasie progressive osseuse (POH). De plus, les poids de naissance étaient plus bas chez les patients porteurs d’une mutation GNAS sur l’allèle paternel touchant les exons 2–13 que les mutations touchant l’exon 1/intron 1 suggérant un rôle de perte de fonction de XLs. La POH est caractérisée par une ossification à l’intérieur du derme, apparaissant dans l’enfance, qui suit un développement extensif et progressif vers les tissus profonds pour former de l’os hétérotopique. La transmission est autosomique dominante Il n’y a pas de relation génotype/phénotype le processus d’ossification reste très variable. Cette variabilité rend le conseil génétique difficile en particulier lorsque la mutation est héritée du père. © 2015 Publié par Elsevier Masson SAS. Mots clés : Pseudohypoparathyroïdie 1a ; Pseudo-pseudohypoparathyroïdie ; Empreinte parentale ; Hétéroplasie progressive osseuse ; Ostéodystrophie héréditaire d’Albright ; Retard de croissance intra-utérin

Abstract Parental imprinting and the type of the genetic alteration play a determinant role in the phenotype expression of GNAS locus associated to pseudohypoparathyroidism (PHP). GNAS locus gives rise to several different messenger RNA transcripts that are derived from the paternal allele, the maternal allele, or both and can be either coding or non-coding. As a consequence, GNAS mutations lead to a wide spectrum of phenotypes. An alteration in the coding sequence of the gene leads to a haplo-insufficiency and a dysmorphic phenotype (Albright’s syndrome or AHO). AHO is a clinical syndrome defined by specific physical features including short stature, obesity, round-shaped face, subcutaneous ossifications, brachymetarcapy (mainly of the 4th and 5th ray). If the alteration is on the maternal allele, there is a hormonal resistance to the PTH at the kidney level and to the TSH at the thyroid level. The phenotype is known as pseudohypoparathyroidism type 1a (PHP1a). If the alteration is on the paternal allele, there are few clinical signs with no hormonal resistance and the phenotype is known as pseudopseudo hypoparathyroidism (pseudo-PPHP). Heterozygous GNAS mutations on the paternal GNAS allele were associated with intra uterin growth retardation (IUGR). Moreover, birth weights were lower with paternal GNAS mutations affecting exon 2-13 than with exon 1/intron 1 mutations suggesting a role for loss of function XL␣s. Progressive osseous heteroplasia (POH) is a rare disease of ectopic bone formation, characterized by cutaneous and subcutaneous ossifications progressing towards deep connective and muscular tissues. POH is caused by a heterozygous GNAS inactivating mutation and has been associated

Adresse e-mail : [email protected] http://dx.doi.org/10.1016/j.ando.2015.03.010 0003-4266/© 2015 Publié par Elsevier Masson SAS.

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with paternal inheritance. However, genotype/phenotype correlations suggest that there is no direct correlation between the ossifying process and parental origin, as there is high variability in heterotopic ossification. Clinical heterogeneity makes genetic counseling a very delicate matter, specifically where paternal inheritance is concerned as it can lead either to a mild expression of pseudo-PHP or to a severe one of POH. © 2015 Published by Elsevier Masson SAS. Keywords: Pseudohypoparathyroidism 1a; Albright hereditary osteodystrophy; Imprinting; Pseudo-pseudohypoparathyroidism; Progressive osseous heteroplasia; Intra uterin growth retardation

Les progrès de la génétique ont permis de mettre en exergue la complexité des phénotypes associés aux variations génétiques du locus GNAS rendant nécessaire un conseil génétique adapté au type de mutation et à son mode de transmission. Le locus GNAS situé sur le chromosome 20 (20q13) est un locus dans lequel s’exprime toute la complexité de la génétique : épissage alternatif et empreinte parentale [1–4]. Lors de la transcription (synthèse d’ARN), un mécanisme d’épissage alternatif à partir d’un exon 1 spécifique qui se raccorde sur les exons 2-13 conduit à l’expression de différentes molécules d’ARNs : ARNs messager qui codent pour des protéines spécifiques telles que Gs␣ (protéine qui fait partie du complexe hétérotrimérique des protéines G pour stimuler l’adénylate cyclase et produire comme second message de l’AMPc), NESP55 (protein chromogranine-like) et XL␣s (isoforme extralarge de la protéine G␣s) ; ARN non codants tel que A/B, dont l’expression en cis est associée à une perte d’expression de l’ARN messager de Gs␣ et enfin un ARN anti-sens (AS) dont le rôle est encore inconnu (Fig. 1). À cette première complexité, s’ajoute un mécanisme décrit sous le nom d’empreinte parentale : alors que pour la majorité des gènes situés sur des autosomes, les deux allèles paternel et maternel sont transcrits puis traduits, l’empreinte parentale correspond à une expression mono-allélique : seul l’allèle paternel ou l’allèle maternel est transcrit. Pour aggraver encore cette complexité l’empreinte parentale au niveau du locus GNAS est tissu-spécifique et touche plus particulièrement le rein, la glande thyroïde. Au début des années 2000, il a été montré que les promoteurs des régions qui gouvernaient l’expression des exons 1 alternatifs étaient méthylés de fac¸on différente (DMR) sur les allèles maternel et paternel : seul l’allèle dont le promoteur n’est pas méthylé est transcrit (Fig. 1). Ainsi XL␣s, AS et A/B sont transcrits à partir de l’allèle paternel alors que NESP55 est transcrit uniquement à partir de l’allèle maternel. L’expression de Gs␣, est bi-allélique dans la majorité des tissus sauf au niveau du rein et de la thyroïde où elle est majoritairement d’origine maternelle. Une mutation perte de fonction dans la partie codante du gène GNAS entraîne une haplo-insuffisance et un phénotype dysmorphique décrit sous le nom d’ostéodystrophie d’Albright (OHA) [5]. Ce phénotype est caractérisé par une petite taille, une brachymétacarpie et brachymétatarsie qui concerne essentiellement les 4e et 5e rayons. S’y associent des ossifications sous-cutanées qui peuvent se présenter sous forme de simples indurations sous-cutanées dont la distribution asymétrique doit attirer l’attention.

Dans les tissus où GNAS est soumis à empreinte, les mutations pertes de fonctions sur l’allèle maternel actif entraînent une déficience sévère en Gs␣ et une résistance hormonale principalement à la PTH et à la TSH (pseudohypoparathyroidism type 1a, PHP1a ; OMIM number 103580) (online Mendelian inheritance in man) alors que les mêmes mutations sur l’allèle paternel inactif ont peu d’effets sur l’expression de Gs␣, et ne sont pas associées à une résistance hormonale d’où le nom de pseudo-pseudo-hypoparathyroïdie ([pseudo-PHP] : OMIM number 300800) [6–10] (Fig. 2). Le syndrome dysmorphique est aussi différent : si la brachymétacarpie est commune aux deux phénotypes, l’obésité observée dans la PHP-1a n’est pas retrouvée dans la pseudo-PHP [11]. Les lésions d’ossification sous-cutanées sont beaucoup plus sévères lorsque la mutation siège sur l’allèle d’origine paternelle [12]. Dès lors, le phénotype clinique des mutations du gène GNAS situées sur l’allèle paternel ne peut se limiter à l’absence de résistance hormonale. Les différences phénotypiques sont plus complexes. En effet, récemment le phénotype clinique a été étendu à la présence de lésions osseuses sous-cutanées extensives : l’hétéroplasie osseuse progressive ou POH [13].

1. Phénotypes lié aux mutations de GNAS sur l’allèle paternel 1.1. Une mutation de GNAS sur l’allèle paternel n’entraîne pas d’obésité Le phénotype pseudo-PHP a fait l’objet d’une minutieuse analyse par l’équipe de Weinstein et al. [11,12]. Il existe une différence significative pour le poids, différence plus nette chez les enfants. En effet, 90 % des patients PHP-1a sont obèses alors que le BMI est proche des valeurs de la population normale chez les sujets pseudo-PHP et aucun de ces patients ne présente d’obésité extrême. L’origine de cette différence n’est toujours pas claire dans la mesure où il n’a pas été mis en évidence d’empreinte parentale au niveau du tissu adipeux. Plusieurs hypothèses sont soulevées : existence d’une empreinte parentale de Gs au niveau de l’hypothalamus en particulier sur la voie de signalisation de la mélanocortine qui a un rôle important dans la régulation de la balance énergétique [14] ; altération de la différenciation adipo-génique des cellules mésenchymateuses [15]. Des travaux effectués chez la souris ont montré que des mutations sur l’allèle paternel de Gs␣ altéraient l’expression de facteurs adipogéniques. L’administration de forskoline, activateur in vitro de l’adénylcyclase, était capable de corriger cette altération [16].

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Paternal

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* * **

Maternal

*

**

** 1

STX1

NESP

AS

XL

A/B

2-13

GNAS

Fig. 1. Représentation schématique du locus GNAS (chromosome 20). Le schéma n’est pas à l’échelle. Les différents exons sont représentés par des rectangles. Les différents exons 1 sont représentés par des grisés différents. Les flèches indiquent le sens de la transcription. *Les étoiles représentent les sites de méthylations. STX représente le centre d’empreinte. Schematic representation of the GNAS locus (chromosome 20). The scheme is not to scale; exons are represented by rectangles. The alternative first exons are shown in gray. Arrows indicated the direction of transcription; the methylation sites are localized as stars. STX is the imprinting center.

Fig. 2. Mécanisme de l’empreinte parentale. Parental imprinting mechanisms.

1.2. Une mutation de GNAS sur l’allèle paternel est associée à un phénotype d’ossifications progressives morbide Les lésions d’ossification font partie de l’ostéodystrophie héréditaire d’Albright et sont particulièrement retrouvées chez les sujets qui présentent une pseudo-PHP [12]. En 1994, l’équipe de Kaplan et Shore [17] a identifié un nouveau syndrome appelé hétéroplasie osseuse progressive (OMIM number 166350). C’est une maladie rare, caractérisée par une ossification principalement intra-membraneuse, initiée dans le derme et souvent au sein du tissu adipeux. Elle apparaît dans l’enfance et suit un développement extensif et progressif vers les tissus profonds pour former de l’os hétérotopique. En 2002, la même équipe a montré que des mutations perte de fonction de GNAS situées sur l’allèle paternel étaient responsables de cette affection [13]. Ces ossifications peuvent survenir par poussées et sont irréversibles, leur caractéristique principale est leur évolution extensive à la fois en plaques mais aussi en profondeur vers les tissus mous dont la localisation peut être très invalidante. Néanmoins dans un travail récent [18], nous avons montré que ces lésions d’ossification sous-cutanées ne sont pas spécifiques

de mutations situées sur l’allèle paternel mais existent aussi lorsqu’elles sont sur l’allèle maternel pouvant donner lieu à des formes de PHP1a/POH-like. L’absence de résistance hormonale, l’absence d’obésité permettront de faire le diagnostic précis. Cependant, les résistances hormonales pouvant apparaître tardivement, une étude plus spécifique de ségrégation allélique par des techniques de sous-clonage suivie d’identification de polymorphismes spécifiques d’allèle permettra d’affirmer le diagnostic. Il n’y a aucune corrélation génotype-phénotype particulière et les mêmes mutations sont retrouvées pour la PHP1a, pseudoPHP et la POH. Cependant, dans tous les cas de POH, il s’agit de mutations sévères conduisant à une perte de fonction complète de la protéine Gs␣ : mutations non sens, ou mutation conduisant à l’apparition précoce d’un codon STOP dites « tronquantes » (mutations sur site d’épissage, délétion ou insertion). Le mécanisme évoqué serait que Gs␣ jouerait un rôle critique dans la balance entre la détermination tissu adipeux/tissu osseux des tissus mous. L’inhibition de l’adipogenèse induite par les mutations paternelles de GNAS entraînerait une augmentation de l’expression de facteurs ostéogéniques [19,20].

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1.3. Une mutation de GNAS sur l’allèle paternel est associée à un retard de croissance in utero (RCIU) sévère C’est en reprenant les dossiers de patients présentant une POH, que nous avons observé que tous ces patients avaient présenté un petit poids de naissance et un certain nombre sont nés de fac¸on prématurée. Ceci nous a conduits à faire une enquête rétrospective sur 26 patients présentant une mutation vérifiée de GNAS sur l’allèle paternel. À la naissance, les nouveau-nés ont un poids de naissance exprimé en Z-score à –2,7 DS, une taille à –2,3 DS confirmant un retard de croissance intra-utérin sévère. Il est apparu que le RCIU était moins important lorsque la mutation siégeait sur l’exon 1 de Gs␣ que sur les 12 autres exons qui sont aussi communs avec XL. Cette observation nous a fait suggérer que XL␣s pourrait avoir un rôle important au cours de la croissance fœtale [21]. Par ailleurs, nous avons observé que ce retard de croissance était lié à une hypotrophie placentaire très sévère (< 3e percentile). Les gènes soumis à empreinte ont un rôle important au cours de la croissance et le développement fœtal. L’empreinte parentale permettrait la régulation entre les gènes à expression paternelle qui tentent à stimuler la croissance intra-utérine et lors que les gènes exprimés à partir de l’allèle maternel qui auraient l’effet opposé [22]. Ainsi, la perte de fonction d’un gène exprimé sur l’allèle paternel serait source de restriction fœtale. Enfin, des travaux in vitro ont montré que l’AMP-cyclique a un rôle important dans la fusion du syncytiotrophoblaste [23]. On peut donc envisager qu’un défaut d’expression pourrait altérer la formation du placenta et ses fonctions et entraîner un RCIU. 2. Quels conseils génétiques ? Les mutations perte de fonction au locus GNAS se transmettent de fac¸on autosomique dominante avec donc un risque de transmission de la maladie à la descendance de 50 %. Le conseil génétique doit prendre en considération le mécanisme d’empreinte parentale car le phénotype clinique de la descendance sera différent si la mutation est transmise par la mère ou par le père. Si c’est la mère qui porte la mutation, elle risque dans 50 % des cas de transmettre une PHP-Ia avec OHA, retard mental et résistance hormonale. Si c’est le père qui porte la mutation, il n’y aura pas de résistance hormonale. Cependant, le conseil génétique reste particulièrement difficile en ce qui concerne les risques d’ossifications hétérotopiques. En effet, au sein d’une même famille, les ossifications peuvent être relativement bien tolérées ou au contraire évoluer vers une forme extrêmement sévère et invalidante sans aucun moyen de prédire l’évolution. Un RCIU pourra être le premier signe indiquant la transmission de la mutation à l’enfant. Un diagnostic prénatal peut donc être justifié et proposé. Rappelons qu’un diagnostic pré-implantatoire a même été réalisé dans les formes particulièrement invalidantes [24].

Déclaration d’intérêts L’auteur déclare ne pas avoir de conflits d’intérêts en relation avec cet article. Références [1] Hayward BE, Moran V, Strain L, Bonthron DT. Bidirectional imprinting of a single gene: GNAS1 encodes maternally, paternally, and biallelically derived proteins. Proc Natl Acad Sci U S A 1998;95: 15475–80. [2] Yu S, Yu D, Lee E, Eckhaus M, Lee R, Corria Z, et al. Variable and tissuespecific hormone resistance in heterotrimeric Gs protein alpha-subunit (Gsalpha) knockout mice is due to tissue-specific imprinting of the gsalpha gene. Proc Natl Acad Sci U S A 1998;95:8715–20. [3] Peters J, Wroe SF, Wells CA, Miller HJ, Bodle D, Beechey CV, et al. A cluster of oppositely imprinted transcripts at the Gnas locus in the distal imprinting region of mouse chromosome 2. Proc Natl Acad Sci U S A 1999;96:3830–5. [4] Germain-Lee EL, Ding CL, Deng Z, Crane JL, Saji M, Ringel MD, et al. Paternal imprinting of Galpha(s) in the human thyroid as the basis of TSH resistance in pseudohypoparathyroidism type 1a. Biochem Biophys Res Commun 2002;296:67–72. [5] Albright F, et al. Pseudohypoparathypoidism – an example of “SeabrightBantam syndrome”: report of three cases. Endocrinology 1942;30: 922–32. [6] Levine MA, et al. Resistance to multiple hormones in patients with pseudohypoparathyroidism. Association with deficient activity of guanine nucleotide regulatory protein. Am J Med 1983;74(4): 545–56. [7] Patten JL, et al. Mutation in the gene encoding the stimulatory G protein of adenylate cyclase in Albright’s hereditary osteodystrophy. N Engl J Med 1990;322(20):1412–9. [8] Weinstein LS, et al. Mutations of the Gs alpha-subunit gene in Albright hereditary osteodystrophy detected by denaturing gradient gel electrophoresis. Proc Natl Acad Sci U S A 1990;87(21):8287–90. [9] Weinstein LS, Yu S, Warner DR, Liu J. Endocrine manifestations of stimulatory G protein alpha-subunit mutations and the role of genomic imprinting. Endocr Rev 2001;22:675–705. [10] Marguet C, Mallet E, Basuyau JP, Martin D, Leroy M, Brunelle P. Clinical and biological heterogeneity in pseudohypoparathyroidism syndrome. Results of a multicenter study. Horm Res 1997;48:120–30. [11] Long DN, McGuire S, Levine MA, Weinstein LS, Germain-Lee EL. Body mass index differences in pseudohypoparathyroidism type 1a versus pseudopseudohypoparathyroidism may implicate paternal imprinting of Galpha(s) in the development of human obesity. J Clin Endocrinol Metab 2007;92:1073–9. [12] Adegbite NS, Xu M, Kaplan FS, Shore EM, Pignolo RJ. Diagnostic and mutational spectrum of progressive osseous heteroplasia (POH) and other forms of GNAS-based heterotopic ossification. Am J Med Genet A 2008;146A(14):1788–96. [13] Shore EM, Ahn J, Jan de Beur S, Li M, Xu M, Gardner RJ, et al. Paternally inherited inactivating mutations of the GNAS1 gene in progressive osseous heteroplasia. N Engl J Med 2002;346:99–106. [14] Xie T, Plagge A, Gavrilova O, Pack S, Jou W, Lai EW, et al. The alternative stimulatory G protein alpha-subunit XLalphas is a critical regulator of energy and glucose metabolism and sympathetic nerve activity in adult mice. J Biol Chem 2006;281:18989–99. [15] Chen M, Wang J, Dickerson KE, Kelleher J, Xie T, Gupta D, et al. Central nervous system imprinting of the G protein G(s)alpha and its role in metabolic regulation. Cell Metab 2009;9:548–50. [16] Liu JJ, Russell E, Zhang D, Kaplan FS, Pignolo RJ, Shore EM. Paternally inherited gsalpha mutation impairs adipogenesis and potentiates a lean phenotype in vivo. Stem Cells 2012;30:1477–85. [17] Kaplan FS, Shore EM. Progressive osseous heteroplasia. J Bone Miner Res 2000;15(11):2084–94.

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[Paternal GNAS mutations: Which phenotypes? What genetic counseling?].

Parental imprinting and the type of the genetic alteration play a determinant role in the phenotype expression of GNAS locus associated to pseudohypop...
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