Neurogenetická analýza dětské dezintegrační poruchy

Studované subjekty

Klinické charakteristiky kohorty CDD a počet subjektů vyšetřených jednotlivými metodami studie jsou uvedeny v tabulce 1. Poměr pohlaví 3,25 mužů na 1 ženu je podobný poměru uváděnému u poruch autistického spektra. Průměrný a mediánový věk při nástupu příznaků byl 46, resp. 40 měsíců, s rozmezím 28 až 84 měsíců. Sedmdesát procent subjektů zažilo prodrom úzkosti a teroru. Třicet procent subjektů mělo několik epizod regrese. Délka první regresivní epizody se pohybovala od 2 měsíců do téměř 7 let u jednoho subjektu. Většina subjektů měla těžkou až hlubokou ID, přičemž průměrné a mediánové IQ bylo 30, resp. 26, s rozmezím od 8 do 74 bodů. Všichni měli ztrátu jazykových schopností, ztrátu sociálních dovedností nebo adaptivního chování a ztrátu herních dovedností. Šedesát pět procent mělo ztrátu ovládání střev nebo močového měchýře a stejný podíl měl ztrátu motorických schopností. Ačkoli se uvádí, že CDD se téměř vždy vyskytuje sporadicky, několik našich subjektů má přímé rodinné příslušníky s ASD nebo autistickými rysy, včetně dvou sad jednovaječných dvojčat. Oba členové jednoho páru (CDD13-03/04) mají CDD; u druhého páru (CDD20-03/04) má jeden CDD a druhý ASD.

Genetika

Vzhledem k vzácnosti, závažnosti a zřejmě sporadickému přenosu pozorovanému u většiny případů CDD jsme předpokládali, že k etiologii přispívají vzácné varianty s velkým účinkem. Ve skutečnosti existuje mnoho důkazů o příspěvku vzácných variant k ASD . Jak ukazuje tabulka 2, u všech probandů kromě jednoho jsme nalezli jednu nebo více vzácných variant, které nesdíleli žádní nepostižení kontrolní sourozenci (doplňkový soubor 2: tabulka S2). U subjektů jsme také hledali složené heterozygotní varianty hledáním dalších variant v genech ovlivněných de novo variantami, ale žádné jsme nenašli. Míra výskytu všech vysoce pravděpodobných (bayesovské skóre kvality ≥ 50) de novo variant byla 0,80/proband exom a 0,92/sourozenecký exom (doplňkový soubor 2: tabulka S3), což je podobné celkové míře vypočtené z 11 nedávných studií WES u neurovývojových poruch: 1,00/proband exom, n = 2358; 0,82/kontrolní exom, n = 731 . Mezi probandy a sourozenci nebyly zjištěny žádné významné rozdíly v míře výskytu nesynonymních variant de novo, homozygotních a hemizygotních variant (doplňkový soubor 2: tabulka S3), míře postižení genů exprimovaných v mozku, skóre zachování fylogenetické hodnoty P (PhyloP) v pozicích variant, skóre reziduální variační intolerance (RVIS) a skóre fenotypizace polymorfismu v2 (PolyPhen-2) (doplňkový soubor 2: tabulka S2).

Nalezli jsme jednu de novo genovou CNV u probanda (0,07/probanda, tabulka 2), což je podobné míře dříve uváděné u ASD , a žádnou u sourozenců. CNV u probanda je 2 kb heterozygotní delece 3′UTR OGDHL, který kóduje složku mitochondriálního proteinového komplexu zapojeného do neurodegenerace . Jeden gen, SUPT20HL2, a dvě genové rodiny, USP a BBS, jsou postiženy u více než jednoho probanda CDD. V genu SUPT20HL2, který kóduje předpokládaný transkripční faktor, ale podle databáze UniProtKB (http://www.uniprot.org/) by se mohlo jednat o pseudogen, byly identifikovány dvě hemizygotní missense varianty. U probandů s CDD jsou postiženi tři členové rodiny genů USP (ubikvitin-specifická peptidáza): USP9X (hemizygotní missense), USP9Y (paternálně zděděný non-sense) a USP26 (hemizygotní missense). Kódují deubikvitinační enzymy, které zabraňují degradaci proteinů. Dva členové rodiny genů Bardet-Biedelova syndromu (BBS), která se podílí na ciliogenezi, mají u probandů s CDD de novo missense varianty: BBS5 a BBS9. Ačkoli specifické varianty měnící proteiny identifikované u osob s CDD byly vzácné a nebyly dříve spojovány s onemocněním, prošli jsme literaturu a zjistili jsme určité překrývání mezi kandidátními geny CDD a geny potenciálně spojovanými s jinými neurologickými poruchami (tabulka 2).

U probandů s CDD nebyly nalezeny žádné jednoznačně škodlivé varianty. Pro identifikaci potenciálně patogenních variant jsme zvažovali kombinaci několika faktorů: (1) pozitivní mozková exprese, (2) skóre PhyloP ≥ 1,30 (P = 0,05 pro zachování), (3) negativní RVIS (gen netolerující variace) a (4) klasifikace PolyPhen-2 pravděpodobně poškozující missense (nebo n/a v důsledku jiné varianty než missense). Ze 47 kandidátních genů CDD jich 14 splňovalo všechna tato kritéria: NRK, TBC1D8B, TRRAP, NAV2, OGDHL, ZNF236, PRKCSH, MTMR8, BCOR, SRPK3, USP9Y, KIAA2018, CXorf57 a ALG13 (tabulka 2). Pro další upřesnění tohoto seznamu byla provedena kontrola sekvenačních dat z konsorcia Exome Aggregation Consortium (http://exac.broadinstitute.org/): (1) varianty ve všech genech kromě NAV2, MTMR8 a ALG13 jsou nové nebo se v souboru dat vyskytují maximálně jednou a (2) ze zbývajících 11 genů patří 4 mezi 5 % nejtolerantnějších: TRRAP, ZNF236, BCOR a KIAA2018.

TRRAP (transformation/transcription domain-associated protein)postižený de novo missense variantou u mužského CDD probanda; kóduje složku histonacetyltransferázových komplexů a podílí se na transkripci a opravě DNA. Není spojen s žádnou poruchou OMIM, ale de novo varianty byly identifikovány u jiných neurologických poruch (tabulka 2). ZNF236 (Zinc Finger Protein 236) je také postižen de novo missense variantou u mužského probanda; může se podílet na regulaci transkripce (UniProtKB), ale není spojen se známou poruchou. BCOR (BCL6 Corepressor) je postižen hemizygotní missense variantou u mužského probanda s CDD; kóduje transkripční korepresor. Je spojena se syndromickou mikroftalmií, která může mít rysy ID, ale jinak necharakterizuje CDD probanda a je obvykle způsobena zkracujícími mutacemi u žen. KIAA2018 je postižena homozygotní delecí jedné aminokyseliny u mužského probanda CDD; je také známá jako USF3 (upstream transcription factor 3). Není spojen s žádnou poruchou OMIM, ale de novo varianty byly identifikovány u jiných neurologických poruch (tabulka 2). Za zmínku stojí, že všechny tyto hlavní kandidátské geny buď hrají roli, nebo se mohou podílet na transkripci, která charakterizuje i mnoho genů spojených s ASD .

Pomocí souboru dat transkriptomu lidského exonového pole BrainSpan , jsme vynesli medián úrovně exprese kandidátských genů CDD jako skupiny pro všechny dostupné oblasti mozku od embryonálního stadia až po pozdní dospělost (n = 40 genů zastoupených jednou v základním souboru sond, Additional file 2: Table S4). Jak ukazuje profil exprese na obr. 1, kandidátní geny CDD jsou více exprimovány v neokortikálních oblastech ve srovnání s neokortikálními oblastmi v průběhu celého života (Additional file 2: Table S5). Navíc se zvyšuje úroveň exprese v AMY, STR a HIP během období 10 (1-6 let) a 11 (6-12 let), což je rozmezí, které zahrnuje věk nástupu příznaků v naší kohortě CDD.

Vzhledem k tomuto pozorování jsme porovnali rozdíl v mediánu hladin exprese mezi neokortikálními a neokortikálními oblastmi pro geny ovlivněné nesynonymními a synonymními variantami u probandů CDD, jejich nepostižených sourozenců a probandů s poruchou autistického spektra ze sbírky Simons Simplex (SSC) s regresí a bez regrese srovnaných podle pohlaví, věku při hodnocení, IQ a závažnosti příznaků autismu (viz doplňkový soubor 1: Doplňkové informace pro podrobnosti o výběru kohorty). Expresní profil kandidátních genů CDD se kvalitativně liší od ostatních souborů genů, s výjimkou toho, že je podobný profilu genů ovlivněných nesynonymními variantami u probandů SSC s regresí, i když mají společný pouze jeden gen, NAV2 (obr. 2, doplňkový soubor 2 : tabulky S4 a S6). Rozdíl v expresi, neokortikální minus neokortikální, dosahuje maximální kladné hodnoty ve středních fázích plodu. U kandidátních genů CDD k tomu dochází v šesté periodě ; permutační testování se 100 000 iteracemi 40 náhodně vybraných genů ze souboru dat BrainSpan potvrdilo významnost této rozdílné exprese (P = 0,0022). Analýzu jsme rozšířili na několik dalších souborů genů, jako jsou geny identifikované u probandů SSC a nepostižených sourozenců s nesynonymními, synonymními a LGD variantami; geny nejvýznamněji spojené s ASD podle tří nedávných rozsáhlých studií WES a CNV ; a všechny geny v datovém souboru BrainSpan. Expresní profil genů ovlivněných nesynonymními variantami u CDD probandů a SSC probandů s regresí se kvalitativně liší i od těchto ostatních souborů (Doplňkový soubor 1: Obrázek S1, Doplňkový soubor 2: Tabulky S4 a S6).

Zkoumali jsme také, zda jsou kandidátní geny CDD vzájemně koexprimovány. Ze 40 kandidátních genů je 11 koexprimováno s alespoň jedním dalším kandidátním genem ve všech oblastech mozku a časových obdobích s Pearsonovým korelačním koeficientem r ≥ 0,7 (obr. 3, doplňkový soubor 2: tabulka S7). Takových spojení je 23, což představuje průměrně 2,09 korelace/genu a průměrný koeficient 0,779. Permutační testování se 100 000 iteracemi 40 náhodně vybraných genů ze souboru dat BrainSpan ukázalo, že pozorování 11 genů s alespoň 2,09 korelací/genu je významné (P = 0,036), stejně jako pozorování 11 genů s průměrným korelačním koeficientem alespoň 0,779 (P = 0,019). Dosažení obou prahových hodnot je rovněž významné (P = 0,0059). Vzhledem k tomu, že všech 11 kandidátních genů CDD, které jsou vzájemně koexprimovány, má pozitivní mozkovou expresi podle datové sady BrainSpan, bylo provedeno také permutační testování se 100 000 iteracemi se 40 náhodně vybranými geny s mozkovou expresí ze sady BrainSpan. Zatímco pozorování 11 genů s alespoň 2,09 korelací/genu není významné (P = 0,066), pozorování 11 genů s průměrným korelačním koeficientem alespoň 0,779 je významné (P = 0,022), stejně jako splnění obou prahových hodnot (P = 0,011). Srovnání souboru 11 koexprimovaných kandidátních genů CDD se zbývajícím souborem 29 genů, které nejsou koexprimovány, neodhalilo žádné významné rozdíly mezi mírou exprese genů v mozku, skóre PhyloP nebo skóre PolyPhen-2; koexprimované geny jsou však významně netolerantnější k odchylkám (průměrný RVIS -1,42 oproti -0,15, t(35) = -2,91, P = 0,0062, nezávislý t test, dvouvýběrový). Analýza obohacení genové ontologie pomocí Database for Annotation, Visualization and Integrated Discovery v6.8 (https://david.ncifcrf.gov/) pro celý soubor kandidátních genů CDD a podsoubor 11 koexprimovaných genů neidentifikovala významné obohacení GO termínů po Benjamini-Hochbergově korekci hodnot P.

Neurální systémy

Vzhledem k univerzálnosti sociálních deficitů u poruch autistického spektra je dysfunkce mozkových systémů sloužících sociálnímu vnímání, včetně vnímání tváří, klíčovým předmětem výzkumu poruch autistického spektra. Vizuální podněty v podobě obličejů a domů spolehlivě aktivují a disociují systémy zapojené do zpracování socioemočních (obávané obličeje) a nesocioemočních (domy) informací. Studovali jsme čtyři kohorty: CDD (n = 7), LFASD (n = 7), HFASD (n = 14) a TD (n = 19). Přestože jedinců s LFASD je více než jedinců s CDD, velikost našeho vzorku byla stále omezena obtížemi při získávání vysoce kvalitních neurozobrazovacích (a eye-trackingových) dat u nízkofunkčních subjektů. Přesto se, pokud je nám známo, jedná o vůbec první prezentaci nesedativních dat fMRI od jedinců s PASD a výrazným ID.

Mezi čtyřmi kohortami nebyly zjištěny žádné významné rozdíly v pohlaví, věku, intrakraniálním objemu a pohybu hlavy ve skeneru. Skupiny CDD a LFASD se rovněž významně nelišily podle IQ a závažnosti autismu a skupiny HFASD a TD se významně nelišily podle IQ (Additional file 2: Tables S8 and S9). Nejprve jsme využili objevný vzorek 12 z našich 19 subjektů TD v analýze celého mozku pro nezávislou lokalizaci zájmových oblastí zapojených do zpracování tváří vzhledem k domům. Obrázek 4a znázorňuje oblasti ventrolaterální okcipitotemporální kůry, kde subjekty TD vykazovaly významnou aktivaci tváří > domů (Doplňkový soubor 2: tabulka S10). Tyto oblasti zahrnovaly očekávané umístění dobře známých uzlů okcipitotemporální sítě citlivé na obličeje včetně fusiformní oblasti obličeje a okcipitální oblasti obličeje . Jak ukazuje obr. 4b a doplňkový soubor 2: tabulka S11, extrakce průměrné procentuální změny signálu (tváře > domy) pro každou ze čtyř skupin ukázala absenci skupinových rozdílů v reakci na tváře oproti domům v těchto nezávisle definovaných oblastech zájmu při srovnání skupin TD:validace a HFASD a při srovnání skupin LFASD a CDD . Reakce na tváře > domů v rámci skupiny CDD nebyla významně větší než nula , což naznačuje celkovou nedostatečnou citlivost na tváře v okcipitotemporální síti citlivé na tváře jako celku. Existuje dobře známý nález hypoaktivace na tváře (oproti domům) v pravém, středním fusiformním gyru u HFASD oproti TD . Tento nález se nám podařilo replikovat v našich kohortách . Srovnání aktivity tváří > domů u CDD oproti TD však neodhalilo žádný významný rozdíl , stejně jako srovnání skupin LFASD a TD (doplňkový soubor 1: obrázek S2 a doplňkový soubor 2: tabulka S12).

Vzhledem k možné nedostatečné citlivosti na tváře ve ventrolaterální okcipitotemporální kůře u CDD jsme dále provedli hodnocení celého mozku subjektů CDD, abychom lokalizovali neuroanatomické substráty vnímání tváří u těchto jedinců. Jak je znázorněno na obr. 5a, subjekty CDD vykazovaly aktivitu obličejů >domů ve středním frontálním gyru, precentrálním gyru, kaudátu (striatu), thalamu, hipokampu a mozečku (doplňkový soubor 2: tabulka S13). Tyto oblasti se překrývají s oblastmi mozku, u nichž byla zjištěna nejvyšší úroveň exprese kandidátních genů CDD (obr. 1). Jak ukazuje obr. 5b a Doplňkový soubor 2: Tabulka S14, porovnání průměrné procentuální změny signálu (tváře > domů) z těchto zájmových oblastí odhalilo významný rozdíl mezi CDD a HFASD , ale žádný významný rozdíl mezi CDD a LFASD . Skupina LFASD vykazovala přechodný fenotyp ke skupinám HFASD a CDD (obr. 5b).

Chování při pohledu do očí

Sbírali jsme data ze sledování očí, abychom kvantifikovali sociální fenotyp našich čtyř kohort při pohledu na emoční tváře . Jak je uvedeno v Doplňkovém souboru 2: Tabulky S15 a S16, skupiny se významně nelišily podle pohlaví, věku a celkové doby fixace na obrázku. Skupiny CDD a LFASD se také významně nelišily podle IQ a závažnosti autismu a skupiny HFASD a TD se významně nelišily podle IQ. Jak ukazuje obr. 6, opakujeme předchozí zjištění snížené fixace na oči a zvýšené fixace na ústa u HFASD oproti TD. Avšak zatímco procento času, které subjekty s LFASD strávily pohledem na oči, se významně nelišilo od skupiny HFASD , subjekty CDD fixovaly oči významně více než skupina HFASD . Ve vzájemném srovnání se subjekty s CDD a LFASD významně nelišily v čase stráveném pohledem na oči . Stejně jako u výsledků fMRI (obr. 5b) vykazovala skupina LFASD přechodný fenotyp k fenotypu skupin HFASD a CDD (poměr očí a úst, doplňkový soubor 2: tabulka S16).

.