Neurogenetisk analyse af desintegrativ lidelse i barndommen

Studiepersoner

Tabel 1 viser de kliniske karakteristika for CDD-kohorten og antallet af personer, der blev undersøgt ved hver enkelt undersøgelsesmetode. Kønsforholdet på 3,25 mænd for 1 kvinde svarer til det, der er rapporteret for ASD. Gennemsnits- og medianalderen ved symptomdebut var henholdsvis 46 og 40 måneder med et interval på 28 til 84 måneder. Halvfjerds procent af forsøgspersonerne oplevede en prodrome af angst og rædsel. Tredive procent af emnerne havde flere episoder af regression. Længden af den første regressive episode varierede fra 2 måneder til næsten 7 år hos en enkelt forsøgsperson. De fleste forsøgspersoner har alvorlig til dybtgående ID med en gennemsnitlig og median IQ på henholdsvis 30 og 26 med et interval på 8 til 74. Alle havde tab af sproglige færdigheder, tab af sociale færdigheder eller adaptiv adfærd og tab af legefærdigheder. Femogtres procent havde tab af tarm- eller blærekontrol, og den samme andel havde tab af motoriske færdigheder. Selv om CDD er blevet rapporteret som værende næsten altid sporadisk, har et par af vores forsøgspersoner nærmeste familiemedlemmer med ASD eller autistiske træk, herunder to sæt enæggede tvillinger. Begge medlemmer af det ene par (CDD13-03/04) har CDD; i det andet par (CDD20-03/04) har den ene CDD og den anden ASD.

Genetik

Givet sjældenheden, alvorligheden og den tilsyneladende sporadiske overførsel, der ses i de fleste CDD-tilfælde, antog vi, at sjældne varianter med stor effekt bidrager til ætiologien. Der er faktisk rigeligt med beviser for bidrag fra sjældne varianter til ASD . Som det fremgår af tabel 2, fandt vi en eller flere sjældne varianter for alle undtagen én proband, som ikke blev delt af nogen uberørte søskendekontrolpersoner (Additional file 2: Tabel S2). Vi søgte også efter sammensatte heterozygote varianter hos forsøgspersoner ved at søge efter yderligere varianter i gener, der er påvirket af de novo-varianter, men fandt ingen. Raterne for alle de novo-varianter med høj sandsynlighed (Bayesiansk kvalitetsscore ≥ 50) var 0,80/proband exom og 0,92/søskende exom (Yderligere fil 2: Tabel S3), hvilket svarer til de samlede rater beregnet fra 11 nyere WES-undersøgelser af neuroudviklingsforstyrrelser: 1.00/proband exom, n = 2358; 0.82/kontrol exom, n = 731 . Der var ingen signifikante forskelle i hastighederne af ikke-synonyme de novo, homozygote og hemizygote varianter (Yderligere fil 2: Tabel S3); hastigheden af hjerneudtrykte gener, der påvirkes; phylogenetisk P-værdi (PhyloP) bevarelsesscore ved variantpositioner; Residual Variation Intolerance Scores (RVIS); og polymorphism phenotyping v2 (PolyPhen-2) scores (Yderligere fil 2: Tabel S2) mellem probanderne og søskende.

Vi fandt en de novo genisk CNV i en proband (0.07/proband, Tabel 2), hvilket svarer til rater, der tidligere er rapporteret for ASD , og ingen i søskende. Den proband CNV er en 2 kb heterozygot deletion af 3′UTR af OGDHL, som koder for en komponent af et mitokondrieproteinkompleks, der er impliceret i neurodegeneration . Et gen, SUPT20HL2, og to genfamilier, USP og BBS, er påvirket hos mere end én CDD-proband. Der blev identificeret to hemizygote missense-varianter i SUPT20HL2, som koder for en formodet transkriptionsfaktor, men som ifølge UniProtKB-databasen (http://www.uniprot.org/) kunne være en pseudogen. Tre medlemmer af USP (ubiquitin-specifik peptidase)-genfamilien er påvirket hos CDD-probanderne: USP9X (hemizygous missense), USP9Y (paternelt nedarvet non-sense) og USP26 (hemizygous missense). De koder for deubiquitinerende enzymer, der forhindrer nedbrydning af proteiner. To medlemmer af Bardet-Biedel-syndromet (BBS)-genfamilien, som er involveret i ciliogenese, har de novo missense-varianter hos CDD-probander: BBS5 og BBS9. Selv om de specifikke proteinforandrende varianter, der blev identificeret i CDD-probemandene, var sjældne og ikke tidligere forbundet med sygdom, gennemgik vi litteraturen og fandt et vist overlap mellem CDD-kandidatgener og gener, der potentielt er forbundet med andre neurologiske lidelser (tabel 2).

Der var ingen klart skadelige varianter i CDD-probemandene. For at identificere potentielt patogene varianter overvejede vi en kombination af faktorer: (1) positiv hjerneekspression, (2) PhyloP-score ≥ 1,30 (P = 0,05 for bevarelse), (3) negativ RVIS (gen intolerant over for variation) og (4) PolyPhen-2 klassificering af sandsynligvis skadelig missense (eller n/a på grund af en anden variant end missense). Af de 47 CDD-kandidatgener opfyldte 14 alle disse kriterier: NRK, TBC1D8B, TRRAP, NAV2, OGDHL, ZNF236, PRKCSH, MTMR8, BCOR, SRPK3, USP9Y, KIAA2018, CXorf57 og ALG13 (tabel 2). For yderligere at forfine denne liste afslørede inspektion af sekventeringsdata fra Exome Aggregation Consortium (http://exac.broadinstitute.org/), at: (1) varianterne i alle generne undtagen NAV2, MTMR8 og ALG13 er nye eller findes højst én gang i datasættet, og (2) blandt de resterende 11 gener er 4 blandt de 5% mest intolerante: TRRAP, ZNF236, BCOR og KIAA2018.

TRRAP (transformation/transcription domain-associated protein)er påvirket af en de novo missense-variant hos en mandlig CDD-proband; den koder for en komponent af histonacetyltransferase-komplekser og er involveret i DNA-transkription og reparation. Det er ikke forbundet med en OMIM-sygdom, men de novo-varianter er blevet identificeret i andre neurologiske sygdomme (tabel 2). ZNF236 (Zinc Finger Protein 236) er også påvirket af en de novo missense-variant hos en mandlig forsøgsperson; den kan være involveret i transkriptionel regulering (UniProtKB), men er ikke associeret med en kendt lidelse. BCOR (BCL6 Corepressor) er påvirket af en hemizygous missense-variant hos en mandlig CDD-proband; den koder for en transkriptionel corepressor. Den er associeret med syndromisk mikrophthalmia, som kan have karakter af ID, men som ellers ikke karakteriserer CDD-probanden og normalt er forårsaget af trunkerende mutationer hos kvinder. KIAA2018 er påvirket af en homozygot en-aminosyre-deletion hos en mandlig CDD-proband; den er også kendt som USF3 (upstream transkriptionsfaktor 3). Den er ikke associeret med en OMIM-sygdom, men de novo-varianter er blevet identificeret i andre neurologiske sygdomme (tabel 2). Bemærkelsesværdigt er det, at alle disse topkandidatgener enten spiller en rolle eller kan være involveret i transkription, hvilket også karakteriserer mange ASD-associerede gener .

Ved hjælp af det menneskelige BrainSpan exon-array transkriptomdatasæt , plottede vi det mediane ekspressionsniveau for CDD-kandidatgenerne som en gruppe for alle hjerneområder, der er tilgængelige fra embryonale til sene voksenstadier (n = 40 gener repræsenteret en gang i kernesondernes sæt, Yderligere fil 2: Tabel S4). Som det fremgår af ekspressionsprofilen i Fig. 1, udtrykkes CDD-kandidatgener i højere grad i ikke-neokortikale regioner sammenlignet med neokortikale regioner i hele livsforløbet (Additional file 2: Table S5). Desuden er der stigende ekspressionsniveauer i AMY, STR og HIP i perioder 10 (1-6 år gammel) og 11 (6-12 år gammel), det område, der omfatter alderen for symptomdebut i vores CDD-kohorte.

Givet denne observation sammenlignede vi forskellen i medianekspressionsniveauer mellem ikke-neokortikale og neokortikale regioner for gener, der er påvirket af ikke-synonyme og synonyme varianter i CDD-probander, deres uberørte søskende og ASD-probander fra Simons Simplex Collection (SSC) med og uden regression matchet efter køn, alder ved evalueringen, IQ og autismesymptomers sværhedsgrad (se Yderligere fil 1: Supplerende oplysninger for detaljer om kohorteudvælgelse). Ekspressionsprofilen af CDD-kandidatgener er kvalitativt forskellig fra de andre genesæt, bortset fra at den ligner profilen af gener, der er påvirket af ikke-synonyme varianter i SSC-probander med regression, selv om de kun har ét gen, NAV2, til fælles (Fig. 2, Additional file 2 : Tables S4 and S6). Forskellen i ekspression, ikke-neokortikalt minus neokortikalt, når en maksimal positiv værdi i midten af fosterstadiet. For CDD-kandidatgener sker dette ved periode seks ; permutationstest med 100.000 iterationer af 40 tilfældigt udvalgte gener fra BrainSpan-datasættet bekræftede betydningen af denne differentielle ekspression (P = 0,0022). Vi udvidede analysen til flere andre gensæt, såsom dem, der er identificeret i SSC-probander og uberørte søskende med ikke-synonyme, synonyme og LGD-varianter; gener, der er mest signifikant forbundet med ASD af tre nylige store WES- og CNV-undersøgelser ; og alle gener i BrainSpan-datasættet. Ekspressionsprofilen af gener, der er påvirket af ikke-synonyme varianter i CDD-probander og SSC-probander med regression, er også kvalitativt forskellig fra disse andre sæt (Yderligere fil 1: Figur S1, Yderligere fil 2: Tabeller S4 og S6).

Vi undersøgte også, om CDD-kandidatgener er samudtrykt med hinanden. Af de 40 kandidatgener er 11 samudtrykt med mindst ét andet kandidatgen på tværs af alle hjerneområder og tidsperioder med en Pearson-korrelationskoefficient r ≥ 0,7 (Fig. 3, Additional file 2: Table S7). Der er 23 sådanne forbindelser, for et gennemsnit på 2.09 korrelationer/gen og en gennemsnitlig koefficient på 0.779. Permutationstest med 100,000 iterationer af 40 tilfældigt udvalgte gener fra BrainSpan-datasættet viste, at det er signifikant at observere 11 gener med mindst 2.09 korrelationer/gen (P = 0.036), ligesom det er signifikant at observere 11 gener med en gennemsnitlig korrelationskoefficient på mindst 0.779 (P = 0.019). Opfyldelse af begge tærskelværdier er også signifikant (P = 0,0059). Da alle 11 CDD-kandidatgener, der er samudtrykt med hinanden, har positiv hjerneudtryk i henhold til BrainSpan-datasættet, blev der også udført permutationstest med 100 000 iterationer med 40 tilfældigt udvalgte hjerneudtrykte gener fra BrainSpan. Mens det ikke er signifikant at observere 11 gener med mindst 2,09 korrelationer/gen (P = 0,066), er det signifikant at observere 11 gener med en gennemsnitlig korrelationskoefficient på mindst 0,779 (P = 0,022), ligesom det er signifikant at opfylde begge tærskelværdier (P = 0,011). Sammenligning af sættet af 11 samudtrykte CDD-kandidatgener med det resterende sæt på 29, som ikke er samudtrykt, afslørede ingen signifikante forskelle mellem andelen af hjerneudtrykte gener, PhyloP-scoringer eller PolyPhen-2-scoringer; de samudtrykte gener er imidlertid signifikant mere intolerante over for variation (gennemsnitlig RVIS -1,42 versus -0,15, t(35) = -2,91, P = 0,0062, uafhængig t-test, tosidet). Gene ontologiberigelsesanalyse ved hjælp af Database for Annotation, Visualization and Integrated Discovery v6.8 (https://david.ncifcrf.gov/) for hele sættet af CDD-kandidatgener og undergruppen af 11 sameksprimerede gener identificerede ikke signifikant berigelse af GO-termer efter Benjamini-Hochberg-korrektion af P-værdier.

Neurale systemer

I betragtning af de universelle sociale underskud i ASD er dysfunktion i hjernesystemer, der tjener den sociale opfattelse, herunder opfattelsen af ansigter, et centralt fokus i ASD-forskningen. Ansigts- og husvisuelle stimuli aktiverer og dissocierer pålideligt systemer, der er involveret i socioemotionel (frygtsomme ansigter) og ikke-socioemotionel (huse) informationsbehandling. Vi undersøgte fire kohorter: CDD (n = 7), LFASD (n = 7), HFASD (n = 14) og TD (n = 19). Selv om personer med LFASD er mere talrige end personer med CDD, var vores stikprøvestørrelse stadig begrænset af vanskeligheden ved at opnå neuroimaging- (og eye-tracking-) data af høj kvalitet hos lavt fungerende personer. Når det er sagt, er dette, så vidt vi ved, den første præsentation nogensinde af ikke-sedierede fMRI-data fra personer med ASD og markeret ID.

Der var ingen signifikante forskelle i køn, alder, intrakraniel volumen og hovedbevægelse i scanneren mellem de fire kohorter. CDD- og LFASD-grupperne var heller ikke signifikant forskellige efter IQ og autismesværhedsgrad, og HFASD- og TD-grupperne var heller ikke signifikant forskellige efter IQ (Yderligere fil 2: Tabel S8 og S9). For det første anvendte vi en opdagelsesprøve af 12 af vores 19 TD-emner i en helhjerneanalyse for en uafhængig lokalisering af regioner af interesse, der er involveret i behandling af ansigter i forhold til huse. Figur 4a illustrerer regioner af ventrolateral occipitotemporal cortex, hvor TD-emner udviste signifikant ansigter > huse aktivering (Yderligere fil 2: Tabel S10). Disse regioner omfattede de forventede placeringer af velkendte knudepunkter i det occipitotemporale ansigtsfølsomme netværk, herunder det fusiforme ansigtsområde og det occipitale ansigtsområde . Som vist i Fig. 4b og Additional file 2: Table S11, viste ekstraktion af den gennemsnitlige procentvise signalændring (ansigter > huse) for hver af de fire grupper et fravær af gruppeforskelle i responsen på ansigter versus huse i disse uafhængigt definerede regioner af interesse ved sammenligning af TD:validering og HFASD-grupperne og ved sammenligning af LFASD- og CDD-grupperne . Svaret på ansigter > huse i CDD-gruppen var ikke signifikant større end nul , hvilket tyder på en generel mangel på følsomhed over for ansigter i det occipitotemporale ansigtssensitive netværk som helhed. Der er et veletableret fund af hypoaktivering til ansigter (versus huse) i den højre, midterste fusiforme gyrus i HFASD i forhold til TD . Vi var i stand til at replikere dette fund i vores kohorter . Imidlertid afslørede sammenligning af ansigter > huse aktivitet i CDD i forhold til TD ingen signifikant forskel , ligesom sammenligningen af LFASD- og TD-grupperne (Yderligere fil 1: Figur S2 og Yderligere fil 2: Tabel S12).

Givet den mulige mangel på følsomhed over for ansigter i den ventrolaterale occipitotemporale cortex i CDD, gennemførte vi derefter en helhjernevurdering af CDD-emnerne for at lokalisere de neuroanatomiske substrater af ansigtsopfattelse hos disse personer. Som illustreret i Fig. 5a udviste CDD-emnerne ansigter > huse aktivitet i den midterste frontale gyrus, precentral gyrus, caudate (striatum), thalamus, hippocampus og cerebellum (Yderligere fil 2: Tabel S13). Disse overlapper med hjerneområder, der er bestemt til at have de højeste niveauer af CDD-kandidatgenekspressionsniveauer (Fig. 1). Som vist i Fig. 5b og Additional file 2: Table S14 viste sammenligning af den gennemsnitlige procentvise signalændring (ansigter > huse) fra disse regioner af interesse en signifikant forskel mellem CDD og HFASD , men ingen signifikant forskel mellem CDD og LFASD . LFASD-gruppen viste en mellemliggende fænotype i forhold til HFASD- og CDD-grupperne (Fig. 5b).

Eye-gaze adfærd

Vi indsamlede eye-tracking data for at kvantificere den sociale fænotype af vores fire kohorter, da de så følelsesmæssige ansigter . Som det fremgår af Additional file 2: Tabeller S15 og S16, var grupperne ikke signifikant forskellige efter køn, alder og samlet fiksationsvarighed på billedet. CDD- og LFASD-grupperne var heller ikke signifikant forskellige ved IQ og autismesværhedsgrad, og HFASD- og TD-grupperne var ikke signifikant forskellige ved IQ. Som vist i fig. 6 gentager vi tidligere fund af nedsat fiksering på øjnene og øget fiksering på munden i HFASD i forhold til TD. Mens den procentdel af tiden, som forsøgspersoner med LFASD brugte på at se på øjnene, ikke adskilte sig signifikant fra HFASD-gruppen , fikserede CDD-forsøgspersoner imidlertid øjnene signifikant mere end HFASD-gruppen . Sammenlignet med hinanden adskilte CDD- og LFASD-fagpersoner sig ikke signifikant fra hinanden i den tid, de brugte på at se på øjnene . Som med fMRI-resultaterne (Fig. 5b) viste LFASD-gruppen en mellemliggende fænotype i forhold til HFASD- og CDD-grupperne (øjen-mund-forhold, Additional file 2: Table S16).