Neurogenetische Analyse der Desintegrativen Störung im Kindesalter

Studienteilnehmer

Klinische Merkmale der CDD-Kohorte und die Anzahl der untersuchten Personen für jede Studienmodalität sind in Tabelle 1 dargestellt. Das Geschlechterverhältnis von 3,25 Männern zu 1 Frau ist ähnlich wie bei der ASD. Das mittlere und mediane Alter bei Auftreten der Symptome betrug 46 bzw. 40 Monate, mit einer Spanne von 28 bis 84 Monaten. Siebzig Prozent der Probanden erlebten ein Prodromalstadium von Angst und Schrecken. Bei dreißig Prozent der Probanden traten mehrere Episoden der Regression auf. Die Dauer der ersten regressiven Episode reichte von 2 Monaten bis zu fast 7 Jahren bei einer Person. Die meisten Probanden haben eine schwere bis tiefgreifende ID, wobei der mittlere und der mediane IQ 30 bzw. 26 beträgt, mit einer Spanne von 8 bis 74. Alle hatten einen Verlust der sprachlichen Fähigkeiten, der sozialen Fähigkeiten oder des adaptiven Verhaltens sowie der Spielfähigkeiten. Fünfundsechzig Prozent hatten einen Verlust der Darm- oder Blasenkontrolle, und der gleiche Anteil hatte einen Verlust der motorischen Fähigkeiten. Obwohl CDD fast immer sporadisch auftritt, haben einige unserer Probanden unmittelbare Familienmitglieder mit ASD oder autistischen Merkmalen, darunter zwei Paare von eineiigen Zwillingen. Beide Mitglieder des einen Paares (CDD13-03/04) haben CDD; bei dem anderen Paar (CDD20-03/04) hat einer CDD und der andere ASD.

Genetik

Angesichts der Seltenheit, des Schweregrades und der scheinbar sporadischen Übertragung, die bei den meisten CDD-Fällen zu beobachten sind, stellten wir die Hypothese auf, dass seltene Varianten von großer Wirkung zur Ätiologie beitragen. In der Tat gibt es zahlreiche Belege für den Beitrag seltener Varianten zur ASD. Wie in Tabelle 2 dargestellt, fanden wir bei allen Probanden bis auf einen eine oder mehrere seltene Varianten, die von keinem der nicht betroffenen Kontrollgeschwister geteilt wurden (Additional file 2: Tabelle S2). Wir suchten auch nach zusammengesetzten heterozygoten Varianten bei den Probanden, indem wir nach zusätzlichen Varianten in Genen suchten, die von de novo-Varianten betroffen sind, fanden aber keine. Die Raten aller De-novo-Varianten mit hoher Wahrscheinlichkeit (Bayes’scher Qualitätsscore ≥ 50) betrugen 0,80/Probanden-Exom und 0,92/Geschwister-Exom (Additional file 2: Tabelle S3), was den Gesamtraten entspricht, die aus 11 neueren WES-Studien zu neurologischen Entwicklungsstörungen berechnet wurden: 1,00/Probandenexom, n = 2358; 0,82/Kontrollexom, n = 731 . Es gab keine signifikanten Unterschiede in den Raten der nicht-synonymen de novo, homozygoten und hemizygoten Varianten (Additional file 2: Tabelle S3), der Rate der betroffenen hirnexprimierten Gene, der phylogenetischen P-Wert (PhyloP) Erhaltungsscores an Variantenpositionen, der Residual Variation Intolerance Scores (RVIS) und der Polymorphismus-Phänotyping v2 (PolyPhen-2) Scores (Additional file 2: Tabelle S2) zwischen den Probanden und Geschwistern.

Wir fanden eine de novo genische CNV bei einem Probanden (0,07/Proband, Tabelle 2), was den zuvor für ASD berichteten Raten ähnlich ist, und keine bei Geschwistern. Bei der CNV des Probanden handelt es sich um eine 2 kb heterozygote Deletion der 3′UTR von OGDHL, die für eine Komponente eines mitochondrialen Proteinkomplexes kodiert, der bei der Neurodegeneration eine Rolle spielt. Ein Gen, SUPT20HL2, und zwei Genfamilien, USP und BBS, sind bei mehr als einem CDD-Probanden betroffen. Zwei hemizygote Missense-Varianten wurden in SUPT20HL2 identifiziert, das für einen mutmaßlichen Transkriptionsfaktor kodiert, laut UniProtKB-Datenbank (http://www.uniprot.org/) aber ein Pseudogen sein könnte. Drei Mitglieder der USP-Genfamilie (Ubiquitin-spezifische Peptidase) sind bei CDD-Probanden betroffen: USP9X (hemizygote Fehlfunktion), USP9Y (väterlicherseits vererbte Nicht-Fehlfunktion) und USP26 (hemizygote Fehlfunktion). Sie kodieren für deubiquitinierende Enzyme, die den Abbau von Proteinen verhindern. Zwei Mitglieder der Genfamilie des Bardet-Biedel-Syndroms (BBS), die an der Ziliengenese beteiligt ist, weisen bei CDD-Probanden de novo Missense-Varianten auf: BBS5 und BBS9. Obwohl die spezifischen proteinverändernden Varianten, die bei CDD-Probanden identifiziert wurden, selten waren und bisher nicht mit der Krankheit in Verbindung gebracht wurden, haben wir die Literatur durchgesehen und einige Überschneidungen zwischen CDD-Kandidatengenen und Genen gefunden, die möglicherweise mit anderen neurologischen Störungen in Verbindung stehen (Tabelle 2).

Es gab keine eindeutig schädlichen Varianten bei den CDD-Probanden. Um potenziell pathogene Varianten zu identifizieren, haben wir eine Kombination von Faktoren berücksichtigt: (1) positive Gehirnexpression, (2) PhyloP-Score ≥ 1,30 (P = 0,05 für die Erhaltung), (3) negatives RVIS (Gen intolerant gegenüber Variation) und (4) PolyPhen-2-Klassifizierung von wahrscheinlich schädlichem Missense (oder k.A. aufgrund einer anderen Variante als Missense). Von den 47 CDD-Kandidatengenen erfüllten 14 alle diese Kriterien: NRK, TBC1D8B, TRRAP, NAV2, OGDHL, ZNF236, PRKCSH, MTMR8, BCOR, SRPK3, USP9Y, KIAA2018, CXorf57 und ALG13 (Tabelle 2). Um diese Liste weiter zu verfeinern, wurden die Sequenzierungsdaten des Exome Aggregation Consortium (http://exac.broadinstitute.org/) untersucht, was Folgendes ergab: (1) die Varianten in allen Genen mit Ausnahme von NAV2, MTMR8 und ALG13 neu sind oder höchstens einmal im Datensatz vorkommen und (2) von den verbleibenden 11 Genen 4 zu den 5 % mit der höchsten Intoleranz gehören: TRRAP, ZNF236, BCOR und KIAA2018.

TRRAP (transformation/transcription domain-associated protein) ist von einer de novo Missense-Variante bei einem männlichen CDD-Probanden betroffen; es kodiert eine Komponente von Histon-Acetyltransferase-Komplexen und ist an der DNA-Transkription und -Reparatur beteiligt. Sie ist nicht mit einer OMIM-Erkrankung assoziiert, aber de novo-Varianten wurden bei anderen neurologischen Erkrankungen identifiziert (Tabelle 2). ZNF236 (Zinc Finger Protein 236) ist ebenfalls von einer de novo Missense-Variante bei einem männlichen Probanden betroffen; es ist möglicherweise an der Transkriptionsregulation beteiligt (UniProtKB), steht aber nicht mit einer bekannten Erkrankung in Verbindung. BCOR (BCL6 Corepressor) ist von einer hemizygoten Missense-Variante bei einem männlichen CDD-Probanden betroffen; es kodiert einen transkriptionellen Corepressor. Es ist mit syndromischem Mikrophthalmus assoziiert, der das Merkmal einer ID aufweisen kann, aber ansonsten den CDD-Probanden nicht charakterisiert und in der Regel durch trunkierende Mutationen bei Frauen verursacht wird. KIAA2018 ist von einer homozygoten Ein-Aminosäure-Deletion bei einem männlichen CDD-Probanden betroffen; es ist auch als USF3 (Upstream Transcription Factor 3) bekannt. Es ist nicht mit einer OMIM-Erkrankung assoziiert, aber de novo-Varianten wurden bei anderen neurologischen Erkrankungen identifiziert (Tabelle 2). Bemerkenswert ist, dass alle diese Top-Kandidatengene entweder eine Rolle spielen oder an der Transkription beteiligt sein können, die auch viele ASD-assoziierte Gene charakterisiert.

Unter Verwendung des menschlichen BrainSpan Exon-Array-Transkriptom-Datensatzes haben wir das mittlere Expressionsniveau der CDD-Kandidatengene als Gruppe für alle verfügbaren Hirnregionen vom Embryonal- bis zum späten Erwachsenenalter aufgetragen (n = 40 Gene, die einmal im Kernsondensatz vertreten sind, Zusatzdatei 2: Tabelle S4). Wie das Expressionsprofil in Abb. 1 zeigt, werden CDD-Kandidatengene in nicht-neokortikalen Regionen im Vergleich zu neokortikalen Regionen über die gesamte Lebensspanne stärker exprimiert (Additional file 2: Tabelle S5). Darüber hinaus gibt es steigende Expressionsniveaus in AMY, STR und HIP während der Perioden 10 (1-6 Jahre alt) und 11 (6-12 Jahre alt), dem Bereich, der das Alter des Auftretens der Symptome in unserer CDD-Kohorte umfasst.

Aufgrund dieser Beobachtung verglichen wir den Unterschied in den medianen Expressionsniveaus zwischen nicht-neocortikalen und neocortikalen Regionen für Gene, die von nicht-synonymen und synonymen Varianten bei CDD-Probanden betroffen sind, ihren nicht betroffenen Geschwistern und ASD-Probanden aus der Simons Simplex Collection (SSC) mit und ohne Regression, abgestimmt auf Geschlecht, Alter bei der Auswertung, IQ und Schweregrad der Autismus-Symptome (siehe Zusatzdatei 1: Ergänzende Informationen für Details zur Kohortenauswahl). Das Expressionsprofil der CDD-Kandidatengene unterscheidet sich qualitativ von den anderen Gensätzen, mit der Ausnahme, dass es dem Profil der Gene ähnelt, die von nicht-synonymen Varianten in SSC-Probanden mit Regression betroffen sind, obwohl sie nur ein Gen, NAV2, gemeinsam haben (Abb. 2, Zusatzdatei 2: Tabellen S4 und S6). Der Unterschied in der Expression, nicht-neokortikal minus neokortikal, erreicht einen maximalen positiven Wert in mittleren fötalen Stadien. Bei den CDD-Kandidatengenen tritt dies in der sechsten Periode auf; Permutationstests mit 100.000 Iterationen von 40 zufällig ausgewählten Genen aus dem BrainSpan-Datensatz bestätigten die Signifikanz dieser unterschiedlichen Expression (P = 0,0022). Wir haben die Analyse auf mehrere andere Gensätze ausgeweitet, z. B. auf solche, die bei SSC-Probanden und nicht betroffenen Geschwistern mit nicht-synonymen, synonymen und LGD-Varianten identifiziert wurden; auf Gene, die in drei kürzlich durchgeführten großen WES- und CNV-Studien am stärksten mit ASD in Verbindung gebracht wurden; und auf alle Gene im BrainSpan-Datensatz. Das Expressionsprofil von Genen, die von nicht-synonymen Varianten bei CDD-Probanden und SSC-Probanden mit Regression betroffen sind, unterscheidet sich qualitativ auch von diesen anderen Sets (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S1, Zusätzliche Datei 2: Tabellen S4 und S6).

Wir untersuchten auch, ob CDD-Kandidatengene miteinander koexprimiert werden. Von den 40 Kandidatengenen sind 11 mit mindestens einem anderen Kandidatengen über alle Hirnregionen und Zeiträume hinweg mit einem Pearson-Korrelationskoeffizienten r ≥ 0,7 ko-exprimiert (Abb. 3, Additional file 2: Tabelle S7). Es gibt 23 solcher Verbindungen, was einem Mittelwert von 2,09 Korrelationen/Gen und einem mittleren Koeffizienten von 0,779 entspricht. Permutationstests mit 100.000 Iterationen von 40 zufällig ausgewählten Genen aus dem BrainSpan-Datensatz zeigten, dass die Beobachtung von 11 Genen mit mindestens 2,09 Korrelationen/Gen signifikant ist (P = 0,036), ebenso wie die Beobachtung von 11 Genen mit einem mittleren Korrelationskoeffizienten von mindestens 0,779 (P = 0,019). Das Erreichen beider Schwellenwerte ist ebenfalls signifikant (P = 0,0059). Da alle 11 CDD-Kandidatengene, die miteinander ko-exprimiert werden, gemäß dem BrainSpan-Datensatz eine positive Hirn-Expression aufweisen, wurde auch ein Permutationstest mit 100.000 Iterationen mit 40 zufällig ausgewählten hirn-exprimierten Genen aus BrainSpan durchgeführt. Während die Beobachtung von 11 Genen mit mindestens 2,09 Korrelationen/Gen nicht signifikant ist (P = 0,066), ist die Beobachtung von 11 Genen mit einem mittleren Korrelationskoeffizienten von mindestens 0,779 signifikant (P = 0,022), ebenso wie das Erreichen beider Schwellenwerte (P = 0,011). Ein Vergleich der 11 ko-exprimierten CDD-Kandidatengene mit den verbleibenden 29 nicht ko-exprimierten Genen ergab keine signifikanten Unterschiede zwischen der Rate der hirnexprimierten Gene, den PhyloP-Scores oder den PolyPhen-2-Scores; die ko-exprimierten Gene sind jedoch signifikant intoleranter gegenüber Variationen (durchschnittliche RVIS -1,42 gegenüber -0,15, t(35) = -2,91, P = 0,0062, unabhängiger t-Test, zweiseitig abgesichert). Die Gene-Ontology-Anreicherungsanalyse unter Verwendung der Database for Annotation, Visualization and Integrated Discovery v6.8 (https://david.ncifcrf.gov/) für den gesamten Satz von CDD-Kandidatengenen und die Untergruppe von 11 koexprimierten Genen ergab nach der Benjamini-Hochberg-Korrektur der P-Werte keine signifikante Anreicherung von GO-Begriffen.

Neuronale Systeme

Angesichts der Universalität sozialer Defizite bei ASD ist die Dysfunktion in den Gehirnsystemen, die für die soziale Wahrnehmung zuständig sind, einschließlich der Wahrnehmung von Gesichtern, ein Hauptschwerpunkt der ASD Forschung. Visuelle Reize von Gesichtern und Häusern aktivieren und dissoziieren zuverlässig Systeme, die an der Verarbeitung sozioemotionaler (ängstliche Gesichter) und nicht-sozioemotionaler (Häuser) Informationen beteiligt sind. Wir haben vier Kohorten untersucht: CDD (n = 7), LFASD (n = 7), HFASD (n = 14) und TD (n = 19). Obwohl die Zahl der Personen mit LFASD höher ist als die der Personen mit CDD, war unsere Stichprobengröße dennoch durch die Schwierigkeit begrenzt, qualitativ hochwertige Neuroimaging- (und Eye-Tracking-) Daten bei niedrig funktionierenden Personen zu erhalten. Dennoch ist dies unseres Wissens die erste Präsentation von nicht-sedierten fMRT-Daten von Personen mit ASD und ausgeprägter ID.

Es gab keine signifikanten Unterschiede in Bezug auf Geschlecht, Alter, intrakranielles Volumen und Kopfbewegung im Scanner zwischen den vier Kohorten. Die CDD- und LFASD-Gruppen unterschieden sich auch nicht signifikant nach IQ und Autismus-Schweregrad, und die HFASD- und TD-Gruppen unterschieden sich nicht signifikant nach IQ (Additional file 2: Tabellen S8 und S9). Zunächst verwendeten wir eine Entdeckungsstichprobe von 12 unserer 19 TD-Probanden in einer Ganzhirnanalyse für eine unabhängige Lokalisierung von Regionen von Interesse, die an der Verarbeitung von Gesichtern im Vergleich zu Häusern beteiligt sind. Abbildung 4a zeigt Regionen des ventrolateralen okzipitotemporalen Kortex, in denen TD-Probanden eine signifikante Aktivierung von Gesichtern > Häusern aufwiesen (Zusatzdatei 2: Tabelle S10). Diese Regionen umfassten die erwarteten Orte bekannter Knotenpunkte des okzipitotemporalen gesichtssensitiven Netzwerks einschließlich des fusiformen Gesichtsbereichs und des okzipitalen Gesichtsbereichs. Wie in Abb. 4b und Additional file 2: Tabelle S11 gezeigt, zeigte die Extraktion der mittleren prozentualen Signaländerung (Gesichter > Häuser) für jede der vier Gruppen, dass es keine Gruppenunterschiede in der Reaktion auf Gesichter gegenüber Häusern in diesen unabhängig definierten Regionen von Interesse gab, wenn die TD:Validierungs- und HFASD-Gruppen und die LFASD- und CDD-Gruppen verglichen wurden. Die Reaktion auf Gesichter > Häuser in der CDD-Gruppe war nicht signifikant größer als Null, was auf einen allgemeinen Mangel an Sensibilität für Gesichter im okzipitotemporalen gesichtssensitiven Netzwerk als Ganzes hindeutet. Es ist bekannt, dass der rechte, mittlere fusiforme Gyrus bei HFASD im Vergleich zu TD für Gesichter (im Vergleich zu Häusern) hypoaktiviert ist. Wir konnten diesen Befund in unserer Kohorte wiederholen. Der Vergleich der Aktivität von Gesichtern > Häusern bei CDD im Vergleich zu TD ergab jedoch keinen signifikanten Unterschied, ebenso wie der Vergleich der Gruppen LFASD und TD (Additional file 1: Abbildung S2 und Additional file 2: Tabelle S12).

In Anbetracht der möglichen mangelnden Sensibilität für Gesichter im ventrolateralen okzipitotemporalen Kortex bei CDD führten wir als nächstes eine Ganzhirnuntersuchung der CDD-Probanden durch, um die neuroanatomischen Substrate der Gesichtswahrnehmung bei diesen Personen zu lokalisieren. Wie in Abb. 5a dargestellt, wiesen die CDD-Probanden eine Aktivität der Gesichter > im mittleren frontalen Gyrus, im präzentralen Gyrus, im Caudat (Striatum), im Thalamus, im Hippocampus und im Kleinhirn auf (Zusatzdatei 2: Tabelle S13). Diese Regionen überschneiden sich mit Gehirnregionen, in denen die höchste Expression von CDD-Kandidatengenen festgestellt wurde (Abb. 1). Wie in Abb. 5b und Additional file 2: Tabelle S14 gezeigt, ergab der Vergleich der mittleren prozentualen Signalveränderung (Gesichter > Häuser) aus diesen Regionen einen signifikanten Unterschied zwischen CDD und HFASD , aber keinen signifikanten Unterschied zwischen CDD und LFASD . Die LFASD-Gruppe zeigte einen intermediären Phänotyp zu dem der HFASD- und CDD-Gruppen (Abb. 5b).

Augen-Blickverhalten

Wir sammelten Eye-Tracking-Daten, um den sozialen Phänotyp unserer vier Kohorten zu quantifizieren, während sie emotionale Gesichter betrachteten. Wie in Zusatzdatei 2: Tabellen S15 und S16 gezeigt, unterschieden sich die Gruppen nicht signifikant nach Geschlecht, Alter und Gesamtfixationsdauer auf dem Bild. Die CDD- und LFASD-Gruppen unterschieden sich auch nicht signifikant nach IQ und Autismusschweregrad, und die HFASD- und TD-Gruppen unterschieden sich nicht signifikant nach IQ. Wie in Abb. 6 dargestellt, wiederholen wir frühere Befunde, wonach HFASD im Vergleich zu TD weniger auf die Augen und mehr auf den Mund fixiert ist. Während sich jedoch der prozentuale Anteil der Zeit, den Probanden mit LFASD mit dem Blick auf die Augen verbrachten, nicht signifikant von dem der HFASD-Gruppe unterschied, fixierten CDD-Probanden die Augen signifikant häufiger als die HFASD-Gruppe. Im Vergleich zueinander unterschieden sich CDD- und LFASD-Probanden nicht signifikant in der Zeit, die sie mit dem Blick auf die Augen verbrachten. Wie bei den fMRI-Ergebnissen (Abb. 5b) zeigte die LFASD-Gruppe einen intermediären Phänotyp zu dem der HFASD- und CDD-Gruppe (Augen-Mund-Verhältnis, Additional file 2: Table S16).