Lapsuusiän hajoamishäiriön neurogeneettinen analyysi

Tutkimushenkilöt

Taulukossa 1 esitetään CDD-kohortin kliiniset piirteet ja kullakin tutkimusmuodolla tutkittujen henkilöiden lukumäärä. Sukupuolisuhde 3,25 miestä yhtä naista kohti on samanlainen kuin ASD:n osalta raportoitu. Keski-ikä oireiden ilmaantuessa oli 46 kuukautta ja mediaani-ikä 40 kuukautta, ja vaihteluväli oli 28-84 kuukautta. Seitsemänkymmentä prosenttia tutkittavista koki ahdistusta ja kauhua alkuvaiheessa. Kolmellakymmenellä prosentilla tutkittavista oli useita regressiojaksoja. Ensimmäisen regressiivisen jakson pituus vaihteli 2 kuukaudesta lähes 7 vuoteen yhdellä tutkittavalla. Useimmilla koehenkilöillä oli vaikea tai syvä kehitysvammaisuus, ja älykkyysosamäärän keskiarvo oli 30 ja mediaani 26, ja vaihteluväli oli 8-74. Kaikilla oli kielellisten taitojen menetys, sosiaalisten taitojen tai mukautuvan käyttäytymisen menetys ja leikkitaitojen menetys. Kuusikymmentäviidellä prosentilla oli suolen tai virtsarakon hallinnan menetys, ja yhtä suurella osalla oli motoristen taitojen menetys. Vaikka CDD:n on raportoitu olevan lähes aina sporadista, muutamilla koehenkilöillämme oli lähisukulaisia, joilla oli ASD tai autistisia piirteitä, mukaan lukien kaksi monotsygoottista kaksossarjaa. Yhden parin (CDD13-03/04) molemmilla jäsenillä on CDD; toisessa parissa (CDD20-03/04) toisella on CDD ja toisella ASD.

Genetiikka

Kun otetaan huomioon CDD:n harvinaisuus, vaikeusaste ja ilmeisesti sporadinen periytyminen, joka on havaittavissa useimmissa CDD-tapauksissa, oletimme, että harvinaiset, vaikutukseltaan suuret variantit vaikuttavat etiologiaan. Harvinaisten varianttien osuudesta ASD:hen on todellakin runsaasti näyttöä . Kuten taulukosta 2 käy ilmi, löysimme yhtä lukuun ottamatta kaikilta koehenkilöiltä yhden tai useampia harvinaisia variantteja, jotka eivät olleet yhteisiä yhdellekään sairastumattomalle sisaruskontrollilapselle (lisätiedosto 2: taulukko S2). Etsimme koehenkilöiltä myös yhdistettyjä heterotsygoottisia variantteja etsimällä lisävariantteja geeneistä, joihin de novo -variantit vaikuttavat, mutta emme löytäneet yhtään. Kaikkien korkean todennäköisyyden (Bayesin laatupisteytys ≥ 50) de novo -varianttien osuudet olivat 0,80/probandan eksomi ja 0,92/sisaruksen eksomi (lisätiedosto 2: taulukko S3), jotka ovat samankaltaisia kuin 11 uudemmasta neurologisia kehityshäiriöitä koskevasta WES-tutkimuksesta lasketut kokonaisosuudet: 1,00/probanda-eksomi, n = 2358; 0,82/kontrolli-eksomi, n = 731 . Koehenkilöiden ja sisarusten välillä ei ollut merkittäviä eroja ei-synonyymisten de novo -, homotsygoottisten ja hemitsygoottisten varianttien määrissä (lisätiedosto 2: taulukko S3), aivoissa ilmentyvien geenien määrässä, fylogeneettisen P-arvon (PhyloP) säilyvyyspisteytyksessä varianttipaikoissa, jäännösvarianttien sietämättömyyspisteytyksessä (RVIS) ja polymorfismi-fenotyypitystyön v2- (PolyPhen-2) pistemäärissä (lisätiedosto 2: taulukko S2).

Havaitsimme yhden de novo -geenisen CNV:n koehenkilöltä (0,07/provantti, taulukko 2), mikä on samankaltainen kuin ASD:stä aiemmin raportoidut osuudet , eikä yhtään sisaruksista. Koehenkilön CNV on 2 kb:n heterotsygoottinen deletio OGDHL:n 3′UTR:ssä, joka koodaa mitokondriaalisen proteiinikompleksin komponenttia, joka on osallisena neurodegeneraatiossa. Yksi geeni, SUPT20HL2, ja kaksi geeniperhettä, USP ja BBS, vaikuttavat useammalla kuin yhdellä CDD-koehenkilöllä. SUPT20HL2-geenistä, joka koodaa oletettua transkriptiotekijää, mutta joka UniProtKB-tietokannan (http://www.uniprot.org/) mukaan voisi olla pseudogeeni, tunnistettiin kaksi hemizygoottista missense-muunnosta. Kolme USP-geeniperheen (ubikitiinispesifinen peptidaasi) jäsentä vaikuttaa CDD-koehenkilöillä: USP9X (hemizygous missense), USP9Y (paternaalisesti periytyvä ei-sense) ja USP26 (hemizygous missense). Ne koodaavat deubikitinoivia entsyymejä, jotka estävät proteiinien hajoamisen. Ciliogeneesiin osallistuvan Bardet-Biedelin oireyhtymän (BBS) geeniperheen kahdella jäsenellä on de novo missense -muunnoksia CDD-koehenkilöillä: BBS5 ja BBS9. Vaikka CDD-koehenkilöillä havaitut erityiset proteiineja muuttavat variantit olivat harvinaisia, eikä niitä ole aiemmin yhdistetty tautiin, kävimme läpi kirjallisuutta ja löysimme jonkin verran päällekkäisyyttä CDD-ehdokasgeenien ja muihin neurologisiin häiriöihin mahdollisesti liittyvien geenien välillä (taulukko 2).

CDD-koehenkilöillä ei ollut selvästi haitallisia variantteja. Mahdollisesti patogeenisten varianttien tunnistamiseksi otimme huomioon useiden tekijöiden yhdistelmän: (1) positiivinen aivojen ekspressio, (2) PhyloP-pistemäärä ≥ 1,30 (P = 0,05 säilymiselle), (3) negatiivinen RVIS (vaihtelua sietämätön geeni) ja (4) PolyPhen-2 -luokitus luultavasti vahingollinen missense (tai n/a johtuen muusta variantista kuin missense). CDD-ehdokasgeeneistä 47:stä 14 täytti kaikki nämä kriteerit: NRK, TBC1D8B, TRRAP, NAV2, OGDHL, ZNF236, PRKCSH, MTMR8, BCOR, SRPK3, USP9Y, KIAA2018, CXorf57 ja ALG13 (taulukko 2). Tämän luettelon tarkentamiseksi edelleen Exome Aggregation Consortiumin (http://exac.broadinstitute.org/) sekvensointitietojen tarkastelu osoitti, että: (1) kaikkien geenien variantit NAV2:ta, MTMR8:aa ja ALG13:a lukuun ottamatta ovat uusia tai niitä esiintyy korkeintaan kerran aineistossa, ja (2) jäljelle jäävistä 11 geenistä 4 kuuluu 5 prosentin suurimpaan suvaitsemattomaan joukkoon: TRRAP, ZNF236, BCOR ja KIAA2018.

TRRAP (transformation/transcription domain-associated protein)-proteiini, johon vaikuttaa de novo missense -muunnos miespuolisella CDD-koehenkilöllä; se koodaa histoniasetyltransferaasikompleksien komponenttia ja osallistuu DNA:n transkriptioon ja korjaukseen. Se ei liity mihinkään OMIM-häiriöön, mutta de novo -muunnoksia on tunnistettu muissa neurologisissa häiriöissä (taulukko 2). ZNF236 (sinkkisormiproteiini 236) vaikuttaa myös de novo missense -muunnos miespuolisella koehenkilöllä; se saattaa osallistua transkription säätelyyn (UniProtKB), mutta se ei liity tunnettuun häiriöön. BCOR (BCL6 Corepressor) on hemizygoottinen missense-muunnos miespuolisella CDD-koehenkilöllä; se koodaa transkriptionaalista corepressoria. Siihen liittyy syndroomaattinen mikrophthalmia, jolla voi olla ID:n piirteitä, mutta joka ei muuten ole ominaista CDD-koehenkilölle, ja se aiheutuu yleensä typistävistä mutaatioista naisilla. KIAA2018:aan vaikuttaa homotsygoottinen yhden aminohapon deleetio miespuolisella CDD-koehenkilöllä; se tunnetaan myös nimellä USF3 (upstream transcription factor 3). Se ei liity mihinkään OMIM-häiriöön, mutta de novo -muunnoksia on tunnistettu muissa neurologisissa häiriöissä (taulukko 2). Huomionarvoista on, että kaikilla näillä huippukandidaattigeeneillä on joko rooli tai ne voivat osallistua transkriptioon, mikä luonnehtii myös monia ASD-assosioituneita geenejä.

Käyttämällä ihmisen BrainSpan exon-array transkriptomitietokokonaisuutta , piirsimme CDD-kandidaattigeenien mediaani-ekspressiotason ryhmänä kaikille saatavilla oleville aivoalueille alkio- ja myöhäisen aikuisvaiheen vaiheista alkaen (n = 40 geeniä edustettuna kerran ydinluotainryhmässä, Lisätiedosto 2: Taulukko S4). Kuten kuvassa 1 esitetystä ekspressioprofiilista käy ilmi, CDD-ehdokasgeenit ilmentyvät voimakkaammin ei-neokortikaalisilla alueilla verrattuna neokortikaalisiin alueisiin koko elinkaaren ajan (lisätiedosto 2: taulukko S5). Lisäksi ilmentyminen lisääntyy AMY:ssä, STR:ssä ja HIP:ssä ajanjaksoilla 10 (1-6-vuotiaat) ja 11 (6-12-vuotiaat), jotka kattavat CDD-kohorttimme oireiden alkamisiän.

Tämän havainnon perusteella vertasimme ei-neokortikaalisten ja neokortikaalisten alueiden välistä eroa geenien mediaaniekspressiotasoissa niiden geenien osalta, joihin ei-synonyymiset ja synonyymiset variantit vaikuttivat CDD-koehenkilöillä, heidän sairastamattomien sisarustensa ja Simons Simplex Collectionin (SSC) ASD-koehenkilöiden välillä, joilla oli ja joilla ei ollut regressiota ja jotka oli sovitettu yhteen sukupuolen, arviointihetken iän, älykkyysosamäärän ja autismin oireiden vaikeusasteen mukaan (ks. lisätiedosto 1: Lisätiedot kohortin valinnan yksityiskohdista). CDD-ehdokasgeenien ilmentymisprofiili eroaa laadullisesti muista geenijoukoista, paitsi että se on samankaltainen kuin niiden geenien profiili, joihin ei-synonyymiset variantit vaikuttavat SSC-koehenkilöillä, joilla on regressio, vaikka niillä on vain yksi geeni, NAV2, yhteinen (kuva 2, lisätiedosto 2 : taulukot S4 ja S6). Ero ekspressiossa, ei-neokortikaalinen miinus neokortikaalinen, saavuttaa suurimman positiivisen arvon sikiön keskivaiheilla. CDD-ehdokasgeenien osalta tämä tapahtuu kaudella kuusi ; Permutaatiotestaus 100 000 iteraatiolla 40:llä satunnaisesti valitulla geenillä BrainSpan-tietokannasta vahvisti tämän ekspressioeron merkityksen (P = 0,0022). Laajensimme analyysin useisiin muihin geenijoukkoihin, kuten niihin, jotka on tunnistettu SSC-koehenkilöillä ja sairastumattomilla sisaruksilla ei-synonyymisillä, synonyymisillä ja LGD-varianteilla; geeneihin, jotka kolmen viimeaikaisen suuren WES- ja CNV-tutkimuksen mukaan liittyivät merkitsevimmin ASD:hen ; ja kaikkiin BrainSpan-tietokannan geeneihin. CDD-koehenkilöiden ja SSC-koehenkilöiden ei-synonyymisten varianttien vaikutuksen kohteena olevien geenien ilmentymisprofiili on laadullisesti erilainen kuin näissä muissakin joukoissa (Lisätiedosto 1: Kuva S1, Lisätiedosto 2: Taulukot S4 ja S6).

Tutkimme myös, ilmenevätkö CDD-ehdokasgeenit yhdessä toistensa kanssa. Ehdokasgeeneistä 40:stä 11 ilmeni yhdessä vähintään yhden muun ehdokasgeenin kanssa kaikilla aivoalueilla ja ajanjaksoilla Pearsonin korrelaatiokertoimella r ≥ 0,7 (kuva 3, lisätiedosto 2: taulukko S7). Tällaisia yhteyksiä on 23, mikä tarkoittaa keskimäärin 2,09 korrelaatiota/geeni ja keskimääräistä kerrointa 0,779. Permutaatiotestaus 100 000 iteraatiolla 40 satunnaisesti valitulla geenillä BrainSpan-tietokannasta osoitti, että 11 geenin havaitseminen, joilla on vähintään 2,09 korrelaatiota/geeni, on merkitsevää (P = 0,036), samoin kuin 11 geenin havaitseminen, joiden keskimääräinen korrelaatiokerroin on vähintään 0,779 (P = 0,019). Molempien kynnysarvojen saavuttaminen on myös merkitsevää (P = 0,0059). Koska kaikilla 11:llä CDD-ehdokasgeenillä, jotka ilmentyvät yhdessä toistensa kanssa, on BrainSpan-tietokannan mukaan positiivinen aivojen ilmentyminen, suoritettiin myös permutaatiotestaus 100 000 iteraatiolla 40:llä satunnaisesti valitulla BrainSpan-tietokannasta peräisin olevalla aivojen ilmentämällä geenillä. Vaikka 11 geenin havaitseminen, joilla on vähintään 2,09 korrelaatiota/geeni, ei ole merkitsevää (P = 0,066), 11 geenin havaitseminen, joiden keskimääräinen korrelaatiokerroin on vähintään 0,779, on merkitsevää (P = 0,022), samoin kuin molempien kynnysarvojen täyttyminen (P = 0,011). Verrattaessa 11:n yhdessä ilmentyneen CDD-ehdokasgeenin joukkoa jäljelle jäävään 29:n joukkoon, joka ei ole yhdessä ilmentynyt, ei havaittu merkittäviä eroja aivoissa ilmentyneiden geenien, PhyloP-pistemäärien tai PolyPhen-2-pistemäärien välillä; yhdessä ilmentyneet geenit ovat kuitenkin huomattavasti vaikeammin sietokykyisiä vaihtelun suhteen (keskimääräinen RVIS -1.42 vs. -0.15, t(35) = -2.91, P = 0.0062, riippumaton t-testaus, kaksoissuuntainen). Geeni-ontologian rikastumisanalyysi, jossa käytettiin Database for Annotation, Visualization and Integrated Discovery v6.8 (https://david.ncifcrf.gov/) -tietokantaa koko CDD-ehdokasgeenien joukolle ja 11 koekspressoidun geenin osajoukolle, ei tunnistanut merkittävää GO-termin rikastumista Benjamini-Hochbergin P-arvojen korjauksen jälkeen.

Neuraaliset järjestelmät

Kun otetaan huomioon sosiaalisten puutteiden yleismaailmallisuus ASD:ssä, häiriöt aivojen järjestelmissä, jotka palvelevat sosiaalista hahmottamista, mukaan lukien kasvojen hahmottaminen, ovat ASD-tutkimuksen keskeisiä painopistealueita. Kasvojen ja talojen visuaaliset ärsykkeet aktivoivat ja dissosioivat luotettavasti järjestelmiä, jotka osallistuvat sosioemotionaaliseen (pelokkaat kasvot) ja ei-sosioemotionaaliseen (talot) tiedonkäsittelyyn. Tutkimme neljää kohorttia: CDD (n = 7), LFASD (n = 7), HFASD (n = 14) ja TD (n = 19). Vaikka LFASD: tä sairastavia henkilöitä on enemmän kuin CDD: tä sairastavia henkilöitä, otoskokoamme rajoitti silti vaikeus saada korkealaatuisia neurokuvantamistietoja (ja silmänseurantatietoja) heikosti toimivista henkilöistä. Tästä huolimatta tämä on tietojemme mukaan ensimmäinen esitys ei-sedatoitujen fMRI-tietojen esittämisestä henkilöiltä, joilla on ASD ja merkitty ID.

Sukupuolessa, iässä, kallonsisäisessä tilavuudessa ja pään liikkeissä skannerissa ei ollut merkittäviä eroja neljän kohortin välillä. CDD- ja LFASD-ryhmät eivät myöskään eronneet merkitsevästi ÄO:n ja autismin vaikeusasteen mukaan, eivätkä HFASD- ja TD-ryhmät eronneet merkitsevästi ÄO:n mukaan (lisätiedosto 2: taulukot S8 ja S9). Ensinnäkin hyödynsimme löydösnäytettä 12:sta 19 TD-henkilöstämme koko aivojen analyysissä kasvojen käsittelyyn osallistuvien kiinnostavien alueiden itsenäistä lokalisointia varten suhteessa taloihin. Kuva 4a havainnollistaa ventrolateraalisen occipitotemporaalisen aivokuoren alueita, joilla TD-koehenkilöillä esiintyi merkittävää kasvojen > talojen aktivoitumista (Lisätiedosto 2: Taulukko S10). Nämä alueet sisälsivät occipitotemporaalisen kasvoherkän verkon tunnettujen solmukohtien odotetut sijainnit, mukaan lukien fusiformin kasvojen alue ja takaraivon kasvojen alue . Kuten kuvasta 4b ja lisätiedostosta 2: taulukko S11 käy ilmi, keskimääräisen prosentuaalisen signaalimuutoksen (kasvot > talot) uuttaminen kunkin neljän ryhmän osalta osoitti, että näillä itsenäisesti määritellyillä kiinnostavilla alueilla ei ollut ryhmäeroja vasteessa kasvojen ja talojen välillä, kun verrattiin TD: validointi- ja HFASD-ryhmiä ja kun verrattiin LFASD- ja CDD-ryhmiä . Kasvot > talot -vaste CDD-ryhmässä ei ollut merkitsevästi nollaa suurempi, mikä viittaa kasvoherkkyyden yleiseen puuttumiseen kasvoherkkyydessä koko occipitotemporaalisessa kasvoherkkyysverkossa. HFASD:llä on vakiintunut havainto hypoaktivaatiosta kasvoihin (verrattuna taloihin) oikeassa, keskimmäisessä fusiformisessa gyrusissa suhteessa TD:hen . Pystyimme toistamaan tämän havainnon kohortissamme . Kasvojen > talojen aktiivisuuden vertailu CDD:ssä suhteessa TD:hen ei kuitenkaan paljastanut merkittävää eroa , kuten ei myöskään LFASD- ja TD-ryhmien vertailu (lisätiedosto 1: kuva S2 ja lisätiedosto 2: taulukko S12).

Kun otetaan huomioon mahdollinen kasvojen herkkyyden puute ventrolateraalisella takaraivokuorella CDD: ssä, suoritimme seuraavaksi CDD-koehenkilöiden koko aivojen arvioinnin, jotta voisimme paikallistaa kasvohavainnon neuroanatomiset substraatit näillä yksilöillä. Kuten kuvassa 5a on esitetty, CDD-koehenkilöillä oli kasvot > talojen aktiivisuutta keskimmäisessä frontaalisessa gyrusissa, precentraalisessa gyrusissa, caudatessa (striatum), talamuksessa, hippokampuksessa ja pikkuaivoissa (Lisätiedosto 2: Taulukko S13). Nämä ovat päällekkäisiä niiden aivoalueiden kanssa, joilla CDD-ehdokasgeenien ekspressio on määritetty korkeimmaksi (kuva 1). Kuten kuvasta 5b ja lisätiedostosta 2: taulukko S14 käy ilmi, näiden kiinnostavien alueiden keskimääräisten prosentuaalisten signaalimuutosten (kasvot > talot) vertailu paljasti merkittävän eron CDD:n ja HFASD:n välillä, mutta ei merkittävää eroa CDD:n ja LFASD:n välillä. LFASD-ryhmässä näkyi HFASD- ja CDD-ryhmien fenotyypin välimuoto (kuva 5b).

Silmäkäyttäytyminen

Keräsimme silmienseurantatietoja neljän kohorttimme sosiaalisen fenotyypin kvantifioimiseksi, kun he katselivat emotionaalisia kasvoja . Kuten lisätiedostossa 2: Taulukot S15 ja S16 osoittavat, ryhmät eivät eronneet merkittävästi toisistaan sukupuolen, iän ja kuvan kokonaisfiksaation keston mukaan. CDD- ja LFASD-ryhmät eivät myöskään eronneet merkittävästi toisistaan älykkyysosamäärän ja autismin vaikeusasteen mukaan, eivätkä HFASD- ja TD-ryhmät eronneet merkittävästi älykkyysosamäärän mukaan. Kuten kuvassa 6 näkyy, toistamme aiemmat havainnot silmien vähentyneestä fiksaatiosta ja suun lisääntyneestä fiksaatiosta HFASD:ssä suhteessa TD:hen. Vaikka LFASD-koehenkilöiden silmiin katsomiseen käyttämä aika ei kuitenkaan eronnut merkittävästi HFASD-ryhmästä, CDD-koehenkilöt kiinnittivät silmiä merkittävästi enemmän kuin HFASD-ryhmä. Verrattuna toisiinsa CDD- ja LFASD-koehenkilöt eivät eronneet merkittävästi silmiin katsomiseen käytetyn ajan suhteen. Kuten fMRI-tuloksissa (kuva 5b), LFASD-ryhmässä näkyi HFASD- ja CDD-ryhmiin nähden välimuotoinen fenotyyppi (silmä-suu-suhde, Lisätiedosto 2: Taulukko S16).

.