Neurogenetic analysis of childhood disintegrative disorder

Study subjects

Clinical characteristics of the CDD cohort and the number of subjects examined by each study modality are shown in Table 1. De geslachtsratio van 3,25 mannen voor 1 vrouw is vergelijkbaar met die gerapporteerd voor ASS. De gemiddelde en mediane leeftijd bij aanvang van de symptomen was respectievelijk 46 en 40 maanden, met een bereik van 28 tot 84 maanden. Zeventig procent van de proefpersonen ervoeren een prodroom van angst en terreur. Dertig procent van de proefpersonen had meerdere episoden van regressie. De duur van de eerste regressieve episode varieerde van 2 maanden tot bijna 7 jaar bij één proefpersoon. De meeste proefpersonen hebben een ernstig tot zeer ernstig ID, met een gemiddeld en mediaan IQ van respectievelijk 30 en 26, met een range van 8 tot 74. Allen hadden verlies van taalvaardigheden, verlies van sociale vaardigheden of aanpassingsgedrag, en verlies van spelvaardigheden. Vijfenzestig procent had verlies van de controle over de darmen of de blaas, en hetzelfde percentage had verlies van motorische vaardigheden. Hoewel CDD bijna altijd sporadisch voorkomt, hebben enkele van onze proefpersonen naaste familieleden met ASS of autistische kenmerken, waaronder twee stellen monozygote tweelingen. Beide leden van één paar (CDD13-03/04) hebben CDD; in het andere paar (CDD20-03/04) heeft de ene CDD en de andere ASS.

Genetica

Gezien de zeldzaamheid, de ernst en de schijnbaar sporadische overdracht die in de meeste CDD-gevallen wordt gezien, veronderstelden wij dat zeldzame varianten met een groot effect bijdragen aan de etiologie. Inderdaad, er is overvloedig bewijs voor de bijdrage van zeldzame varianten aan ASS . Zoals te zien is in Tabel 2, vonden we bij alle proband op één na, één of meer zeldzame varianten, die niet werden gedeeld door ongeaffecteerde broer/zus controles (Additional file 2: Tabel S2). We zochten ook naar samengestelde heterozygote varianten bij de proefpersonen door te zoeken naar extra varianten in genen die beïnvloed waren door de novo varianten, maar vonden er geen. De percentages van alle high-probability (Bayesiaanse kwaliteitsscore ≥ 50) de novo varianten waren 0.80/proband exoom en 0.92/sibling exoom (Additional file 2: Tabel S3), die vergelijkbaar zijn met de algemene percentages berekend uit 11 recente WES-studies van neurologische ontwikkelingsstoornissen: 1.00/verwant exoom, n = 2358; 0.82/controle exoom, n = 731 . Er waren geen significante verschillen in de percentages niet-synonieme de novo, homozygote, en hemizygote varianten (Additional file 2: Tabel S3); het percentage van de hersenen geëxpresseerde genen beïnvloed; fylogenetische P waarde (PhyloP) behoud scores op variant posities; Residuele Variatie Intolerantie Scores (RVIS); en polymorfisme fenotypering v2 (PolyPhen-2) scores (Additional file 2: Tabel S2) tussen de probands en broers en zussen.

We vonden één de novo genische CNV in een proband (0,07/proband, Tabel 2), wat vergelijkbaar is met eerder gerapporteerde percentages voor ASS , en geen in broers en zussen. De CNV van de proband is een heterozygote deletie van 2 kb van de 3′UTR van OGDHL, dat codeert voor een component van een mitochondriaal eiwitcomplex dat betrokken is bij neurodegeneratie. Eén gen, SUPT20HL2, en twee genfamilies, USP en BBS, zijn bij meer dan één CDD proband aangetast. Twee hemizygote missense varianten werden geïdentificeerd in SUPT20HL2, dat codeert voor een vermoedelijke transcriptiefactor maar volgens de UniProtKB database een pseudogeen zou kunnen zijn (http://www.uniprot.org/). Drie leden van de genfamilie USP (ubiquitinespecifiek peptidase) zijn bij CDD-proefpersonen aangetast: USP9X (hemizygote missense), USP9Y (vaderlijk-geërfde non-sense), en USP26 (hemizygote missense). Zij coderen voor deubiquitinerende enzymen die de afbraak van eiwitten voorkomen. Twee leden van de Bardet-Biedel Syndroom (BBS) gen familie, die betrokken is bij ciliogenese, hebben de novo missense varianten in CDD probanden: BBS5 en BBS9. Hoewel de specifieke eiwit-veranderende varianten geïdentificeerd in CDD proefpersonen zeldzaam waren en niet eerder geassocieerd waren met ziekte, hebben we de literatuur bestudeerd en enige overlap gevonden tussen CDD kandidaatgenen en genen die mogelijk geassocieerd zijn met andere neurologische aandoeningen (Tabel 2).

Er waren geen duidelijk schadelijke varianten in de CDD proefpersonen. Om mogelijk pathogene varianten te identificeren, overwogen we een combinatie van factoren: (1) positieve hersenexpressie, (2) PhyloP score ≥ 1.30 (P = 0.05 voor behoud), (3) negatieve RVIS (gen intolerant voor variatie), en (4) PolyPhen-2 classificatie van waarschijnlijk schadelijk missense (of n.v.t. door een andere variant dan missense). Van de 47 CDD kandidaatgenen voldeden er 14 aan al deze criteria: NRK, TBC1D8B, TRRAP, NAV2, OGDHL, ZNF236, PRKCSH, MTMR8, BCOR, SRPK3, USP9Y, KIAA2018, CXorf57, en ALG13 (Tabel 2). Om deze lijst verder te verfijnen, heeft inspectie van sequencing data van het Exome Aggregation Consortium (http://exac.broadinstitute.org/) aan het licht gebracht dat: (1) de varianten in alle genen behalve NAV2, MTMR8, en ALG13 nieuw zijn of hoogstens één keer in de dataset gevonden worden en (2) van de overblijvende 11 genen, 4 tot de 5% meest intolerante behoren: TRRAP, ZNF236, BCOR, en KIAA2018.

TRRAP (transformation/transcription domain-associated protein) aangetast door een de novo missense variant in een mannelijke CDD proband; het codeert voor een component van histon acetyltransferase complexen en is betrokken bij DNA transcriptie en herstel. Het is niet geassocieerd met een OMIM aandoening, maar de novo varianten zijn geïdentificeerd in andere neurologische aandoeningen (tabel 2). ZNF236 (Zinc Finger Protein 236) is ook aangedaan door een de novo missense variant in een mannelijke proband; het kan betrokken zijn bij transcriptieregulatie (UniProtKB), maar is niet geassocieerd met een bekende aandoening. BCOR (BCL6 Corepressor) is aangedaan door een hemizygote missense variant in een mannelijke CDD proband; het codeert voor een transcriptionele corepressor. De aandoening wordt geassocieerd met syndromale microftalmie, die het kenmerk van ID kan hebben maar verder niet kenmerkend is voor de CDD-probeand en gewoonlijk wordt veroorzaakt door truncerende mutaties bij vrouwen. KIAA2018 wordt veroorzaakt door een homozygote deletie van één aminozuur in een mannelijke CDD proband; het is ook bekend als USF3 (upstream transcriptie factor 3). Het is niet geassocieerd met een OMIM aandoening, maar de novo varianten zijn geïdentificeerd in andere neurologische aandoeningen (tabel 2). Van belang is dat al deze top kandidaat genen ofwel een rol spelen of betrokken kunnen zijn bij transcriptie, die ook veel ASD-geassocieerde genen karakteriseert.

Gebruik makend van de menselijke BrainSpan exon-array transcriptoom dataset , hebben we het mediane expressieniveau van de CDD kandidaat genen als groep uitgezet voor alle beschikbare hersengebieden van embryonale tot laat-volwassen stadia (n = 40 genen eenmaal vertegenwoordigd in de kern probe set, Additional file 2: Tabel S4). Zoals blijkt uit het expressie profiel in Fig. 1, komen CDD kandidaatgenen meer tot expressie in niet-neocorticale regio’s in vergelijking met neocorticale regio’s gedurende de gehele levensduur (Additional file 2: Tabel S5). Bovendien zijn er toenemende expressieniveaus in de AMY, STR, en HIP tijdens de periodes 10 (1-6 jaar oud) en 11 (6-12 jaar oud), het bereik dat de leeftijd van het begin van de symptomen in ons CDD cohort omvat.

Gezien deze observatie vergeleken we het verschil in mediane expressieniveaus tussen niet-neocorticale en neocorticale regio’s voor genen beïnvloed door niet-synonieme en synonieme varianten in CDD probands, hun niet getroffen broers en zussen, en ASD probands van de Simons Simplex Collection (SSC) met en zonder regressie gematched op geslacht, leeftijd bij evaluatie, IQ, en autisme symptoom ernst (zie Additional file 1: Aanvullende informatie voor cohort selectie details). Het expressie profiel van CDD kandidaat genen is kwalitatief verschillend van de andere genensets, behalve dat het vergelijkbaar is met het profiel van genen beïnvloed door niet-synonieme varianten in SSC probanden met regressie, ook al hebben ze slechts één gen, NAV2, gemeen (Fig. 2, Additional file 2 : Tables S4 en S6). Het verschil in expressie, niet-neocorticaal minus neocorticaal, bereikt een maximale positieve waarde in het midden van de foetale stadia. Voor CDD kandidaatgenen gebeurt dit in periode zes ; permutatietesten met 100.000 iteraties van 40 willekeurig geselecteerde genen uit de BrainSpan dataset bevestigden de significantie van deze differentiële expressie (P = 0,0022). We breidden de analyse uit naar verschillende andere genensets, zoals die geïdentificeerd in SSC probanden en niet getroffen broers en zussen met niet-synonieme, synonieme, en LGD varianten; genen die het meest significant geassocieerd zijn met ASS door drie recente grote WES en CNV studies ; en alle genen in de BrainSpan dataset. Het expressieprofiel van genen beïnvloed door non-synonieme varianten in CDD-probes en SSC-probes met regressie is ook kwalitatief verschillend van deze andere sets (Additional file 1: Figuur S1, Additional file 2: Tabellen S4 en S6).

We onderzochten ook of CDD-kandidaatgenen met elkaar co-expressief zijn. Van de 40 kandidaat-genen zijn er 11 die in alle hersengebieden en tijdsperioden met ten minste één ander kandidaat-gen tot expressie komen, met een Pearson correlatiecoëfficiënt r ≥ 0,7 (Fig. 3, Additional file 2: Tabel S7). Er zijn 23 zulke connecties, voor een gemiddelde van 2.09 correlaties/gen en een gemiddelde coëfficiënt van 0.779. Permutatietesten met 100.000 iteraties van 40 willekeurig geselecteerde genen uit de BrainSpan dataset lieten zien dat het waarnemen van 11 genen met tenminste 2.09 correlaties/gen significant is (P = 0.036), net als het waarnemen van 11 genen met een gemiddelde correlatiecoëfficiënt van tenminste 0.779 (P = 0.019). Voldoen aan beide drempels is ook significant (P = 0.0059). Aangezien alle 11 CDD kandidaatgenen die met elkaar tot expressie komen positieve hersenexpressie hebben volgens de BrainSpan dataset, werden permutatietesten met 100.000 iteraties ook uitgevoerd met 40 willekeurig geselecteerde hersengeïnduceerde genen uit BrainSpan. Terwijl het observeren van 11 genen met minstens 2.09 correlaties/gen niet significant is (P = 0.066), is het observeren van 11 genen met een gemiddelde correlatiecoëfficiënt van minstens 0.779 wel significant (P = 0.022), net als het voldoen aan beide drempels (P = 0.011). Vergelijking van de set van 11 gecoëxpresseerde CDD kandidaat-genen met de resterende set van 29 die niet gecoëxpresseerd bleek geen significante verschillen tussen het percentage van de hersenen geëxpresseerde genen, PhyloP scores, of PolyPhen-2 scores, maar de gecoëxpresseerde genen zijn significant meer intolerant voor variatie (gemiddelde RVIS -1,42 versus -0,15, t(35) = -2,91, P = 0,0062, onafhankelijke t-test, twee-tailed). Gen ontologie verrijkingsanalyse met behulp van de Database for Annotation, Visualization and Integrated Discovery v6.8 (https://david.ncifcrf.gov/) voor de hele set van CDD kandidaat-genen, en de subset van 11 gecoëxpresseerde genen identificeerde geen significante verrijking van GO-termen na Benjamini-Hochberg correctie van P-waarden.

Neurale systemen

Gezien de universaliteit van sociale stoornissen bij ASS, is disfunctie in hersensystemen die sociale perceptie ondersteunen, waaronder de perceptie van gezichten, een belangrijk aandachtspunt van ASS-onderzoek. Visuele stimuli van gezichten en huizen activeren en dissociëren op betrouwbare wijze systemen betrokken bij sociaal-emotionele (angstige gezichten) en niet-socio-emotionele (huizen) informatieverwerking. We bestudeerden vier cohorten: CDD (n = 7), LFASD (n = 7), HFASD (n = 14), en TD (n = 19). Hoewel personen met LFASD zijn talrijker dan die met CDD, onze steekproefomvang was nog steeds beperkt door de moeilijkheid van het verkrijgen van hoge kwaliteit neuroimaging (en eye-tracking) gegevens in laag-functionerende personen. Dit gezegd zijnde, voor zover wij weten, is dit de eerste presentatie ooit van niet-gesedeerde fMRI-gegevens van personen met ASS en duidelijke ID.

Er waren geen significante verschillen in geslacht, leeftijd, intracraniaal volume, en hoofdbeweging in de scanner tussen de vier cohorten. De CDD en LFASD groepen waren ook niet significant verschillend door IQ en autisme ernst, en de HFASD en TD groepen waren niet significant verschillend door IQ (Additional file 2: tabellen S8 en S9). Ten eerste hebben we gebruik gemaakt van een ontdekking monster van 12 van onze 19 TD onderwerpen in een hele-hersenanalyse voor een onafhankelijke lokalisatie van regio’s van belang die betrokken zijn bij de verwerking gezichten ten opzichte van huizen. Figuur 4a illustreert regio’s van ventrolaterale occipitotemporale cortex waar TD onderwerpen vertoonden significante gezichten > huizen activatie (Additional file 2: Tabel S10). Deze regio’s opgenomen de verwachte locaties van bekende knooppunten van de occipitotemporal gezicht-gevoelig netwerk met inbegrip van de fusiforme gezicht gebied en de occipitale gezicht gebied. Zoals getoond in Fig. 4b en Additional file 2: Tabel S11, extractie van het gemiddelde procent signaal verandering (gezichten > huizen) voor elk van de vier groepen aangegeven een afwezigheid van groep verschillen in de respons op gezichten versus huizen in deze onafhankelijk gedefinieerde regio’s van belang bij het vergelijken van de TD:validatie en HFASD groepen en bij het vergelijken van de LFASD en CDD groepen. De gezichten > huizen respons binnen de CDD groep was niet significant groter dan nul , wat suggereert een algeheel gebrek aan gevoeligheid voor gezichten in het occipitotemporale gezicht-gevoelige netwerk als geheel. Er is een gevestigde bevinding van hypoactivatie aan gezichten (versus huizen) in de rechter, middelste fusiforme gyrus in HFASD ten opzichte van TD . We waren in staat om deze bevinding te repliceren in onze cohorten. Echter, vergelijking van gezichten > huizen activiteit in CDD ten opzichte van TD bleek geen significant verschil, net als de vergelijking van de LFASD en TD groepen (Additional file 1: Figuur S2 en Additional file 2: Tabel S12).

Gezien het mogelijke gebrek aan gevoeligheid voor gezichten in de ventrolaterale occipitotemporale cortex bij CDD, voerden we vervolgens een evaluatie van de gehele hersenen van de CDD proefpersonen uit om de neuro-anatomische substraten van gezichtsperceptie bij deze individuen te lokaliseren. Zoals geïllustreerd in Fig. 5a, vertoonden CDD proefpersonen gezicht > huizen activiteit in de middelste frontale gyrus, precentrale gyrus, caudate (striatum), thalamus, hippocampus, en cerebellum (Additional file 2: Tabel S13). Deze overlappen met hersengebieden die de hoogste niveaus van CDD kandidaat genexpressie hebben (Fig. 1). Zoals getoond in Fig. 5b en Additional file 2: Tabel S14, vergelijking van de gemiddelde procentuele signaalverandering (gezichten > huizen) van deze regio’s van belang bleek een significant verschil tussen CDD en HFASD , maar geen significant verschil tussen CDD en LFASD . De LFASD groep toonde een intermediair fenotype ten opzichte van de HFASD en CDD groepen (Fig. 5b).

Oog-blik gedrag

We verzamelden eye-tracking gegevens om het sociale fenotype van onze vier cohorten te kwantificeren als ze keken emotionele gezichten . Zoals te zien in Extra bestand 2: Tabellen S15 en S16, waren de groepen niet significant verschillend door geslacht, leeftijd, en de totale fixatie duur op het beeld. De CDD en LFASD groepen waren ook niet significant verschillend door IQ en autisme ernst, en de HFASD en TD groepen waren niet significant verschillend door IQ. Zoals te zien in Fig. 6, repliceren we eerdere bevindingen van verminderde fixatie op de ogen en verhoogde fixatie op de mond in HFASD ten opzichte van TD. Echter, terwijl het percentage van de tijd proefpersonen met LFASD besteed kijken naar de ogen niet significant verschillen van de HFASD groep , CDD onderwerpen gefixeerd ogen significant meer dan de HFASD groep . Vergeleken met elkaar verschilden CDD en LFASD proefpersonen niet significant in de tijd die besteed werd aan het kijken naar de ogen. Net als bij de fMRI-resultaten (Fig. 5b) vertoonde de LFASD-groep een fenotype dat tussen dat van de HFASD- en CDD-groepen in lag (oog-mond ratio, Additional file 2: Table S16).