Analiză neurogenetică a tulburării dezintegrative a copilăriei

Subiecții studiului

Caracteristicile clinice ale cohortei CDD și numărul de subiecți examinați prin fiecare modalitate de studiu sunt prezentate în tabelul 1. Raportul de sex de 3,25 bărbați la 1 femeie este similar cu cel raportat pentru TSA. Vârsta medie și mediană la debutul simptomelor a fost de 46 și, respectiv, 40 de luni, cu un interval de la 28 la 84 de luni. Șaptezeci la sută dintre subiecți au prezentat un prodrom de anxietate și teroare. Treizeci la sută dintre subiecți au avut episoade multiple de regresie. Durata primului episod regresiv a variat de la 2 luni la aproape 7 ani la un subiect. Majoritatea subiecților au DI severă până la profundă, IQ-ul mediu și median fiind de 30 și, respectiv, 26, cu un interval de la 8 la 74. Toți au avut pierderea abilităților de limbaj, pierderea abilităților sociale sau a comportamentului adaptativ și pierderea abilităților de joc. Șaizeci și cinci la sută au avut pierderi de control al intestinului sau al vezicii urinare, iar aceeași proporție a avut pierderi de abilități motorii. Deși CDD a fost raportat a fi aproape întotdeauna sporadic, câțiva dintre subiecții noștri au membri de familie imediată cu TSA sau caracteristici autiste, inclusiv două seturi de gemeni monozigoți. Ambii membri ai unei perechi (CDD13-03/04) au CDD; în cealaltă pereche (CDD20-03/04), unul are CDD și celălalt are TSA.

Genetică

Datorită rarității, severității și transmiterii aparent sporadice observate în majoritatea cazurilor de CDD, am emis ipoteza că variantele rare cu efect mare contribuie la etiologie. Într-adevăr, există numeroase dovezi pentru contribuția variantelor rare la TSA . După cum se arată în Tabelul 2, am găsit una sau mai multe variante rare pentru toți probandii, cu excepția unuia, care nu au fost împărtășite de niciun frate de control neafectat (Fișierul suplimentar 2: Tabelul S2). Am căutat, de asemenea, variante heterozigote compuse la subiecți, căutând variante suplimentare în genele afectate de variantele de novo, dar nu am găsit niciuna. Ratele tuturor variantelor de novo de mare probabilitate (scorul de calitate Bayesian ≥ 50) au fost de 0,80/exomul de bandă și 0,92/exomul de frate (Fișierul suplimentar 2: Tabelul S3), care sunt similare cu ratele generale calculate din 11 studii WES recente privind tulburările de neurodezvoltare: 1,00/proband exom, n = 2358; 0,82/ exom de control, n = 731 . Nu au existat diferențe semnificative în ceea ce privește ratele variantelor non-sinonime de novo, homozigote și hemizigote (Fișier suplimentar 2: Tabelul S3); rata genelor exprimate la nivelul creierului afectate; scorurile de conservare a valorii filogenetice P (PhyloP) la pozițiile variantelor; scorurile de intoleranță la variația reziduală (RVIS); și scorurile de fenotipare a polimorfismului v2 (PolyPhen-2) (Fișier suplimentar 2: Tabelul S2) între probandi și frați.

Am găsit un CNV genic de novo la un proband (0,07/probandă, Tabelul 2), care este similar cu ratele raportate anterior pentru ASD , și niciunul la frați. CNV-ul probandului este o deleție heterozigotă de 2 kb a 3′UTR a OGDHL, care codifică o componentă a unui complex proteic mitocondrial implicat în neurodegenerare . O genă, SUPT20HL2, și două familii de gene, USP și BBS, sunt afectate la mai mult de un proband CDD. Au fost identificate două variante hemizygous missense în SUPT20HL2, care codifică un factor de transcripție putativ, dar care ar putea fi o pseudogena conform bazei de date UniProtKB (http://www.uniprot.org/). Trei membri ai familiei de gene USP (peptidaza specifică ubiquitinei) sunt afectați la probandii CDD: USP9X (hemizygous missense), USP9Y (fără sens moștenit paternal) și USP26 (hemizygous missense). Acestea codifică enzime de deubiquitinare care împiedică degradarea proteinelor. Doi membri ai familiei de gene din Sindromul Bardet-Biedel (BBS), care este implicată în ciliogeneză, prezintă variante de novo missense la probații cu CDD: BBS5 și BBS9. Deși variantele specifice de modificare a proteinelor identificate la subiecții cu CDD au fost rare și nu au fost asociate anterior cu boala, am analizat literatura de specialitate și am găsit o oarecare suprapunere între genele candidate la CDD și genele potențial asociate cu alte tulburări neurologice (Tabelul 2).

Nu au existat variante clar dăunătoare la probații cu CDD. Pentru a identifica variantele potențial patogene, am luat în considerare o combinație de factori: (1) expresie cerebrală pozitivă, (2) scor PhyloP ≥ 1,30 (P = 0,05 pentru conservare), (3) RVIS negativ (genă intolerantă la variație) și (4) clasificarea PolyPhen-2 de missense probabil dăunător (sau n/a din cauza unei alte variante decât missense). Dintre cele 47 de gene candidate CDD, 14 au îndeplinit toate aceste criterii: NRK, TBC1D8B, TRRAP, NAV2, OGDHL, ZNF236, PRKCSH, MTMR8, BCOR, SRPK3, USP9Y, KIAA2018, CXorf57 și ALG13 (tabelul 2). Pentru a rafina și mai mult această listă, inspectarea datelor de secvențiere de la Exome Aggregation Consortium (http://exac.broadinstitute.org/) a arătat că: (1) variantele din toate genele, cu excepția NAV2, MTMR8 și ALG13, sunt noi sau se regăsesc cel mult o dată în setul de date și (2) dintre cele 11 gene rămase, 4 sunt printre cele mai intolerante 5 %: TRRAP, ZNF236, ZNF236, BCOR și KIAA2018.

TRRAP (transformation/transcription domain-associated protein)afectată de o variantă missense de novo la un proband de sex masculin cu CDD; aceasta codifică o componentă a complexelor de histone acetiltransferază și este implicată în transcripția și repararea ADN-ului. Nu este asociată cu o tulburare OMIM, dar au fost identificate variante de novo în alte tulburări neurologice (tabelul 2). ZNF236 (Zinc Finger Protein 236) este, de asemenea, afectată de o variantă missense de novo la un proband de sex masculin; este posibil să fie implicată în reglarea transcripțională (UniProtKB), dar nu este asociată cu o tulburare cunoscută. BCOR (BCL6 Corepressor) este afectat de o variantă hemizygous missense la un proband de sex masculin cu CDD; acesta codifică un corepresor transcripțional. Este asociat cu microftalmia sindromică, care poate avea trăsătura de ID, dar altfel nu caracterizează probandul CDD și este de obicei cauzată de mutații trunchiate la femei. KIAA2018 este afectat de o deleție homozigotă de un aminoacid la un proband CDD de sex masculin; este cunoscut și sub numele de USF3 (upstream transcription factor 3). Nu este asociat cu o afecțiune OMIM, dar au fost identificate variante de novo în alte afecțiuni neurologice (tabelul 2). De remarcat, toate aceste gene candidate de top joacă un rol sau pot fi implicate în transcripție, ceea ce caracterizează multe gene asociate cu TSA, de asemenea .

Utilizând setul de date de transcriptom BrainSpan exon-array uman , am trasat nivelul median de expresie al genelor candidate CDD ca grup pentru toate regiunile creierului disponibile din stadiile embrionare până la vârsta adultă târzie (n = 40 de gene reprezentate o dată în setul de sonde de bază, Fișier suplimentar 2: Tabelul S4). După cum arată profilul de expresie din Fig. 1, genele candidate CDD sunt mai puternic exprimate în regiunile non-neocorticale în comparație cu regiunile neocorticale de-a lungul vieții (Fișier suplimentar 2: Tabelul S5). Mai mult, există niveluri crescânde de expresie în AMY, STR și HIP în perioadele 10 (1-6 ani) și 11 (6-12 ani), interval care cuprinde vârsta de debut a simptomelor în cohorta noastră de CDD.

Datorită acestei observații, am comparat diferența dintre nivelurile de expresie mediane între regiunile non-neocorticale și cele neocorticale pentru genele afectate de variantele non-sinonime și sinonime la probații CDD, frații lor neafectați și probanții cu TSA din Colecția Simons Simplex (SSC) cu și fără regresie, potriviți după sex, vârstă la evaluare, IQ și severitatea simptomelor de autism (a se vedea fișierul suplimentar 1: Informații suplimentare pentru detalii privind selecția cohortei). Profilul de expresie al genelor candidate CDD este calitativ distinct de celelalte seturi de gene, cu excepția faptului că este similar cu profilul genelor afectate de variante nesinonime la probandiștii SSC cu regresie, chiar dacă au doar o singură genă, NAV2, în comun (Fig. 2, Fișierul suplimentar 2 : Tabelele S4 și S6). Diferența de expresie, non-neocorticală minus neocorticală, atinge o valoare pozitivă maximă în stadiile fetale medii. Pentru genele candidate CDD, acest lucru se întâmplă la perioada șase ; testarea permutării cu 100 000 de iterații a 40 de gene selectate aleatoriu din setul de date BrainSpan a confirmat semnificația acestei expresii diferențiale (P = 0,0022). Am extins analiza la alte câteva seturi de gene, cum ar fi cele identificate în cazul probandelor SSC și al fraților neafectați cu variante non-sinonime, sinonime și LGD; genele cele mai semnificativ asociate cu ASD de către trei studii recente mari WES și CNV ; și toate genele din setul de date BrainSpan. Profilul de expresie al genelor afectate de variante nesinonime la probații CDD și probații SSC cu regresie este, de asemenea, calitativ distinct de aceste alte seturi (Fișierul suplimentar 1: Figura S1, Fișierul suplimentar 2: Tabelele S4 și S6).

Am investigat, de asemenea, dacă genele candidate la CDD sunt coexprimate unele cu altele. Dintre cele 40 de gene candidate, 11 sunt coexprimate cu cel puțin o altă genă candidată în toate regiunile cerebrale și perioadele de timp, cu un coeficient de corelație Pearson r ≥ 0,7 (Fig. 3, Fișier suplimentar 2: Tabelul S7). Există 23 de astfel de conexiuni, pentru o medie de 2,09 corelații/gena și un coeficient mediu de 0,779. Testarea permutării cu 100.000 de iterații a 40 de gene selectate aleatoriu din setul de date BrainSpan a arătat că observarea a 11 gene cu cel puțin 2,09 corelații/gena este semnificativă (P = 0,036), la fel ca și observarea a 11 gene cu un coeficient mediu de corelație de cel puțin 0,779 (P = 0,019). Îndeplinirea ambelor praguri este, de asemenea, semnificativă (P = 0,0059). Deoarece toate cele 11 gene candidate CDD care sunt coexprimate între ele au o expresie cerebrală pozitivă conform setului de date BrainSpan, s-au efectuat, de asemenea, teste de permutare cu 100 000 de iterații cu 40 de gene cu expresie cerebrală selectate aleatoriu din BrainSpan. În timp ce observarea a 11 gene cu cel puțin 2,09 corelații/gena nu este semnificativă (P = 0,066), observarea a 11 gene cu un coeficient mediu de corelație de cel puțin 0,779 este semnificativă (P = 0,022), la fel ca și îndeplinirea ambelor praguri (P = 0,011). Compararea setului de 11 gene candidate CDD coexprimate cu setul rămas de 29 care nu sunt coexprimate nu a relevat diferențe semnificative între rata genelor exprimate în creier, scorurile PhyloP sau scorurile PolyPhen-2; cu toate acestea, genele coexprimate sunt semnificativ mai intolerante la variație (RVIS mediu -1,42 față de -0,15, t(35) = -2,91, P = 0,0062, test t independent, cu două cozi). Analiza de îmbogățire a ontologiei genice utilizând Database for Annotation, Visualization and Integrated Discovery v6.8 (https://david.ncifcrf.gov/) pentru întregul set de gene candidate CDD și pentru subsetul de 11 gene coexprimate nu a identificat o îmbogățire semnificativă a termenilor GO după corecția Benjamini-Hochberg a valorilor P.

Sisteme neuronale

Datorită universalității deficitelor sociale în TSA, disfuncția sistemelor cerebrale care servesc percepția socială, inclusiv percepția fețelor, este un obiectiv cheie al cercetării TSA. Stimulii vizuali ai fețelor și caselor activează și disociază în mod fiabil sistemele implicate în procesarea informațiilor socioemoționale (fețele înfricoșătoare) și non-socioemoționale (casele). Am studiat patru cohorte: CDD (n = 7), LFASD (n = 7), HFASD (n = 14) și TD (n = 19). Chiar dacă indivizii cu LFASD sunt mai numeroși decât cei cu CDD, dimensiunea eșantionului nostru a fost totuși limitată de dificultatea de a obține date de neuroimagistică (și de urmărire a ochilor) de înaltă calitate la subiecții cu funcții scăzute. Acestea fiind spuse, după cunoștințele noastre, aceasta este prima prezentare de date fMRI nesedate de la indivizi cu TSA și ID marcată.

Nu au existat diferențe semnificative în ceea ce privește sexul, vârsta, volumul intracranian și mișcarea capului în scaner între cele patru cohorte. Grupurile CDD și LFASD nu au fost, de asemenea, semnificativ diferite în funcție de IQ și de severitatea autismului, iar grupurile HFASD și TD nu au fost semnificativ diferite în funcție de IQ (Fișierul suplimentar 2: Tabelele S8 și S9). În primul rând, am utilizat un eșantion de descoperire a 12 dintre subiecții noștri 19 TD într-o analiză a creierului întreg pentru o localizare independentă a regiunilor de interes implicate în procesarea fețelor în raport cu casele. Figura 4a ilustrează regiunile din cortexul occipitotemporal ventrolateral în care subiecții TD au prezentat o activare semnificativă a fețelor > case (Fișier suplimentar 2: Tabelul S10). Aceste regiuni au inclus locațiile așteptate ale nodurilor bine-cunoscute ale rețelei occipitotemporale sensibile la fețe, inclusiv zona fusiformă a fețelor și zona occipitală a fețelor . După cum se arată în Fig. 4b și în Fișierul suplimentar 2: Tabelul S11, extragerea modificării medii a semnalului procentual (fețe > case) pentru fiecare dintre cele patru grupuri a indicat o absență a diferențelor de grup în răspunsul la fețe față de case în aceste regiuni de interes definite independent atunci când se compară grupurile TD: validare și HFASD și atunci când se compară grupurile LFASD și CDD . Răspunsul fețelor > case în cadrul grupului CDD nu a fost semnificativ mai mare decât zero , sugerând o lipsă generală de sensibilitate la fețe în rețeaua occipitotemporală sensibilă la fețe ca întreg. Există o constatare bine stabilită a hipoactivării la fețe (față de case) în gyrusul fusiform drept, mijlociu în HFASD în raport cu TD . Am reușit să reproducem această constatare în cohortele noastre . Cu toate acestea, compararea activității fețelor > case în CDD în raport cu TD nu a relevat nicio diferență semnificativă , la fel ca și compararea grupurilor LFASD și TD (Fișier suplimentar 1: Figura S2 și Fișier suplimentar 2: Tabelul S12).

Datorită posibilei lipse de sensibilitate la fețe în cortexul occipitotemporal ventrolateral în CDD, am efectuat în continuare o evaluare a întregului creier al subiecților CDD pentru a localiza substraturile neuroanatomice ale percepției fețelor la acești indivizi. După cum este ilustrat în Fig. 5a, subiecții CDD au prezentat fețe > case de activitate în girusul frontal mijlociu, girusul precentral, caudat (striatum), talamus, hipocampus și cerebel (fișier suplimentar 2: Tabelul S13). Acestea se suprapun cu regiunile cerebrale determinate ca având cele mai ridicate niveluri de expresie a genelor candidate CDD (Fig. 1). După cum se arată în Fig. 5b și în Fișierul suplimentar 2: Tabelul S14, compararea procentului mediu de schimbare a semnalului (fețe > case) din aceste regiuni de interes a relevat o diferență semnificativă între CDD și HFASD , dar nicio diferență semnificativă între CDD și LFASD . Grupul LFASD a prezentat un fenotip intermediar față de cel al grupurilor HFASD și CDD (Fig. 5b).

Comportamentul privirii

Am colectat date de urmărire a ochilor pentru a cuantifica fenotipul social al celor patru cohorte ale noastre în timp ce priveau fețele emoționale . După cum se arată în fișierul suplimentar 2: Tabelele S15 și S16, grupurile nu au fost semnificativ diferite în funcție de sex, vârstă și durata totală de fixare pe imagine. Grupurile CDD și LFASD nu au fost, de asemenea, semnificativ diferite de IQ și de severitatea autismului, iar grupurile HFASD și TD nu au fost semnificativ diferite de IQ. După cum se arată în Fig. 6, replicăm constatările anterioare privind scăderea fixării pe ochi și creșterea fixării pe gură în HFASD în raport cu TD. Cu toate acestea, în timp ce procentul de timp pe care subiecții cu LFASD l-au petrecut uitându-se la ochi nu a fost semnificativ diferit față de grupul HFASD , subiecții CDD au fixat ochii semnificativ mai mult decât grupul HFASD . Comparativ între ei, subiecții CDD și LFASD nu au diferit semnificativ în ceea ce privește timpul petrecut uitându-se la ochi . Ca și în cazul rezultatelor fMRI (Fig. 5b), grupul LFASD a prezentat un fenotip intermediar față de cel al grupurilor HFASD și CDD (raportul ochi-gură, Fișier suplimentar 2: Tabelul S16).

.