Neurogenetisk analys av desintegrativ sjukdom hos barn

Studiepersoner

Tabell 1 visar de kliniska egenskaperna hos CDD-kohorten och antalet personer som undersökts av varje undersökningsmetod. Könsfördelningen på 3,25 män för 1 kvinna liknar den som rapporterats för ASD. Medel- och medianåldern vid symtomdebut var 46 respektive 40 månader, med ett intervall på 28 till 84 månader. Sjuttio procent av försökspersonerna upplevde en prodrome av ångest och skräck. Trettio procent av försökspersonerna hade flera episoder av regression. Längden på den första regressiva episoden varierade från 2 månader till nästan 7 år hos en försöksperson. De flesta försökspersoner har allvarlig till djup ID, med en medel- och median-IQ på 30 respektive 26, med ett intervall på 8-74. Alla hade förlust av språkkunskaper, förlust av sociala färdigheter eller adaptivt beteende och förlust av lekförmåga. Sextiofem procent hade förlust av tarm- eller blåskontroll, och samma andel hade förlust av motoriska färdigheter. Även om CDD har rapporterats vara nästan alltid sporadisk har några av våra försökspersoner omedelbara familjemedlemmar med ASD eller autistiska drag, inklusive två uppsättningar enäggstvillingar. Båda medlemmarna i ett par (CDD13-03/04) har CDD; i det andra paret (CDD20-03/04) har en medlem CDD och den andra ASD.

Genetik

Med tanke på den sällsynthet, allvarlighetsgrad och till synes sporadiska överföring som ses i de flesta CDD-fall, antog vi att sällsynta varianter med stor effekt bidrar till etiologin. Det finns faktiskt rikligt med bevis för att sällsynta varianter bidrar till ASD . Som framgår av tabell 2 hittade vi en eller flera sällsynta varianter för alla utom en av de sjuka personerna, som inte delades av några opåverkade syskonkontroller (Additional file 2: Table S2). Vi letade också efter sammansatta heterozygota varianter hos försökspersoner genom att söka efter ytterligare varianter i gener som påverkas av de novo-varianter men hittade inga. Frekvensen av alla de novo-varianter med hög sannolikhet (Bayesian quality score ≥ 50) var 0,80/proband exom och 0,92/syskon exom (Additional file 2: Table S3), vilket liknar de totala frekvenser som beräknats från 11 nyligen genomförda WES-studier av neurodevelopmental disorders: 1,00/proband exom, n = 2358; 0,82/kontroll exom, n = 731 . Det fanns inga signifikanta skillnader i andelen icke-synonyma de novo-, homozygota och hemizygota varianter (Additional file 2: Table S3), andelen påverkade hjärnuttryckta gener, phylogenetiska P-värde (PhyloP) bevarandepoäng vid variantpositioner, Residual Variation Intolerance Scores (RVIS) och polymorphism phenotyping v2 (PolyPhen-2) poängen (Additional file 2: Table S2) mellan probands och syskon.

Vi hittade en de novo genisk CNV hos en proband (0,07/proband, tabell 2), vilket liknar de frekvenser som tidigare har rapporterats för ASD , och ingen hos syskon. Probandens CNV är en 2 kb heterozygot deletion av 3′UTR av OGDHL, som kodar för en komponent i ett mitokondriellt proteinkomplex som är inblandat i neurodegeneration . En gen, SUPT20HL2, och två genfamiljer, USP och BBS, påverkas hos mer än en CDD-proband. Två hemizygota missensevarianter identifierades i SUPT20HL2, som kodar för en förmodad transkriptionsfaktor men som kan vara en pseudogen enligt UniProtKB-databasen (http://www.uniprot.org/). Tre medlemmar av genfamiljen USP (ubiquitinspecifikt peptidas) påverkas hos CDD-proband: USP9X (hemizygous missense), USP9Y (paternellt nedärvd non-sense) och USP26 (hemizygous missense). De kodar för deubiquitinerande enzymer som förhindrar nedbrytning av proteiner. Två medlemmar av genfamiljen Bardet-Biedels syndrom (BBS), som är involverad i ciliogenesen, har de novo missensevarianter hos CDD-probands: BBS5 och BBS9. Även om de specifika proteinförändrande varianter som identifierades hos CDD-personer var sällsynta och inte tidigare associerade med sjukdom, granskade vi litteraturen och fann en viss överlappning mellan CDD-kandidatgener och gener som potentiellt är associerade med andra neurologiska sjukdomar (tabell 2).

Det fanns inga uppenbart skadliga varianter hos CDD-probanderna. För att identifiera potentiellt patogena varianter tog vi hänsyn till en kombination av faktorer: (1) positivt hjärnuttryck, (2) PhyloP-poäng ≥ 1,30 (P = 0,05 för bevarande), (3) negativ RVIS (gen intolerant för variation) och (4) PolyPhen-2-klassificering av troligen skadlig missense (eller n/a på grund av en annan variant än missense). Av de 47 CDD-kandidatgenerna uppfyllde 14 alla dessa kriterier: NRK, TBC1D8B, TRRAP, NAV2, OGDHL, ZNF236, PRKCSH, MTMR8, BCOR, SRPK3, USP9Y, KIAA2018, CXorf57 och ALG13 (tabell 2). För att ytterligare förfina denna lista visade inspektion av sekvenseringsdata från Exome Aggregation Consortium (http://exac.broadinstitute.org/) att: (1) varianterna i alla gener utom NAV2, MTMR8 och ALG13 är nya eller återfinns högst en gång i datasetet och (2) bland de återstående 11 generna är 4 bland de 5 % mest intoleranta: TRRAP, ZNF236, BCOR och KIAA2018.

TRRAP (transformation/transcription domain-associated protein)påverkas av en de novo missense-variant hos en manlig CDD-proband; den kodar för en komponent i histonacetyltransferaskomplex och är involverad i DNA-transkription och reparation. Den är inte associerad med någon OMIM-sjukdom, men de novo-varianter har identifierats i andra neurologiska sjukdomar (tabell 2). ZNF236 (Zinc Finger Protein 236) påverkas också av en de novo missense-variant hos en manlig försöksperson; den kan vara involverad i transkriptionsreglering (UniProtKB) men är inte associerad med någon känd sjukdom. BCOR (BCL6 Corepressor) påverkas av en hemizygot missense-variant hos en manlig CDD-proband; den kodar för en transkriptionell corepressor. Den är förknippad med syndromisk mikroftalmi, som kan ha drag av ID men som i övrigt inte kännetecknar CDD-probandens egenskaper och som vanligen orsakas av trunkerande mutationer hos kvinnor. KIAA2018 påverkas av en homozygot deletion av en aminosyra hos en manlig CDD-proband; den är också känd som USF3 (uppströms transkriptionsfaktor 3). Den är inte associerad med någon OMIM-sjukdom, men de novo-varianter har identifierats i andra neurologiska sjukdomar (tabell 2). Noterbart är att alla dessa toppkandidatgener antingen spelar en roll eller kan vara involverade i transkription, vilket också kännetecknar många ASD-associerade gener .

Med hjälp av det humana BrainSpan exon-array transkriptomdatasetetet plottade vi medianuttrycksnivån för CDD-kandidatgenerna som en grupp för alla hjärnregioner som finns tillgängliga från embryonala stadier till sena vuxenåldrar (n = 40 gener som är representerade en gång i kärnprovset, Additional file 2: Table S4). Som framgår av uttrycksprofilen i figur 1 uttrycks CDD-kandidatgener i högre grad i icke-neokortikala regioner jämfört med neokortikala regioner under hela livslängden (Additional file 2: Table S5). Dessutom finns det ökande nivåer av uttryck i AMY, STR och HIP under perioderna 10 (1-6 år) och 11 (6-12 år), det intervall som omfattar åldern för symtomdebut i vår CDD-kohort.

Med anledning av denna observation jämförde vi skillnaden i medianuttrycksnivåerna mellan icke-neokortikala och neokortikala regioner för gener som påverkats av icke-synonyma och synonyma varianter i CDD-proband, deras opåverkade syskon och ASD-proband från Simons Simplex Collection (SSC) med och utan regression matchade med avseende på kön, ålder vid utvärderingen, IQ och svårighetsgrad av autismsymtom (se tilläggsfil 1): Kompletterande information för detaljer om urvalet av kohorter). Uttrycksprofilen för CDD-kandidatgener skiljer sig kvalitativt från de andra genuppsättningarna, förutom att den liknar profilen för gener som påverkas av icke-synonyma varianter hos SSC-proband med regression, även om de bara har en gen, NAV2, gemensamt (Fig. 2, Additional file 2 : Tabellerna S4 och S6). Skillnaden i uttryck, icke-neokortikalt minus neokortikalt, når ett maximalt positivt värde i mitten av fosterstadiet. För CDD-kandidatgener inträffar detta vid period sex ; permutationstestning med 100 000 iterationer av 40 slumpmässigt utvalda gener från BrainSpan-dataset bekräftade betydelsen av detta differentiella uttryck (P = 0,0022). Vi utvidgade analysen till flera andra genuppsättningar, t.ex. de som identifierats hos SSC-proband och opåverkade syskon med icke-synonyma, synonyma och LGD-varianter; gener som är mest signifikant förknippade med ASD genom tre nyligen genomförda stora WES- och CNV-studier; och alla gener i BrainSpan-dataset. Uttrycksprofilen för gener som påverkas av icke-synonyma varianter hos CDD-proband och SSC-proband med regression skiljer sig också kvalitativt från dessa andra uppsättningar (Additional file 1: Figur S1, Additional file 2: Tabellerna S4 och S6).

Vi undersökte också om CDD-kandidatgener samuttrycks med varandra. Av de 40 kandidatgenerna samuttrycks 11 med minst en annan kandidatgen över alla hjärnregioner och tidsperioder med en Pearsonkorrelationskoefficient r ≥ 0,7 (fig. 3, Additional file 2: Table S7). Det finns 23 sådana kopplingar, för ett medelvärde på 2,09 korrelationer/gen och en medelkoefficient på 0,779. Permutationstester med 100 000 iterationer av 40 slumpmässigt valda gener från BrainSpan-dataset visade att det är signifikant att observera 11 gener med minst 2,09 korrelationer/gen (P = 0,036), liksom att observera 11 gener med en genomsnittlig korrelationskoefficient på minst 0,779 (P = 0,019). Att uppnå båda tröskelvärdena är också signifikant (P = 0,0059). Eftersom alla 11 CDD-kandidatgener som samuttrycks med varandra har ett positivt hjärnuttryck enligt BrainSpan-dataset, utfördes också permutationstester med 100 000 iterationer med 40 slumpmässigt utvalda hjärnuttryckta gener från BrainSpan. Att observera 11 gener med minst 2,09 korrelationer/gen är inte signifikant (P = 0,066), men att observera 11 gener med en genomsnittlig korrelationskoefficient på minst 0,779 är signifikant (P = 0,022), liksom att uppfylla båda tröskelvärdena (P = 0,011). En jämförelse mellan uppsättningen av 11 samuttryckta CDD-kandidatgener och den återstående uppsättningen av 29 som inte är samuttryckta visade inga signifikanta skillnader mellan graden av hjärnuttryckta gener, PhyloP-poäng eller PolyPhen-2-poäng; de samuttryckta generna är dock betydligt mer intoleranta mot variation (genomsnittlig RVIS -1,42 jämfört med -0,15, t(35) = -2,91, P = 0,0062, oberoende t-test, tvåsvansat). Analys av anrikning av genontologi med hjälp av Database for Annotation, Visualization and Integrated Discovery v6.8 (https://david.ncifcrf.gov/) för hela uppsättningen av CDD-kandidatgener och delmängden av 11 coexpressade gener identifierade ingen signifikant anrikning av GO-termer efter Benjamini-Hochberg-korrigering av P-värden.

Neurala system

Med tanke på de universella sociala underskotten vid ASD är dysfunktion i hjärnans system som understödjer social uppfattning, inklusive uppfattning av ansikten, ett centralt fokus för ASD-forskningen. Visuella stimuli av ansikten och hus aktiverar och dissocierar på ett tillförlitligt sätt system som är involverade i socioemotionell (rädda ansikten) och icke-socioemotionell (hus) informationsbearbetning. Vi studerade fyra kohorter: CDD (n = 7), LFASD (n = 7), HFASD (n = 14) och TD (n = 19). Även om individer med LFASD är fler än individer med CDD var vår urvalsstorlek fortfarande begränsad på grund av svårigheten att erhålla högkvalitativa data från neuroimaging (och eye-tracking) hos lågfungerande personer. Med detta sagt är detta, såvitt vi vet, den första presentationen någonsin av icke-sederade fMRI-data från individer med ASD och markerad ID.

Det fanns inga signifikanta skillnader i kön, ålder, intrakraniell volym och huvudrörelse i skannern mellan de fyra kohorterna. CDD- och LFASD-grupperna skiljde sig inte heller signifikant åt med avseende på IQ och autismens svårighetsgrad, och HFASD- och TD-grupperna skiljde sig inte signifikant åt med avseende på IQ (Additional file 2: Tabellerna S8 och S9). För det första använde vi ett upptäcktsprov av 12 av våra 19 TD-ämnen i en analys av hela hjärnan för en oberoende lokalisering av regioner av intresse som är involverade i behandlingen av ansikten i förhållande till hus. Figur 4a illustrerar regioner i ventrolateral occipitotemporal cortex där TD-ämnen uppvisade signifikant aktivering av ansikten > hus (Additional file 2: Table S10). Dessa regioner omfattade de förväntade platserna för välkända noder i det occipitotemporala ansiktskänsliga nätverket, inklusive det fusiforma ansiktsområdet och det occipitala ansiktsområdet . Som framgår av figur 4b och Additional file 2: Table S11 visade extraktion av den genomsnittliga procentuella signalförändringen (ansikten > hus) för var och en av de fyra grupperna att det inte fanns några gruppskillnader i responsen på ansikten jämfört med hus i dessa oberoende definierade regioner av intresse när man jämförde TD:validering- och HFASD-grupperna och när man jämförde LFASD- och CDD-grupperna . Svaret för ansikten > hus i CDD-gruppen var inte signifikant större än noll , vilket tyder på en övergripande brist på känslighet för ansikten i det occipitotemporala ansiktskänsliga nätverket som helhet. Det finns ett väletablerat fynd av hypoaktivering för ansikten (jämfört med hus) i den högra, mellersta fusiform gyrus i HFASD i förhållande till TD . Vi kunde upprepa detta resultat i våra kohorter . En jämförelse av aktiviteten för ansikten > hus i CDD i förhållande till TD visade dock ingen signifikant skillnad , liksom jämförelsen av LFASD- och TD-grupperna (Additional file 1: Figur S2 och Additional file 2: Tabell S12).

Med tanke på den möjliga bristen på känslighet för ansikten i den ventrolaterala occipitotemporala cortexen i CDD, genomförde vi därefter en helhjärnbedömning av CDD-ämnena för att lokalisera de neuroanatomiska substratet för ansiktsuppfattning hos dessa individer. Som illustreras i fig. 5a uppvisade CDD-personer ansikten > husaktivitet i den mellersta frontala gyrus, precentral gyrus, caudate (striatum), thalamus, hippocampus och cerebellum (Additional file 2: Table S13). Dessa överlappar med hjärnregioner som fastställts ha de högsta nivåerna av CDD-kandidatgenuttryck (fig. 1). Som framgår av fig. 5b och Additional file 2: Table S14 visade en jämförelse av den genomsnittliga procentuella signalförändringen (ansikten > hus) från dessa regioner av intresse en signifikant skillnad mellan CDD och HFASD , men ingen signifikant skillnad mellan CDD och LFASD . LFASD-gruppen visade en mellanliggande fenotyp jämfört med HFASD- och CDD-grupperna (fig. 5b).

Eye-gaze behaviour

Vi samlade in ögonspårningsdata för att kvantifiera den sociala fenotypen hos våra fyra kohorter när de tittade på emotionella ansikten . Som framgår av Additional file 2: Tabellerna S15 och S16 skiljde sig grupperna inte signifikant från varandra beroende på kön, ålder och total fixeringstid på bilden. CDD- och LFASD-grupperna skiljde sig inte heller nämnvärt åt med avseende på IQ och autismgrad, och HFASD- och TD-grupperna skiljde sig inte nämnvärt åt med avseende på IQ. Som framgår av fig. 6 replikerar vi tidigare fynd av minskad fixering på ögonen och ökad fixering på munnen hos HFASD i förhållande till TD. Medan den procentuella andel av tiden som försökspersoner med LFASD tillbringade med att titta på ögonen inte skiljde sig signifikant från HFASD-gruppen , fixerade CDD-försökspersoner dock ögonen signifikant mer än HFASD-gruppen . Jämfört med varandra skilde sig inte CDD- och LFASD-ämnena nämnvärt åt i fråga om den tid som de ägnade åt att titta på ögonen . I likhet med fMRI-resultaten (fig. 5b) uppvisade LFASD-gruppen en mellanliggande fenotyp jämfört med HFASD- och CDD-grupperna (ögon-munförhållande, Additional file 2: Table S16).

.