Nagyon elhízott, autista spektrum zavarban szenvedő gyermekek genetikai elemzése bioRxiv
Absztrakt
Az autizmus spektrum zavarát (ASD) a társadalmi interakciók hiányának, a kommunikáció hiányának és az ismétlődő viselkedésnek a triádja határozza meg. Az ASD szindrómás formáinak gyakori társbetegségei: értelmi fogyatékosság, rohamok és elhízás. Megkérdeztük, hogy a nagyon elhízott, ASD-s gyermekek viselkedési, fizikai és genetikai jellemzői eltérnek-e azoktól az ASD-s gyermekektől, akik nem voltak elhízottak. Megállapítottuk, hogy a nagyon elhízott, ASD-s gyermekek szignifikánsan gyengébb eredményeket értek el a standardizált viselkedési teszteken. Az ASD-vel rendelkező, nagyon elhízott fiúk teljes skálája alacsonyabb volt, és a sztereotípiák, a kommunikációs és a szociális készségek tekintetében fokozott a károsodás. Az ASD-vel rendelkező, nagyon elhízott lányok fokozottan károsodtak az ingerlékenység és az ellenzéki dacos viselkedés tekintetében. Az ASD-vel és elhízással küzdő gyermekek egy részénél azonosítottunk genetikai elváltozásokat, és megkíséreltük a gazdagított biológiai utak azonosítását. Vizsgálatunk megmutatja az együttes megbetegedések azonosításának értékét az ASD-s gyermekekben, miközben haladunk a biológiai folyamatok megértése felé, amelyek hozzájárulnak ehhez a komplex rendellenességhez, és felkészülünk olyan testreszabott kezelések tervezésére, amelyek az ASD-ben szenvedő egyéneknél előforduló különféle genetikai elváltozásokat célozzák.
Bevezetés
Az ASD-ben szenvedő gyermekeknél fokozott a túlsúly és az elhízás kockázata [11-14]. Az elhízás együttes morbiditásának genetikai hozzájárulását az ASD-ben azonban nem vizsgálták szisztematikusan [15, 16]. Míg a felnőtteknél az elhízás növekvő aránya a fizikai aktivitás és az ételválasztás társadalmi változásainak tulajdonítható, a súlyos gyermekkori elhízás gyakrabban magában foglalja a központi idegi áramkörökben bekövetkező változásokat, amelyek szabályozzák az táplálékfelvételt és az energiafelhasználást [17]. Elvileg az ASD és az elhízás előfordulhat együtt egy egyedben egyetlen öröklődő vagy szórványos genetikai mutáció (pl. MAGEL2 hiány), két örökletes vagy szórványos genetikai mutáció (egy ASD-ért felelős gén és egy másik elhízásért felelős gén) miatt, vagy genetikai mutációk és multifaktoriális hozzájárulások kombinációja. Valójában számos körülmény, például a csökkent aktivitás, az egészségügyi ellátáshoz való hozzáférés és a megszakított alvási szokások hozzájárulhatnak az elhízáshoz az ASD-próbákban [12, 14]. Egyes próbáknak örökletes hajlamuk lehet az elhízásra, amely nem kapcsolódik az ASD diagnózisukhoz, például a melanokortin-4 receptor vagy az FTO gének variációja [18].
Az ASD- és az elhízást előre meghatározó gének sokféle biológiai folyamatban vesznek részt, amelyek közül sok befolyásolja a központi idegi áramkörök működését. Az iontranszport és a kromatin-átalakítás szempontjából fontos fehérjék az autizmus génkészleteinek gyakori mutációforrásai [19]. A sejtek polaritását és adhézióját szabályozó sík sejtpolaritás (PCP) és Wnt-béta catenin útvonalak mind az autizmusban [20-22], mind az energiaegyensúly hipotalamusz-szabályozásában szerepet játszanak [23]. Kulcsszereplője az ASD-hez társult CTNNB1 gén, amely a béta-katenint kódolja, amelyben a mutációk újszülöttkori hipotóniával és légzési problémákkal járó értelmi fogyatékosságot (ID)/ASD-t okoznak [24, 25]. A PCP útvonalak és a csillóműködés szempontjából fontos gének halmazában bekövetkező mutációk Bardet-Biedl szindrómát, intellektuális fogyatékossággal és elhízással járó neurodevelopmentális rendellenességet okoznak [26].
A de novo kópiaszám-variánsok (dnCNV) többsége a probandokban (0,05/egyén) a testvérekhez képest (0,02/egyed), és a proband dnCNV-kben található nagyobb számú gén található a testvér dnCNV-khez képest az autista kohorszokban, ami arra utal, hogy a dnCNV-k az ASD kockázatával társul [27]. A teljes exom szekvenálási vizsgálatok átlagosan 0,17 de novo valószínű génmegszakító (dnLGD) és 0,94 de novo nem szinonim kódoló mutációt (dnNSC) becsültek egy érintett gyermekre, szintén meghaladják a kontroll testvéreknél a de novo eseményeket [27, 28 ]. A legfrissebb becslések legalább 8 CNV-t és 65 olyan gént érintettek, amelyeknél fokozott az ASD kockázata [29]. Feltételeztük, hogy a súlyos elhízással járó ASD jelölt génjeit a Simons Simplex Collection (SSC) nagyon elhízott, ASD-s gyermekeiben talált genetikai variánsok elemzésével lehet azonosítani [30].
Mód
Probandok és testvérek
A vizsgálat idején az SSC 15-ös verziójú fenotípus-adatsor 2873 ASD-vel, szüleikkel és egy vagy több testvérével kapcsolatos probandumot tartalmazott [31]. Az adatok magukban foglalják a pszichológiai és az IQ tesztet, az anamnézist, a dysmorphológiát, a születési rendet és az antropometriai információkat. A fenotípusos adatok részletei az SFARI Base webhelyről érhetők el (sfari.org/resources/autism-cohorts/simons-simplex-collection). A magasság Z-pontszámot, a testtömeg-indexet (BMI) és a BMI Z-pontszámot az SSC adatkészletéből vettük minden probandumra, és kijelöltük a nem érintett testvért. A magassághoz hasonlóan a BMI normál tartománya a gyermekek életkorától függően változik, így az abszolút értékek helyett a Z-pontszámok használata lehetővé tette a 3 és 18 év közötti gyermekek standardizált összehasonlítását. A magasság-Z és a BMI-Z pontszámokat előre kiszámolták az SSC adatkészletben, az Egészségügyi Világszervezet növekedési normáinak és az SSC „Magasság, súly és fejkörfogat” űrlap alapján történő értékeléskor.
Gének
Az SSC-próbák genetikai mutációit a GPF adataiból származtatták: Genotípus és Fenotípus családokban [32]. A genetikai mutációval szembeni toleranciát meghatározó kényszerértékek az Exome Aggregation Consortium (ExAC) adataiból származnak [33]. A mutáció intoleranciáját akkor feltételezzük, ha a megfigyelt mutációk száma (missense vagy funkcióvesztés) lényegesen kevesebb, mint a várható mutációk száma.
Statisztika
A BMI-Z és az életkor megoszlása az SSC-ben.
Az anya BMI-jét (átlagosan 27 ± 7 kg/m 2) és az apa BMI-jét (átlagosan 29 ± 6 kg/m 2) súlyuk és magasságuk alapján számolták, ha rendelkezésre állnak. A súlynak és a magasságnak egyaránt nagy genetikai és környezeti összetevője van, ezért arra számítottunk, hogy a magasabb BMI-vel rendelkező próbáknak magasabb a BMI-vel rendelkező szülő (k). Ennek az előrejelzésnek megfelelően a BMI-Z ≥2-es elhízott probandumok 7% -ának volt egy vagy két súlyosan elhízott szülője (BMI ≥35), míg a −2≤BMI-Z≤2-es probandák 2,5% -ának egy vagy két súlyos elhízott szülője volt . Ez arra utal, hogy egyes, magas életkorú BMI-vel rendelkező probandumok örökletes hajlamot mutatnak az elhízásra, míg mások, különösen a normális testsúlyú szülők és testvérek, szintén káros mutációkat hordozhatnak az elhízásra hajlamosító génekben.
A nagyon elhízott probandák viselkedési jellemzői az A) Gyermekmagatartás ellenőrzőlistán (CBCL), B) autizmus viselkedési ellenőrzőlistán (ABC), C) Társadalmi érzékenységi skálán (SRS) és D) Vineland adaptív viselkedési skálán (VABS). Jelöljük azokat az értékeket, amelyek jelentősen eltérnek az azonos nemű tipikus súlypróbáktól (* P≤0.01, # P≤0.001). Ne feledje, hogy a CBCL (6-18), az ABC és az SRS magasabb pontszámai, de a VABS alacsonyabb pontszámai a viselkedési hiányosságokat jelzik. A hibasávok az egyértelműség kedvéért nem jelennek meg.
FSIQ (átlag ± SD) és BMI-Z férfi próbákban.
Az újszülöttkori leletek gyakorisága az SSC próbákban, BMI-Z alapján csoportokba osztva.
Az elhízott probandumok genetikai elemzése az SSC-ben
GPF: Genotípus és fenotípus családokban alkalmaztuk a de novo mutációk azonosítását 133 próbában a BMI-Z ≥3 (10 F, 123 M) [32]. A keresést az altípusok sub, ins, del vagy CNV változatára korlátoztuk effektus típusú kódolással (Nonsense, Frame-shift, Splice-site, Missense, Non-frame-shift, noStart, noEnd) vagy CNV (+ vagy -). 120 ilyen de novo mutáció volt, köztük 17 dnCNV, 20 dnLGD, Frame-shift, Nonsense vagy Splice hely) mutációk és a fennmaradó fajták 83 mutációi (1. kiegészítési táblázat). A nagyon elhízott probandumonkénti de novo mutációk száma nem különbözött a tipikus testsúlypróba/de novo mutációk számától. Néhány probandumnál de novo mutációk voltak több kategóriában. Három dnCNV nagyon elhízott próbákban már társult az ASD kockázatával [38-41] (dup7q11, dup15q12, del16p11). A dup15q12 és a del16p11 CNV-k az elhízással is összefüggenek [42].
Nagyon elhízott probandumokban kimutatott de novo genetikai események (BMI-Z ≥3). Kiegészítő 2. táblázat. A de novo mutációkkal összefüggő fenotípusok a PTK7-ben, MEGF8-ban és DVL3-ban. Kiegészítő 3. táblázat. A de novo MUC5B mutációkkal összefüggő fenotípusok.
A funkciómutációk elvesztésének elemzése
Az ASD/elhízás jelölt gének mutációval szembeni toleranciájának figyelembevétele
Ezután az ExAC interfész segítségével megvizsgáltuk a jelölt gének toleranciáját akár a funkcióvesztés (LoF), akár a missense mutációkkal szemben [33]. Csökkentett tolerancia várható egy olyan géntől, amelynek haploinsufficiency csökkenti a termékenységet, és növeli annak valószínűségét, hogy a de novo mutáció patogén. A dnLGD mutációval rendelkező gének közül tíz korábban azonosított ASD/ID gén intoleráns volt a LoF-re, a missense-re vagy mindkettőre (ANK2, DNMT3A, DSCAML1, MYH10, POGZ, PPM1D, PTK7, SPEN, STAM és VCP). A fennmaradó dnLGD gének közül néhány nagyon intoleráns volt a LoF mutációkra (CDC23, SPAG9) vagy a missense mutációkra (CDC23), míg a többi toleráns volt mind a LoF, mind a missense mutációkra. Azokból a génekből, amelyekben dnNSC mutációk voltak nagyon elhízott probandumokban, egyesek intoleránsak voltak missense vagy LoF mutációkkal szemben, ideértve a neurodevelopmentális rendellenességekkel összefüggő géneket (GLRA2, GRM7, KMT2C, MEGF8, PTK7, RYR1, SCN1A, TRIP12). Más géneket, amelyek még nem társultak rendellenességekkel, szintén intoleránsnak tekintették missense vagy LoF mutációkkal szemben, míg a fennmaradó gének toleránsak vagy ismeretlenek voltak (1. táblázat).
A gén ontológiai utak nagyon elhízott próbákban azonosítják a neuronok akciós potenciálja szempontjából fontos fehérjéket, amelyek hozzájárulnak az ASD-hez
A gén ontológiát (GO) alkalmaztuk a de novo mutált génkészletben dúsított utak azonosítására, összehasonlítva a genomban található összes GO-annotált gén várható értékével [50]. Ezt az elemzést korlátozza az a tény, hogy a nagyon elhízott csoport nemcsak a magas BMI-Z, hanem az alacsonyabb IQ (1. táblázat) és a súlyosabb viselkedési pontszámok (2. ábra) alapján is különbözik a tipikus súlycsoporttól, így a gének mutáltak ebben a csoportban hozzájárulhat az ASD-hez vagy ezeknek a társbeteg fenotípusok bármelyikéhez. A mutált gének együttese (dnLGD és dnNSC) jelentősen gazdagodik az akciós potenciál és a feszültség által vezérelt ioncsatorna aktivitás során bekövetkező idegsejtek depolarizációjában részt vevő génekben (ANK2, ANK3, ANO9, ELK1, GLRA2, GRM7, NLGN2, RYR1, SCN1A, SCN3A, SCN4A, SCN11A, SLC17A3, TRPM6, VCP) (2. táblázat). A missense mutációk önmagában történő elemzése hasonló idegrendszeri rendellenességet eredményezett.
Génontológiai konzorcium gazdagító elemzése.
A planáris sejt polaritás/Wnt jelző gének szintén elhízott probandumokban mutálódnak
A PTK7, MEGF8 és DVL3 mutációi az SSC-ben (1-5. Sorok, a proband ID-k el vannak maszkolva) vagy a Genomikus Változatok Adatbázisa (6-8. Sor, Kamisnsky et al., Genet Med. 2011: 777-84.). Az egér mutáns csuzoi összehasonlítás céljából az alsó sorban található.
Ezután a MUC gének potenciális szerepét vizsgáltuk magas BMI-vel rendelkező ASD-ben. A kódolt mucin fehérjék a Wnt-függő utakon keresztül rendellenesen szabályozódnak a daganatokban, különösen a gyomor-bél traktus rákjaiban. A MUC5B változatai a 2-es típusú cukorbetegséghez kapcsolódnak [57]. Az autizmussal vagy értelmi fogyatékossággal élő betegek kohorszaiban korábban a MUC5B génben ismétlődő de novo nem szinonim mutációkat figyeltek meg. A MUC5B-t azonban korábban kizárták ASD-jelölt génként a kontrollok nagy variációja miatt [58]. Ezzel szemben az ExAC elemzés azt sugallja, hogy a MUC5B mind a missense, mind a LoF mutációk esetében nagyon korlátozott, annak ellenére, hogy a kontrollokban a variánsok nagy abszolút száma van. Az MUC5B mutációkat hordozó SSC-gyűjtemény mind az öt próbájának újszülöttkori szövődményei voltak, kettő elhízott volt, BMI-Z = 3,0 (missense mutáció) és BMI-Z = 2,9 (nonszensz mutáció) (3. kiegészítő táblázat).
A de novo MUC5B mutációkkal összefüggő fenotípusok a Simons Simplex Gyűjteményben.
Végül az endoszómális szétválogatás, a fehérje ubiquitináció és az autofágia szempontjából fontos fehérjéket kódoló géneket, a közelmúltban neurodevelopmentális és neurodegeneratív rendellenességekben [59] érintett utakat is elemeztük. Ezt az elemzést az a megállapítás motiválta, hogy a MAGEL2 gén mutációi ASaa-t okoznak a Schaaf-Yang-szindrómában, és az endoszomális fehérje-kereskedelem megszakításával hozzájárulnak az elhízáshoz és az ASD-hez Prader-Willi-szindrómában [8-10, 60]. Az ezekhez az útvonalakhoz kapcsolódó és nagyon elhízott próbákban mutálódott gének közé tartozik a VCP (valozintartalmú fehérje, az ubiquitinált zárványokkal és a sejtek fehérje-aggregátumaival kapcsolatos mutációk, frontotemporális demencia myopathiával, vezikulus transzporttal és fúzióval), STAM (az endoszomális válogató komplexum összetevője), és SPAG9/JIP4 (kinezin által közvetített transzport az idegsejtekben).
Vita
Javasoltuk, hogy az ASD és az elhízás kettős diagnózisával rendelkező egyének genetikai vizsgálata olyan utak felé mutasson bennünket, amelyek elengedhetetlenek a normális neurodevelopment és az energiaszabályozó utak normális fejlődéséhez. A nagyon elhízott probandumokban a de novo mutációkra összpontosítottunk, amelyek helyesen azonosították az elhízásra hajlamosító elváltozásokat, például a del16p11-et és a funkcionális mutációk elvesztését a DNMT3A és a POGZ-ben, és támogatjuk a PTK7 mutációinak szerepét az autizmusban [40] és az elhízásban is. További nagyon elhízott probandumok mutációkat hordoztak az ASD-ben vagy más neurológiai rendellenességekben szerepet játszó génekben, például a neuronális akciós potenciál szempontjából fontosakban, amint azt a korábbi autizmus-elemzések előre jelezték [61, 62]. Úgy tűnik, hogy az elhízott próbákban nincs több patogén mutáció, mint az ASD-vel tipikus súlypróbákban. Annak ellenére, hogy több mint 2000 próbát elemeztünk, nem tudtuk megállapítani, hogy egyes próbáknak mutációi voltak-e két különböző génben vagy környezeti tényezők, amelyek függetlenül járultak hozzá az ASD-hez és az elhízáshoz. Mi is csak a de novo mutációkat vizsgáltuk, így nincs információnk más genetikai mechanizmusokról, például recesszív mutációkról, amelyek hozzájárulhatnak az elhízáshoz vagy az ASD fenotípusokhoz.
Következtetések
Vizsgálatunk modellt nyújt a gének felfedezéséhez, további fenotípusos információk felhasználásával az ASD-próbák részhalmazainak kategorizálásához. Például a diszmorf tulajdonságokkal rendelkező probandumok eltérő genetikai elváltozásokkal rendelkezhetnek, mint a diszmorf tulajdonságokkal nem rendelkezők. Az ASD-s gyermekek nagyobb csoportjának kiterjedt fenotípusos jellemzése és gyűjtése, amint ez a SPARK kezdeményezésben folyamatban van [63], gazdagítani fogja az autizmus spektrumzavar számos ízével járó gének sokaságával kapcsolatos ismereteinket. Ez a megértés elengedhetetlen az alapul szolgáló genetikai elváltozást megcélzó testreszabott terápiák megtervezéséhez, amelyek hozzájárulnak az egyes betegek ASD diagnózisához.
Nyilatkozatok
Etikai jóváhagyás és hozzájárulás a részvételhez
Az emberi alanyok SSC-adatainak felhasználását jóváhagyta az Alberta Egyetem Egészségkutatási Etikai Testület-orvosbiológiai testülete, Edmonton, Alberta, Kanada.
Az adatok és anyagok rendelkezésre állása
A tanulmány megállapításait alátámasztó adatok a Simons Alapítványtól kaphatók, de korlátozások vonatkoznak ezekre az adatokra, amelyeket licenc alapján használtak fel a jelenlegi tanulmányhoz. Az adatok azonban a szerzőktől ésszerű kérésre és a Simons Alapítvány engedélyével állnak rendelkezésre.
Finanszírozás
Ezt a munkát a Simons Alapítvány az Autizmus Kutatásához támogatta (SFARIPA304216, az RW részére).
A szerzők hozzájárulása
A HDC és az RW elemezte és értelmezte a mutációs adatokat, és megírta a kéziratot. Mindkét szerző elolvasta és jóváhagyta a végleges kéziratot.