Резюме

Разстройството от аутистичния спектър (ASD) се определя от триадата дефицити в социалните взаимодействия, дефицити в комуникацията и повтарящи се поведения. Честите съпътстващи заболявания при синдромни форми на ASD включват интелектуални увреждания, гърчове и затлъстяване. Попитахме дали много затлъстелите деца с ASD имат различни поведенчески, физически и генетични характеристики в сравнение с деца с ASD, които не са били със затлъстяване. Установихме, че много затлъстелите деца с ASD имат значително по-лоши резултати при стандартизирани поведенчески тестове. Много затлъстелите момчета с ASD имат по-нисък IQ в пълен мащаб и увеличени увреждания по отношение на стереотипите, комуникацията и социалните умения. Много затлъстелите момичета с ASD са имали повишени увреждания по отношение на раздразнителността и опозиционното предизвикателно поведение. Идентифицирахме генетични лезии в подгрупа от деца с ASD и затлъстяване и се опитахме да идентифицираме обогатени биологични пътища. Нашето проучване демонстрира значението на идентифицирането на съпътстващите заболявания при деца с ASD, докато напредваме към разбиране на биологичните процеси, които допринасят за това сложно разстройство, и се подготвяме да разработим персонализирани лечения, насочени към различните генетични лезии, налични при лица с ASD.

генетичен

Въведение

Децата с ASD имат повишен риск от наднормено тегло и затлъстяване [11-14]. Въпреки това, генетичният принос за съпътстващата заболеваемост от затлъстяване при ASD не е систематично изследван [15, 16]. Докато нарастващите нива на затлъстяване при възрастни се дължат на социални промени във физическата активност и избора на храна, тежкото детско затлъстяване по-често включва промени в централните невронни вериги, които регулират приема на храна и разхода на енергия [17]. По принцип ASD и затлъстяването могат да се появят едновременно при индивида поради единична наследствена или спорадична генетична мутация (напр. Дефицит на MAGEL2), две наследствени или спорадични генетични мутации (един ген, отговорен за ASD и различен ген, отговорен за затлъстяването), или комбинация от генетични мутации и многофакторни приноси. Всъщност разнообразие от обстоятелства като намалена активност, достъп до здравни грижи и прекъснати модели на сън могат да допринесат за затлъстяването при пробандите на ASD [12, 14]. Някои пробанди могат да имат наследствено предразположение към затлъстяване, което не е свързано с тяхната диагноза ASD, като вариация в меланокортин-4 рецептора или FTO гени [18].

Гените, предопределящи ASD и затлъстяването, участват в голямо разнообразие от биологични процеси, много от които засягат функцията на централните невронни вериги. Протеините, важни за йонния транспорт и ремоделирането на хроматин, са често срещани източници на мутации в генетичните набори за аутизъм [19]. Планарната клетъчна полярност (PCP) и Wnt-бета катениновите пътища, които контролират клетъчната полярност и адхезия, са замесени както в аутизма [20-22], така и в хипоталамусната регулация на енергийния баланс [23]. Ключов играч е асоциираният с ASD ген CTNNB1, кодиращ бета катенин, при който мутациите причиняват интелектуална инвалидност (ID)/ASD с неонатална хипотония и дихателни проблеми [24, 25]. Мутациите в набор от гени, важни за PCP пътищата и цилиарната функция, причиняват синдром на Bardet-Biedl, неврологично разстройство, свързано с интелектуално увреждане и затлъстяване [26].

В кохортите на аутизма се откриват излишък от варианти на брой копия (dnCNV) в пробанди (0,05 на индивид) в сравнение с братя и сестри (0,02 на индивид) и по-голям брой гени, съдържащи се в dnCNV на пробанди, в сравнение с dnCNV на братя и сестри, което предполага, че dnCNV са свързано с риск от ASD [27]. Проучванията за секвениране на цели екзоми са изчислили средно 0,17 de novo с вероятност за разрушаване на гена (dnLGD) и 0,94 de novo несинонимни кодиращи мутации (dnNSC) на засегнато дете, също надвишаващо de novo събитията в контролните братя и сестри [27, 28 ]. Последните оценки включват поне 8 CNV и 65 гена с повишен риск от ASD [29]. Ние предположихме, че гените-кандидати за ASD с тежко затлъстяване могат да бъдат идентифицирани чрез анализ на генетични варианти, открити при много затлъстели деца с ASD от колекцията Simons Simplex (SSC) [30].

Методи

Пробанди и братя и сестри

По време на проучването SSC Версия 15 Phenotype Data Set 9 съдържа данни за 2873 пробанда с ASD, техните родители и един или повече братя и сестри [31]. Данните включват психологическо и IQ тестване, медицинска история, дисморфология, ред на раждане и антропометрична информация. Подробности за фенотипните данни са достъпни от база SFARI (sfari.org/resources/autism-cohorts/simons-simplex-collection). Z-резултат на височина, индекс на телесна маса (BMI) и Z-резултат на BMI са извлечени от набора от данни на SSC ​​за всеки пробанд и определени незасегнати братя и сестри. Както при височината, нормалните граници на ИТМ варират в зависимост от възрастта при децата, така че използването на Z-резултати, а не абсолютни стойности, позволява стандартизирано сравнение на деца от 3 до 18-годишна възраст. Резултатите Height-Z и BMI-Z бяха предварително изчислени в набора от данни на SSC, използвайки стандартите за растеж на Световната здравна организация и възрастта при оценяване от формуляра SSC ​​„Височина, тегло и обиколка на главата“.

Гени

Генетични мутации в SSC пробанди са получени от данни в GPF: Генотип и фенотип в семейства [32]. Ограничителни резултати, определящи толерантността към генетична мутация, са получени от данните на Exome Aggregation Consortium (ExAC) [33]. Непоносимост към мутация се приема, когато наблюдаваният брой мутации (миссенс или загуба на функция) е значително по-малък от броя на очакваните мутации.

Статистика

Разпределение на BMI-Z спрямо възрастта в SSC.

ИТМ на майката (средно 27 ± 7 kg/m 2) и ИТМ на баща (средно 29 ± 6 kg/m 2) са изчислени от тяхното тегло и височина, когато са налични. Както теглото, така и височината имат големи генетични и екологични компоненти, така че очаквахме, че пробандите с по-висок ИТМ ще имат родители с по-висок ИТМ. В съответствие с тази прогноза, 7% от затлъстелите пробанди с BMI-Z≥2 са имали един или двама родители със силно затлъстяване (BMI≥35), докато 2.5% от пробандите с −2≤BMI-Z≤2 са имали един или двама родители със силно затлъстяване . Това предполага, че някои пробанди с висок ИТМ за възрастта имат наследствено предразположение към затлъстяване, докато други, особено тези с нормално тегло родители и братя и сестри, също могат да носят вредни мутации в гените, предразполагащи към затлъстяване.

Поведенчески характеристики на много затлъстели пробанди в A) Контролен списък за детско поведение (CBCL), B) Контролен списък за поведение на аутизъм (ABC), C) Скала за социална отзивчивост (SRS) и D) Скали за адаптивно поведение на Vineland (VABS). Посочени са стойности, които се различават значително от типичните тестови пробанди за същия пол (* P≤0.01, # P≤0.001). Обърнете внимание, че по-високите резултати на CBCL (6-18), ABC и SRS, но по-ниските резултати на VABS са показателни за поведенчески дефицити. Лентите за грешки не се показват за яснота.

FSIQ (средно ± SD) и BMI-Z при мъжки пробанди.

Честота на новородените находки в SSC пробанди, разделени на групи чрез BMI-Z.

Генетичен анализ на много затлъстели пробанди в SSC

Използвахме GPF: Генотип и фенотип в семейства, за да идентифицираме de novo мутации в 133 пробанда с BMI-Z≥3 (10 F, 123 M) [32]. Ограничихме търсенето до варианти на типове sub, ins, del или CNV с кодиране на типове ефекти (Безсмислие, Frame-shift, Splice-site, Missense, Non-Frame-shift, noStart, noEnd) или CNV (+ или -). Имаше 120 такива de novo мутации, включително 17 dnCNVs, 20 dnLGD, Frame-shift, Nonsense или Splice-site мутации и 83 мутации на останалите разновидности (Suppl. Table 1). Броят на de novo мутациите на много затлъстял пробанд не се различава от броя на de novo мутациите на типичен тегловен пробанд. Някои пробанди имат мутации de novo в повече от една категория. Три dnCNV при много затлъстели пробанди вече бяха свързани с риск от ASD [38-41] (dup7q11, dup15q12, del16p11). Както CN15s dup15q12, така и del16p11 също са свързани със затлъстяването [42].

De novo генетични събития, открити при много затлъстели пробанди (BMI-Z≥3). Допълнителна таблица 2. Фенотипове, свързани с de novo мутации в PTK7, MEGF8 и DVL3. Допълнителна таблица 3. Фенотипове, свързани с de novo MUC5B мутации.

Анализ на загуба на функционални мутации

Обмисляне на толерантност към мутация за гени-кандидати за ASD/затлъстяване

След това разгледахме толерантността на кандидат-гените или към загуба на функция (LoF), или към мисенс мутации, използвайки ExAC интерфейса [33]. Очаква се намалена толерантност на ген, за който хаплоинсуфицирането намалява плодовитостта и ще увеличи вероятността de novo мутацията да е патогенна. От гените с dnLGD мутации, десет идентифицирани по-рано ASD/ID гена са непоносими към LoF, миссенс или и към двата (ANK2, DNMT3A, DSCAML1, MYH10, POGZ, PPM1D, PTK7, SPEN, STAM и VCP). От останалите dnLGD гени, някои са силно непоносими към LoF мутации (CDC23, SPAG9) или към миссенс мутации (CDC23), докато останалите са толерантни както към LoF, така и към мисенс мутации. От гените, в които има dnNSC мутации в много затлъстели пробанди, някои са непоносими или към мисенс, или към мутации на LoF, включително гени, свързани с невроразвитие (GLRA2, GRM7, KMT2C, MEGF8, PTK7, RYR1, SCN1A, TRIP12). Други гени, които все още не са свързани с разстройства, също се считат за непоносими или към миссенс, или към мутации на LoF, докато останалите гени са или толерантни, или с неизвестна толерантност (Допълнение. Таблица 1).

Пътищата на генната онтология идентифицират протеини, важни за невроналните потенциали за действие като допринасящи за ASD при много затлъстели пробанди

Използвахме генна онтология (GO), за да идентифицираме пътища, обогатени в de novo мутиралия набор от гени в сравнение с очакваните за всички GO-анотирани гени в генома [50]. Този анализ се ограничава от факта, че много затлъстелата група се различава от типичната тегловна група не само с висок BMI-Z, но и с по-нисък коефициент на интелигентност (Таблица 1) и по-тежки поведенчески резултати (фиг. 2), така че гените мутират в тази група може да допринесе за ASD или някой от тези коморбидни фенотипове. Комбинираният набор от мутирали гени (dnLGD и dnNSC) е значително обогатен в гени, участващи в деполяризацията на невронната мембрана по време на потенциал на действие и активност на йонния канал с напрежение (ANK2, ANK3, ANO9, ELK1, GLRA2, GRM7, NLGN2, RYR1, SCN1A, SCN3A, SCN4A, SCN11A, SLC17A3, TRPM6, VCP) (Таблица 2). Само анализът на мисенс-мутациите дава подобен профил на нарушаване на невроналния потенциал за действие.

Анализ за обогатяване на консорциум за генна онтология.

Планарните клетъчни полярност/Wnt сигнализиращи гени също са мутирали в затлъстелите пробанди

Мутации в PTK7, MEGF8 и DVL3 в SSC (редове 1-5, пробандните идентификатори са маскирани) или базата данни с геномни варианти (редове 6-8, Kamisnsky et al., Genet Med. 2011: 777-84.). Мутантът на мишката chuzhoi е посочен в долния ред за сравнение.

След това разгледахме потенциална роля на MUC гените при ASD с висок ИТМ. Кодираните муцинови протеини се регулират аберативно чрез Wnt-зависими пътища в тумори, особено при рак на стомашно-чревния тракт. Вариантите в MUC5B са свързани с диабет тип 2 [57]. Повтарящи се ново несинонимни мутации в гена MUC5B вече са били забелязвани при кохорти от пациенти с аутизъм или интелектуални увреждания. Въпреки това, MUC5B преди това е бил изключен като ген за кандидат за ASD поради високи вариации в контролите [58]. За разлика от това, анализът на ExAC предполага, че MUC5B е силно ограничен както за missense, така и за LoF мутации, въпреки големия абсолютен брой варианти в контролите. И петте пробанда в SSC колекцията, носещи MUC5B мутации, са имали неонатални усложнения, а двама са били със затлъстяване с BMI-Z = 3.0 (миссенс мутация) и BMI-Z = 2.9 (глупост мутация) (допълнителна таблица 3).

Фенотипове, свързани с de novo MUC5B мутации в колекцията Simons Simplex.

И накрая, гени, кодиращи протеини, важни за ендозомно сортиране, протеини убиквитинация и автофагия, пътища, наскоро замесени в невроразвитие и невродегенеративни нарушения [59], също бяха анализирани допълнително. Този анализ е мотивиран от констатацията, че мутациите в гена MAGEL2 причиняват ASD при синдром на Schaaf-Yang и допринасят за затлъстяването и ASD при синдрома на Prader-Willi чрез нарушаване на трафика на ендозомни протеини [8-10, 60]. Гените, свързани с тези пътища и мутирали в много затлъстели пробанди, включват VCP (валозин, съдържащ протеин, мутации, свързани с убиквитинирани включвания и протеинови агрегати в клетките, фронтотемпорална деменция с миопатия, транспорт на везикули и сливане), STAM (компонент на ендозомния сортиращ комплекс), и SPAG9/JIP4 (медииран от кинезин транспорт в неврони).

Дискусия

Предложихме, че генетичното изследване на лица с двойна диагноза ASD и затлъстяване може да ни насочи към пътища, които са от съществено значение за нормалното невроразвитие и нормалното развитие на енергийно-регулиращите пътища. Нашият фокус върху de novo мутациите при много затлъстели пробанди правилно идентифицира предразполагащи затлъстяване лезии като del16p11 и загуба на функционални мутации в DNMT3A и POGZ и подкрепя ролята на мутациите в PTK7 при аутизъм [40], а също и при затлъстяване. Допълнителни много затлъстели пробанди носят мутации в гени, замесени в ASD или други неврологични разстройства, като например тези, важни за потенциала на невронално действие, както се прогнозира от предишни анализи на аутизма [61, 62]. Изглежда, че затлъстелите пробанди имат по-патогенни мутации в сравнение с типичните пробанди с тегло с ASD. Въпреки анализирането на над 2000 пробанда, не можахме да определим дали някои пробанди имат мутации в два различни гена или фактори на околната среда, които независимо допринасят за ASD и затлъстяването. Също така изследвахме само de novo мутации и затова нямаме информация за други генетични механизми, като рецесивни мутации, които могат да допринесат или за затлъстяването, или за фенотипите на ASD.

Заключения

Нашето проучване предоставя модел за откриване на гени, използвайки допълнителна фенотипна информация за категоризиране на подмножества на ASB пробанди. Например, пробандите с дисморфични характеристики могат да имат различен набор от генетични лезии в сравнение с тези без дисморфични характеристики. Широката фенотипна характеристика и събирането на по-голяма кохорта деца с ASD, както продължава в момента в инициативата SPARK [63], ще обогати нашето разбиране за множеството гени, свързани с многото вкусове на аутистичния спектър. Това разбиране е от съществено значение за разработването на персонализирани терапии, насочени към основната генетична лезия, която допринася за диагностицирането на ASD при всеки индивид.

Декларации

Етично одобрение и съгласие за участие

Използването на SSC ​​данни от хора е одобрено от Съвета по етика на здравните изследвания - Биомедицински панел към Университета на Алберта, Едмънтън, Алберта, Канада.

Наличност на данни и материали

Данните, които подкрепят констатациите от това проучване, са на разположение от фондация „Саймънс“, но се прилагат ограничения по отношение на наличността на тези данни, които са били използвани с лиценз за настоящото проучване. Данните обаче са достъпни от авторите при разумно искане и с разрешение на фондацията на Саймънс.

Финансиране

Тази работа беше подкрепена с безвъзмездна финансова помощ от Фондация за изследване на аутизма на Simons (SFARIPA304216, на RW).

Принос на авторите

HDC и RW анализираха и интерпретираха данните за мутациите и написаха ръкописа. И двамата автори прочетоха и одобриха окончателния ръкопис.