Genetic Mechanisms Underlying Autism Spectrum Disorders

Abstract

Autism is a childhood-onset developmental disorder characterized by deficits in reciprocal social interaction, verbal and non-verbal communication, and dependence on routines and rituals. It belongs to a spectrum of disorders (autism spectrum disorders, ASDs) which share core symptoms but show considerable variation in severity. The whole spectrum affects 0.6-0.7% of children worldwide, inducing a substantial public health burden and causing suffering to the affected families. Despite having a very high heritability, ASDs have shown exceptional genetic heterogeneity, which has complicated the identification of risk variants and left the etiology largely unknown. However, recent studies suggest that rare, family-specific factors contribute significantly to the genetic basis of ASDs.

In this study, we investigated the role of DISC1 (Disrupted-in-schizophrenia-1) in ASDs, and identified association with markers and haplotypes previously associated with psychiatric phenotypes. We identified four polymorphic micro-RNA target sites in the 3 UTR of DISC1, and showed that hsa-miR-559 regulates DISC1 expression in vitro in an allele-specific manner.

We also analyzed an extended autism pedigree with genealogical roots in Central Finland reaching back to the 17th century. To take advantage of the beneficial characteristics of population isolates to gene mapping and reduced genetic heterogeneity observed in distantly related individuals, we performed a microsatellite-based genome-wide screen for linkage and linkage disequilibrium in this pedigree. We identified a putative autism susceptibility locus on chromosome 19p13.3 and obtained further support for previously reported loci at 1q23 and 15q11-q13. To follow-up these findings, we extended our study sample from the same sub-isolate and initiated a genome-wide analysis of homozygosity and allelic sharing using high-density SNP markers. We identified a small number of haplotypes shared by different subsets of the genealogically connected cases, along with convergent biological pathways from SNP and gene expression data, which highlighted axon guidance molecules in the pathogenesis of ASDs.

In conclusion, the results obtained in this thesis show that multiple distinct genetic variants are responsible for the ASD phenotype even within single pedigrees from an isolated population. We suggest that targeted resequencing of the shared haplotypes, linkage regions, and other susceptibility loci is essential to identify the causal variants. We also report a possible micro-RNA mediated regulatory mechanism, which might partially explain the wide-range neurobiological effects of the DISC1 gene.

Autismi on lapsuusiän kehityksellinen häiriö, jonka tyypillisiä oireita ovat ongelmat vastavuoroisessa sosiaalisessa vuorovaikutuksessa, sanallisessa ja sanattomassa kommunikaatiossa, sekä riippuvuus erilaisista rutiineista ja rituaaleista. Se kuuluu laajempaan autismikirjon häiriöiden ryhmään, jotka kaikki ovat perusoireiltaan samankaltaisia, mutta joiden vakavuusaste vaihtelee huomattavasti. Autismikirjon häiriöitä tavataan maailmanlaajuisesti 0.6-0.7%:lla lapsista, ja ne aiheuttavat inhimillisen kärsimyksen lisäksi merkittäviä kuluja terveydenhuollolle. Vaikka autismikirjon häiriöt ovat vahvasti perinnöllisiä, niiden geneettinen tausta on osoittautunut erittäin heterogeeniseksi, mikä on vaikeuttanut altistavien geneettisten tekijöiden tunnistamista. Viimeaikaisten tutkimusten perusteella kuitenkin tiedetään, että harvinaiset, perhespesifiset geneettiset muutokset selittävät merkittävän osan autismin periytyvyydestä.

Tässä väitöskirjassa tutkittiin DISC1-geenin (Disrupted-in-schizophrenia-1) merkitystä autismikirjon häiriöissä. Havaitsimme, että samat geenimerkit ja haplotyypit, joiden on aikaisemmin osoitettu assosioituvan muihin psykiatrisiin fenotyyppeihin, altistavat myös autismikirjon häiriöille. Tunnistimme geenin 3 UTR alueelta neljä polymorfista mikro-RNA:n sitoutumiskohtaa, ja osoitimme, että hsa-miR-559 säätelee DISC1:n ilmentymistä alleelispesifisesti in vitro.

Lisäksi tutkimme suurta keskisuomalaista autismisukua, joka polveutuu yhteisistä esivanhemmista 1600-luvulta. Teimme genominlaajuisen kytkentäanalyysin mikrosatelliittimarkkereilla tässä suvussa, jonka kaukaisen sukulaisuuden voidaan olettaa vähentävän geneettistä heterogeenisyyttä. Tunnistimme mahdollisen autismille altistavan lokuksen kromosomissa 19p13.3, ja havaitsimme kaksi jo aiemmin autismiin yhdistettyä lokusta kromosomeissa 1q23 ja 15q11-q13. Tutkiaksemme näitä tuloksia tarkemmin, laajensimme käyttämäämme keskisuomalaistaustaista aineistoa ja teimme genominlaajuisen analyysin käyttämällä tiheästi sijoittuvia SNP-markkereita. Tunnistimme pienen määrän haplotyyppejä, jotka osa suvun autismia sairastavista henkilöistä jakoi keskenään, sekä yhteneviä reaktioreittejä SNP- ja geeniekspressiodatasta, joiden perusteella aksoniohjaukseen osallistuvat molekyylit näyttäisivät liittyvän autismikirjon häiriöiden patogeneesiin.

Tutkimuksemme osoittaa, että autismin genettinen tausta on monitekijäinen jopa populaatioisolaateissa ja yksittäisissä perheissä. Saamiemme tulosten perusteella voidaan sanoa, että altistavien genomisten alueiden sekvensointi on välttämätöntä, jos halutaan tunnistaa varsinaiset mutaatiot ja variantit, jotka aiheuttavat autismikirjon häiriöitä. Tunnistimme myös mahdollisen mikro-RNA-välitteisen säätelymekanismin, joka saattaa osittain selittää DISC1-geenin laaja-alaisia neurobiologisia vaikutuksia.