Transkriptomische Dysregulation über die Großhirnrinde bei Autismus-Spektrum-Störung

Eine aktuelle Studie in Natur zeigten eine transkriptomische Dysregulation in der Großhirnrinde bei Autismus-Spektrum-Störungen (ASD).

Lernen: Bei ASS tritt eine breite Transkriptom-Dysregulation über die Großhirnrinde auf. Bildnachweis: Ukrolenochka/Shutterstock

Hintergrund

Zu den Risikofaktoren für ASD gehört eine signifikante genetische Komponente mit Hunderten von beteiligten Risikogenen. Molekulare Profiling-Studien haben in den meisten ASD-Fällen konsistente epigenetische und transkriptomische Dysregulationsmuster entlang des temporalen und frontalen Kortex beobachtet. Dazu gehören die Hochregulierung von Astrozyten-, Nerven- und Mikroglia-Genen, die Herunterregulierung von synaptischen Genen und die Abschwächung von kortikalen Genexpressionsgradienten. Ob diese eine fokale, regionale oder generalisierte molekulare Pathologie darstellen, bleibt unbekannt.

Die Studie und Ergebnisse

Die vorliegende Studie führte eine RNA-Sequenzierung (RNA-seq) von 725 Gehirnproben über 11 kortikale Bereiche aus Autopsieproben von 49 Personen mit ASD und 54 neurotypischen Probanden (Kontrollen) durch. Etwa 4.223 Gene und 9.474 Transkripte wurden über den Kortex unterschiedlich exprimiert. Die differenziellen Expressionssignale waren deutlicher und hatten eine größere Wirkung in Transkripten als in Genen.

Die regionale Konsistenz dieser Muster wurde durch getrenntes Berechnen des differentiellen Ausdrucks in jeder kortikalen Region bewertet. Die regionalen Effektgrößenänderungen wurden mit der entsprechenden Signatur des gesamten Kortex verglichen. Die transkriptomischen ASD-Signaturen waren über die 11 kortikalen Bereiche konsistent, trotz der beträchtlichen Variationen in der Anzahl der differentiell exprimierten Gene (DEGs) aufgrund von Unterschieden in der Probengröße.

Das höchste Signal wurde im primären visuellen Kortex (Brodmann-Areal 17, BA17) mit mehr als 3200 DEG aufgezeichnet. Darüber hinaus waren Änderungen der Effektgröße bei BA17 im Vergleich zum Signal des gesamten Kortex signifikanter. Darüber hinaus bewerteten die Autoren die differentielle Expression von Genen und Transkripten in 83 Pancortex-Proben von neun Personen mit mütterlichem Chromosom 15q11.2-13.1-Duplikationssyndrom (dup15q-Syndrom), einer seltenen genetischen Störung und einer der häufigsten Formen von syndromaler ASS .

Die transkriptomischen Veränderungen zwischen idiopathischer ASD und dup15q überlappten sich erheblich, und dup15q zeigte insgesamt eine signifikant erhöhte Dysregulation der Genexpression. Diese Ergebnisse legten nahe, dass die molekulare Pathologie des idiopathischen ASD und des dup15q-Syndroms über verschiedene kortikale Bereiche weit verbreitet war.

Darüber hinaus stellten die Autoren fest, dass die typischen Transkriptionsmuster, die kortikale Regionen unterscheiden, bei ASD signifikant abgeschwächt waren, wobei einige hintere Bereiche (BA17 und B39/40) starke Abschwächungsmuster aufwiesen. Als nächstes kategorisierten die Forscher Gene über alle Proben hinweg in Module (Cluster mit hohen Koexpressionsniveaus) unter Verwendung einer gewichteten Genkorrelationsnetzwerkanalyse und identifizierten 35 Genkoexpressionsmodule.

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Fünfzehn und neun Module wurden bei ASD hoch- bzw. herunterreguliert. Diese Analyse wurde für Quantifizierungen auf Transkriptebene wiederholt, und es wurden 61 Transkriptmodule identifiziert. Davon waren neun und fünf bei ASD hoch- und herunterreguliert.

Insgesamt wurden 38 Module in mindestens einer kortikalen Region bei ASD herunter- oder hochreguliert. Achtzehn Gen-/Transkriptmodule zeigten eine konsistente kortexweite Expressionsdysregulation; von diesen zeigten die IsoformM37- und GeneM5-Module eine signifikante Anreicherung für gemeinsame genetische Variationen, die mit ASD assoziiert sind. Das bei ASD herunterregulierte GeneM5-Modul war signifikant angereichert mit Genen, die ASD-assoziierte seltene De-novo-Mutationsstörproteine ​​beherbergen.

Im Gegensatz dazu wurde das IsoformM37-Modul, das bei ASD hochreguliert ist, für gängige genetische Risikovarianten für ASD angereichert und enthielt Gene, die an der Proteinfaltung und Hitzeschockproteinen beteiligt sind. Darüber hinaus gab es 13 Module mit regional unterschiedlichen Dysregulationsmustern bei ASD. Keines davon wurde jedoch für bekannte ASD-Genrisikovarianten angereichert.

Sechs dieser Module wurden bei ASD herunterreguliert, während sie bei neurotypischen Probanden in hinteren kortikalen Bereichen stärker exprimiert wurden als in vorderen Regionen. Vier Module mit mehr Expression in den vorderen Regionen als in den hinteren Bereichen bei neurotypischen Probanden wurden bei ASD kortexweit hochreguliert, wodurch das Muster abgeschwächt wurde.

Einzelkern-RNA-seq (snRNA-seq) wurde bei einigen Probanden durchgeführt, um zu untersuchen, inwieweit Änderungen der Genexpression Änderungen des Zellanteils bei ASD widerspiegeln. Die Forscher sequenzierten über 250.000 Zellkerne von sechs Personen mit ASS und sechs übereinstimmenden Kontrollen und identifizierten 26 verschiedene Zellhaufen.

Darüber hinaus wurde eine Zelltyp-Dekonvolution (CTD) unter Verwendung von zeitlichen und frontalen Massen-Methylierungsprofildaten aus Einzelzell-Methylomanalysen durchgeführt. Die CTD-Analysen zeigten nominale Zunahmen und Abnahmen der Mikroglia des präfrontalen Cortex (PFC) bzw. der Oligodendrozyten des Temporallappens bei ASD; dennoch wurden diese Verschiebungen der Zellanteile nach der Korrektur der Falschentdeckungsrate (FDR) nicht aufrechterhalten.

Schließlich untersuchten die Autoren zelltypspezifische DEG-Signaturen bei ASD über Okzipital-, Parietal- und Temporallappen. Okzipital- und Parietalzelltypen zeigten drei- bis viermal mehr DEGs als bei PFC. Die meisten DEG-Signale stammten von exzitatorischen Neuronen, wobei diejenigen aus dem Okzipitallappen das höchste DEG-Signal zeigten.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend identifizierten die Forscher Gen- und Transkriptexpressionsveränderungen im gesamten Kortex, die mehrere neurale Zelltypen und biologische Prozesse bei ASS beeinflussen. Am bemerkenswertesten waren die beobachteten Veränderungen bei ASD im primären visuellen Kortex (BA17).

Die herunterregulierten Gene des neuronalen Energiewegs und die hochregulierten reaktiven Mikroglia- und Immunantwortgene waren bei ASD kortexweit betroffen und wiesen auch regionale Gradienten auf. Insgesamt hoben diese Ergebnisse die molekularen Veränderungen im Kortex bei ASD hervor, die über die zuvor etablierten hochregulierten Immun-/Glia- und herunterregulierten Neuronenfunktionskategorien hinausgehen.

Referenz:

• Gandal MJ, Haney JR, Wamsley B, et al. (2022). Bei ASS tritt eine breite Transkriptom-Dysregulation über die Großhirnrinde auf. Natur. doi: 10.1038/s41586-022-05377-7 https://www.nature.com/articles/s41586-022-05377-7

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