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揭示认知控制的遗传因素

神经科学研究人员正在使用NGS鉴定变异,设计新的用于注意力缺陷/多动症、自闭症和精神分裂症研究的测序芯片。

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揭示认知控制的遗传因素

简介

注意力缺陷/多动症(ADHD)是全世界儿童和青少年常见的行为障碍疾病。据专家估计,约2%–7%的儿童被诊断为此疾病。专家认为这种疾病的情况仍然被严重低估了,特别是在女性和成年人中。1对造成ADHD的基因的深入了解可能有助于鉴定与ADHD相关的具有生物风险的通路。这些知识可以成为诊断检测的基础,使临床医生能够在早期识别出有患该疾病风险的儿童,并为创新的个性化治疗模式提供信息。

Mark Bellgrove博士是蒙纳士认知和临床神经科学研究所的研究主任,也是蒙纳士大学心理科学学院的认知神经科学教授。注意力和认知控制是执行功能的两个关键组成部分,而Bellgrove博士的工作重点就是确定它们的分子遗传结构和神经化学驱动因素。他想要利用系统神经科学的方法来鉴定引起ADHD的基因,建立对于导致该疾病的行为症状的细胞、脑和认知通路的理解。

Bellgrove博士与Illumina进行了密切的合作,设计了定制芯片CogChip来鉴定与执行功能和认知控制相关的变异。iCommunity与他进行了交流,了解了罕见遗传变异如何增进我们对执行功能的理解、全基因组测序(WGS)为什么是研究复杂疾病的未来,以及新一代测序(NGS)如何预示个性化ADHD治疗和疗法的到来。

Mark Bellgrove博士是蒙纳士认知和临床神经科学研究所的研究主任,也是澳大利亚墨尔本蒙纳士大学心理科学学院的认知神经科学教授。

问:最初是什么吸引了您来研究ADHD?

Mark Bellgrove(MB):我一直对认知的生物学机制感兴趣。例如,你和我可能在专注和集中注意力的能力上存在差异。为什么?为什么有些人容易分心,而有些人即使在令人分心的环境中也能维持专注?

我接受了认知神经科学训练,研究注意力和工作记忆背后的神经科学机制。我在爱尔兰圣三一学院做博士后时开始研究ADHD,进行了将爱尔兰ADHD人群中的基因变异与注意力的实验室测量联系起来的最初研究。这激发了我使用遗传方法来开展认知神经科学工作的兴趣。

从那时起,我的工作范围扩展到使用系统神经科学的方法来了解ADHD。我试图了解基因和基因突变如何改变细胞信号通路,以及它如何从大脑中的生理应答串联到ADHD儿童的一些客观注意力或认知问题。

问:您在不同的国家/地区研究过ADHD,与其他西方国家相比,该疾病在澳大利亚的发病率是多少?

MB:令人惊讶的是,这种疾病的发病率在全球相当一致。基于群体的流行病学样本表明,约5%的学龄儿童患有ADHD。2尽管你可能会看到一些头条新闻,但无论你身在何处,ADHD诊断率都是一致的,并且在过去几年中没有显著的变化。

“NGS可以让我们研究整个基因组,高效鉴定编码和非编码区域的罕见变异。我们正在使用WGS和WES进行研究。”

问:我们对该疾病的病因了解多少?

MB:我们知道ADHD是所有精神健康疾病中遗传性最高的疾病之一。由遗传因素造成的个体差异的比例与其他疾病相似,例如自闭症和精神分裂症。我们知道ADHD由遗传因素驱动,但是我们仍在尝试鉴定可能带来风险的基因变异。

存在一些常见变异(在普通人群中存在的变异),它们的最小等位基因频率约为5%。但是,破坏基因功能的罕见遗传事件也可能有重要作用。我们正在使用NGS鉴定可能对基因功能有重大影响的罕见突变。同样,自闭症研究已经使用测序揭示了影响该疾病功能通路的变异。

问:有哪些方法可用于研究ADHD的遗传机制?

MB:与许多复杂疾病一样,我们一开始在寻找所谓的候选基因。根据生物学假说,我们认为这些基因可能与ADHD的病因有关。例如,我们知道兴奋剂药物能有效治疗ADHD,它通过抑制大脑中的多巴胺转运蛋白发挥功能。此蛋白负责从突触重新吸收多巴胺。一个生物学假说是该转运蛋白过于活跃。研究人员开始寻找编码多巴胺转运蛋白的基因变异,查看ADHD病例和对照中是否有不相等的频率。这些研究,至少对于多巴胺转运蛋白和D4多巴胺受体的研究表明,这些候选基因确实会导致少量的风险。但是对这些研究的批评是它们根据特定基因预先挑选了基因组,没有提供全基因组背景下的ADHD遗传风险视图。

“我们预计CogChip将具有常见变异骨架,并且将富含我们从测序方案中鉴定的罕见变异,以及在大型合作研究中鉴定的与大脑或认知功能相关的变异。”

研究人员使用了全基因组关联研究(GWAS)来分析整个基因组。长期以来,由于样本规模较小,GWAS在ADHD领域一直没有成果。但是,精神疾病基因组学协会和其他国际组织扩展了国际ADHD数据集的数量。今天,有14个GWAS分析出的基因已经由元分析证实与ADHD有关。3但是,这些研究仅解决了根据使用的具体标准,最小等位基因频率低于1%或5%的常见变异的问题。这些研究没有解决罕见变异的问题,没有研究它们对基因功能的影响。

问:您为什么开始在研究中使用NGS?

MB:NGS可以让我们研究整个基因组,高效鉴定编码和非编码区域的罕见变异。我们正在使用WGS和外显子组测序(WES)进行研究。

最初,我们进行了小规模WES研究,使用源自文献的靶基因组合,在ADHD病例与对照的比较中发现了脑源性神经营养因子(BDNF)基因中罕见变异的证据,该基因是与大脑发育相关的重要基因。4那是一个小规模的初步研究,我们想要更详细地重新进行分析。

问:什么是执行功能,在ADHD中这些过程会如何改变?

MB:执行功能是一种独特的人类认知过程,它让我们可以与我们所在的复杂多变的世界发生相互作用并适应它。执行功能是一组认知过程,可以让你注意重要的事物,抑制不适当的行为,无论是不适当的内部想法还是外在行为。这类认知功能在ADHD、精神分裂症和自闭症中受损。通过研究执行功能的遗传机制,我们也许能发现ADHD、自闭症和其他疾病的遗传倾向的新线索。

“执行功能是多种临床疾病的有用指标,因此,我们相信CogChip可以成为基础筛选工具。”

问:您的执行功能研究的目标是什么?

MB:根据双胞胎研究,我们知道执行功能是高度遗传的。同卵双胞胎的执行功能的相似性比异卵双胞胎更高。我与Illumina合作,在蒙纳士大学研究健康个体的大型队列,筛选或评估了这些个体的执行功能。我们使用了GWAS和WES来寻找执行功能个体差异的常见和罕见变异关联。最终,我们需要进行超大规模的研究来确保其成功。

与Illumina合作为我们提供了探索执行功能遗传机制的机会。如果我们能找到与个体差异相关的基因变异,那么我们就可以开发富含多个基因组区域的靶向芯片,也许还可以将它作为从ADHD到精神分裂症的一系列存在执行控制问题的疾病的筛选工具。

问:您开始进行NGS研究来鉴定与执行功能相关的变异了吗?

MB:我们在2018年刚开始使用NovaSeq 6000系统进行WES研究。目前正在等待返回的测序数据。我们使用了蒙纳士大学数据库,它包含来自1200个健康年轻成年人的DNA样本和详细的表型信息(作为正常对照),与1800个受ADHD影响的儿童和他们的父母的样本(600个家系)一起进行分析。

同时,我们也进行了合作研究,开发了基于实验室的方案来评估人在不合适或不需要的时候抑制其行为的能力。通过国际合作,我们正在对该性状进行GWAS来尝试鉴定应答抑制的遗传基础。借助来自该合作的约10,000个样本,我们有机会展示一些有意思的内容。

问:为什么选择使用WES而不是WGS进行这一初始研究?

MB:WGS是ADHD研究理想的平台,我们相信非编码变异在这些疾病中具有重要功能,利用WGS我们能比WES分析更多的非编码变异。但是,我们目前的方案是基于成本的限制。现在,WES比WGS成本效益更高。我们使用的方法具有外显子组捕获以及部分非编码区捕获,例如内含子-外显子边界和非翻译区。

随着成本的下降和方法的改进,WGS将成为研究ADHD和其他我们认为非编码区具有重要功能的疾病的高效、经济的方法。ENCODE项目表明,非编码变异可能与许多复杂性状相关。

“我们的工作具有为基于遗传变异相关分层的个性化医疗方法提供信息的潜力。”

问:WES和WGS如何整合到您的系统神经科学方法中?

MB:NGS是我们的ADHD系统神经科学方法的重要组成部分。我被NGS吸引的一部分原因是鉴定诱发性突变,并将它们引入细胞系,进行功能验证的可能性。我们刚开始建立ADHD的诱导性多功能干细胞(iPSC)。我们希望用这些细胞将我们发现的可能造成ADHD的基因引入iPSC中,然后分化为神经元。我们的生物学假说是多巴胺神经元在ADHD中不正常,但我们没有任何客观证据可以证明这一点。源自iPSC的神经元是验证上述假说,检测遗传突变对多巴胺信号的影响的有价值的方法。

从现在起,我们的愿望是发展ADHD的病理学机制。这就是我使用测序的原因。我们能鉴定可直接用iPSC技术进行功能验证的突变,可以研究变异对细胞功能的影响。还可以寻找该基因改变大脑结构、功能或连接模式的证据,研究执行功能的客观问题。系统神经科学方法会帮助我们建立遗传风险和临床中看到的实际ADHD表型之间的联系。

问:CogChip将包括哪些变异,它将怎样支持ADHD研究?

MB:我们目前的研究将为构建CogChip提供信息。我们预计CogChip将具有常见变异骨架,并且将富含我们从测序方案中鉴定的罕见变异,以及在大型合作研究中鉴定的与大脑或认知功能相关的变异。我认为它将类似Illumina PsychArray,不同之处在于它将富含我们在执行功能和脑功能中广泛观察到的变异。

问:CogChip如何用于指导ADHD诊断方法和个性化治疗的开发?

MB:执行功能是多种临床疾病的有用指标,因此,我们相信CogChip可以成为基础筛选工具。它可用于筛选研究中的目标性状的遗传倾向,也可用于早期检测和诊断,以及对群体分层,以研究可能的药物治疗或个性化医疗策略。它会有广泛的应用范围。

问:您的研究将如何影响我们对ADHD的理解?

MB:ADHD的诊断是主观的。我们知道它是大规模的异质性疾病,具有许多并发症和亚型。遗憾的是,因为具有相同形式的疾病,过去的GWAS数据将所有患ADHD的个体分为一组。这是在假设他们具有相似的病理生理机制,但这肯定是不对的。我们的ADHD遗传研究的一个优点是会分析是否存在与结构性或功能性脑异常相关的集群、症状或认知行为。这些信息将支持病例的分层,并可能鉴定出该疾病不同亚型的独特遗传特征。最终,这将有助于诊断。

目前,临床医生无法区分患儿是否会响应某种药物。因此,他们用试错的方法来开ADHD的药方。我们的工作具有为基于遗传变异相关分层的个性化医疗方法提供信息的潜力。对于ADHD,哌醋甲酯或利他林治疗的有效性可能随多基因风险而变化。遗传筛检能鉴定这些风险。

问:您如何看待认知神经科学领域利用基因组学的力量?

MB:通过了解执行功能和认知的不同方面的遗传机制,不论特定临床病理状况如何,我们都可以更好地理解思维的个体差异和介导这些差异的脑回路。

通过建立这些认知的机制通路,我们可以更好地理解不同临床疾病的问题所在。我不认为这两种方法互相排斥。我认为它们能彼此加强,彼此支持。

测序将会成为帮助我们更好地理解脑功能的强有力的工具。我们是第一个使用NGS研究执行功能或ADHD的研究机构,我对于它会帮助我们揭示的内容非常兴奋。

了解有关本文提及的产品和系统的更多信息:

NovaSeq 6000系统

参考文献
  1. Sayal K, Prasad V, Daley D, et al.ADHD in children and young people: prevalence, care pathways, and service provision.Lancet Psychiatry.2018; 5:175−186.
  2. Polanczyk G, de Lima MS, Horta BL, et al.The worldwide prevalence of ADHD: a systematic review and metaregression analysis.Am J Psychiatry.2007; 164:942–948.
  3. Demontis D, Walters RK, Martin J, et al.Discovery of the first genome-wide significant risk loci for attention deficit/hyperactivity disorder.Nat Genet.2018; doi: 10.1038/s41588-018-0269-7.[Epub ahead of print]
  4. Hawi Z, Cummins TD, Tong J, et al.Rare DNA variants in the brain-derived neurotrophic factor gene increase risk for attention-deficit hyperactivity disorder: a next-generation sequencing study.Mol Psychiatry.2017; 22:580−584.