متغیرهای ژنتیکی نادر خطر بالایی برای اختلال کم‌توجهی‑بیش‌فعالی (ADHD) ایجاد می‌کنند و به زیست‌شناسی نورونی مرتبط هستند

نمونه‌ها

• اختلال کم‌توجهی‑بیش‌فعالی (ADHD)
• توالی‌یابی نسل جدید

چکیده

اختلال کم‌توجهی‑بیش‌فعالی (ADHD) یک اختلال نوروتوسعه‌ای است که از دوران کودکی آغاز می‌شود و دارای پایه ژنتیکی قوی‌ای است¹. این اختلال تقریباً ۵٪ از کودکان و ۲٫۵٪ از بزرگسالان را تحت تأثیر قرار می‌دهد² و با چندین پیامد جدی مرتبط است^{3,4,5,6,7,8,9,10,11}. ژن‌های رایج مرتبط با این اختلال شناسایی شده‌اند^12,13، اما نقش ژن‌های نادر در ADHD هنوز به‌طور عمده ناشناخته است. در این پژوهش، با تحلیل تغییرات کدینگ نادر در داده‌های توالی‌برداری اگزوم ۸٬۸۹۵ نفر مبتلا به ADHD و ۵۳٬۷۸۰ نفر کنترل، سه ژن (MAP1A، ANO8 و ANK2؛ P < 3.07 × 10⁻⁶؛ نسبت شانس 5.55–15.13) شناسایی کردیم که با ADHD مرتبط هستند. شبکه‌های تعامل پروتئین‑به‑پروتئین این سه ژن، حاوی غنای فراوانی از ژن‌های خطر ناشی از تغییرات نادر در سایر اختلالات نوروتوسعه‌ای، و همچنین از ژن‌های درگیر در سازماندهی اسکلت سلولی، عملکرد سیناپس و پردازش RNA بودند. ژن‌های خطر نادر برتر مرتبط با ADHD، بیان افزایشی در مراحل پیش‌ و پس‌زایمانی رشد مغز و در چندین نوع سلول نورونی، از جمله نورون‌های گاباergic (تولیدکننده اسید γ‑آمینوبوتیریک) و دوپامین‌دار نشان دادند. تغییرات مخرب، با وضعیت اجتماعی‑اقتصادی پایین‌تر و سطح تحصیلات کمتر در افراد مبتلا به ADHD هم‌راستا بودند؛ همچنین در نمونه‌ای از بزرگسالان ADHD (n = 962) هر تغییر مخرب نادر باعث کاهش ۲٫۲۵ امتیاز در ضریب هوشی (IQ) شد. افراد مبتلا به ADHD و ناتوانی ذهنی بار کلی تغییرات نادر بیشتری نشان دادند، در حالی که سایر همبودی‌های روانپزشکی فقط برای مجموعه‌های ژنی خاص مرتبط با این همبودی‌ها بار بیشتری از تغییرات نادر داشتند. این نشان می‌دهد که همبودی روانپزشکی در ADHD عمدتاً به‌دلیل تغییرات نادر در ژن‌های خاص رخ می‌دهد، نه به‌دلیل بار کلی افزایش یافته در تمام ژن‌های محدود.

بخش اصلی

اختلال کم‌توجهی‑بیش‌فعالی (ADHD) یک اختلال نوروتوسعه‌ای است که تقریباً ۵٪ از کودکان و ۲٫۵٪ از بزرگسالان در سراسر جهان را تحت تأثیر قرار می‌دهد². این اختلال با مجموعه‌ای از پیامدهای جدی، از جمله خطر بالاتر ابتلا به اختلالات مصرف مواد^3,4، حوادث⁵، مرگ زودرس⁶، بیکاری⁷، حبس و جرم⁸، خودکشی⁹ و بیماری‌های متابولیک^10,11 ارتباط دارد. درک مکانیزم‌های زیستی که این اختلال را هدایت می‌کنند، برای فهم الگوهای رشد و امکان‌پذیری درمان‌های آینده اهمیت اساسی دارد.

بخش عمده‌ای از خطر ADHD می‌تواند توسط عوامل ژنتیکی توجیه شود، به‌طوری که میراث‌پذیری در زوج‌های دوقلو تخم‌گذاری در محدوده ۷۷ تا ۸۸٪ تخمین زده شده است¹. مطالعات بزرگ پیوند ژنتیکی سراسری (GWAS) نشان داده‌اند که ژن‌های رایج ۱۴ تا ۲۲٪ از تنوع کلی در پیش‌دستیابی را توضیح می‌دهند^12,13. جدیدترین مطالعه GWAS بر روی ADHD ۲۷ مکان‌ساز معنادار در سطح ژنوم را شناسایی کرد و برآورد کرد که حدود ۷٬۳۰۰ ژن رایج ۹۰٪ از وراثت‌پذیری تک‌نوکلئوتید (SNP) ADHD را توضیح می‌دهند¹³. به‌این‌ ترتیب، ADHD یک اختلال پُولی‌ژنیک شدید است، که بخشی قابل‌توجه از خطر توسط تغییرات ژنتیکی رایج توجیه می‌شود؛ اما بررسی تغییرات نادر نیز به‌منظور توضیح بیشتر وراثت‌پذیری ضروری است. پیشتر نشان دادیم که تغییرات مخرب نادر در ژن‌های محدود تکاملی نقش مهمی در ADHD دارند که در مقایسه با آنچه در اوتیسم مشاهده شده، معادل است¹⁴.

اگرچه تغییرات کدینگ نادر ممکن است فقط بخش کوچکی از خطر کلی را توجیه کنند، اما می‌توانند به‌صورتی فردی خطر قابل‌توجهی ایجاد کنند؛ و بر خلاف ژن‌های رایج، این تغییرات اغلب به‌صورت مستقیم ژن عامل و پیامد عملکردی محتمل را نشان می‌دهند که سرنخ‌هایی درباره ریشهٔ علّی ADHD فراهم می‌آورد.

در اینجا نتایج یک مطالعه توالی‌برداری کامل اگزوم بر روی ADHD را ارائه می‌دهیم و سه ژن معنادار با بار بالاتر تغییرات مخرب نادر در افراد مبتلا به ADHD نسبت به افراد کنترل شناسایی کردیم. با ارتباط دادن ژن‌های خطر ناشی از تغییرات نادر به داده‌های بیان ژن در بافت‌های مغزی و انواع سلول‌های مغزی، و از طریق تجزیه و تحلیل شبکه‌های تعامل پروتئین‑به‑پروتئین (PPI) این ژن‌ها، بینش‌های جدیدی درباره معماری ژنتیکی و مکانیسم‌های نوروبیولوژیکی مشارکت‌کننده در ADHD فراهم می‌کنیم. بار تغییرات مخرب نادر را در انواع همبودی‌ها ارزیابی کرده و نشان می‌دهیم که این تغییرات نادر بر وضعیت اجتماعی‑اقتصادی (SES) و شناخت در افراد مبتلا به ADHD تأثیر می‌گذارند.

توالی‌برداری افراد از مجموعه iPSYCH

ما داده‌های توالی‌برداری کامل اگزوم ۸٬۸۹۵ نفر مبتلا به ADHD و ۹٬۰۰۱ نفر کنترل از iPSYCH دانمارکی^15,16 را تجزیه‌وتحلیل کردیم (روش‌ها، جدول تکمیلی 1 و شکل داده‌های گسترش یافته 1)، که به‌طور قابل‌توجهی اندازه نمونه را نسبت به مطالعه قبلی‌مان¹⁴ دو برابر کرد.

ما تمرکز کردیم بر تغییرات نادر که شمارش آلل آنها در iPSYCH (۱۷٬۸۹۶ نفر؛ شکل‌های تکمیلی 1 و 2) بیش از پنج نباشد و بر زیرمجموعه‌ای از افراد با نژاد اروپایی (غیر‑فنلاندی) از پایگاه داده تجمیعی ژنوم (gnomAD) که تشخیص اختلال روانپزشکی نداشته‌اند¹⁷ (۴۴٬۷۷۹ نفر). در میان افراد گنجانده‌شده، همبودی بالایی با ناتوانی هوشی (ID) مشاهده شد (۱۸٫۴٪؛ جدول تکمیلی 1) و به‌این‌ دلیل، اثر همزمانی ID با انجام تجزیه‌وتحلیل‌ها هم با همبودی ID و هم بدون آن ارزیابی شد.

تأثیرات در دسته‌های عملکردی

تغییرات نادر بر اساس اثر عملکردی آنها بر پروتئین کد شده گروه‌بندی شدند و بار آنها در ADHD نسبت به افراد کنترل برای تمام ژن‌های آئوتوزومی (۱۸٬۸۶۶ ژن) و ژن‌های آئوتوزومی با احتمال عدم تحمل از دست رفتن عملکرد (pLI ≥ 0.9) (۲٬۸۱۱ ژن)¹⁸، که از این پس به عنوان ژن‌های محدود نامیده می‌شوند، ارزیابی شد. ما بار قابل‌توجهی از تغییرات نادر که پروتئین را قطع می‌کنند (rPTVs) در ADHD نسبت به افراد کنترل در تمام ژن‌ها مشاهده کردیم (نسبت شانس (OR) = 1.06، ۹۵٪ بازه اطمینان (CI) = [1.04, 1.08]، P = 2.41 × 10⁻⁷)، و بار بیشتری در ژن‌های محدود (OR = 1.35، CI = [1.26, 1.45]، P = 1.52 × 10⁻¹⁷; شکل 1a و جدول تکمیلی 2). در تطابق با مشاهدات در اسکیزوفرنی¹⁹، این اندازه‌ اثر مشابه آنچه برای تغییرات نادر میسنس جدی مخرب (rSevereDMVs؛ که به‌عنوان تغییراتی با امتیاز بدی میسنس، PolyPhen‑2 و محدودیت (MPC)²⁰ بیش از 3 تعریف می‌شوند) در تمام ژن‌ها (OR = 1.29، CI = [1.09, 1.54]، P = 4.11 × 10⁻³; شکل 1a و جدول تکمیلی 2) بود. به‌این‌ دلیل، rPTVs و rSevereDMVs در تحلیل کشف ژن به‌عنوان تغییرات کلاس I ترکیب شدند. بار تغییرات نادر میسنس که پیش‌بینی می‌شود اثر متوسطی بر عملکرد پروتئین داشته باشند (rModerateDMVs؛ ۲ ≤ امتیاز MPC ≤ ۳) به‌طور معناداری در ADHD افزایش یافت، اما با اندازه‌ اثر کمتر (OR_{all_genes} = 1.11، CI = [1.07, 1.16]، P = 1.43 × 10⁻⁸; شکل 1a و جدول تکمیلی 2) نسبت به تغییرات کلاس I؛ بنابراین این‌ها به‌صورت جداگانه تجزیه و تحلیل شدند (به‌عنوان تغییرات کلاس II). برای مقایسه، بار افزایشی از تغییرات نادر سینونیم در ADHD در ژن‌های محدود مشاهده نشد (شکل 1a).

a, نسبت شانس (OR) برای rPTVs، rSevereDMVs، rModerateDMVs و تغییرات نادر سینونیم (rSYNs) در تمام ژن‌ها (در رنگ زرد) و در ژن‌های محدود (pLI ≥ 0.9؛ در رنگ قرمز). نقطه‌ها مقدار تخمین OR را نشان می‌دهند و نوارهای خطا بازه اطمینان ۹۵٪ (CI) مربوطه را نشان می‌دهند. به‌دلیل اندازه‌ اثر مشابه rPTVs و rSevereDMVs در ژن‌های محدود (pLI ≥ 0.9) این تغییرات در کلاس I ترکیب شدند و rModerateDMVs به‌عنوان کلاس II دسته‌بندی شدند. توجه: شمارش rSYNs در هر فرد به‌عنوان یک متغیر هم‌بسته در تحلیل‌ها استفاده می‌شود؛ بنابراین امکان آزمون اختلاف بار rSYN در تمام ژن‌های آئوتوزومی وجود ندارد. b, تعداد متوسط تغییرات کلاس I (rPTVs + rSevereDMVs) در ژن‌های محدود (pLI ≥ 0.9) به‌ازای هر فرد. ADHD: افراد تشخیص‌داده‌شده با ADHD صرف‌نظر از هرگونه همبودی؛ ADHDwoID: افراد تشخیص‌داده‌شده با ADHD اما بدون ID؛ ADHDwID: افراد تشخیص‌داده‌شده هم‌زمان با ADHD و ID. ORها و مقادیر دو‑طرفه P با استفاده از رگرسیون لجستیک در a،b محاسبه شد.

تصویر کامل

تغییرات کلاس I در ژن‌های محدود در حدود یک نفر از هر پنج نفر مبتلا به ADHD شناسایی شدند (شکل 1b، جدول تکمیلی 3 و شکل تکمیلی 3)، که نشان می‌دهد تغییرات مخرب به‌طور کلی در بیشتر افراد مبتلا به ADHD نقش مهمی در خطر بیماری ندارند.

هیچ تفاوتی در بار تغییرات بین افراد مرد و زن مبتلا به ADHD مشاهده نشد (شکل تکمیلی 4)، که نشان می‌دهد بار کلی تغییرات نادر در دو جنس تقریباً مشابه است، مشابه آنچه برای تغییرات رایج مشاهد می‌شود^21,22.

کشف ژن‌های ADHD

برای افزایش توان شناسایی ژن‌های خطر ناشی از تغییرات نادر در ADHD، گروه کنترل با ترکیب کنترل‌های iPSYCH و ۴۴٬۷۷۹ نفر از gnomAD¹⁷ گسترش یافت. در مجموع ۸٬۸۹۵ نفر مبتلا به ADHD و ۵۳٬۷۸۰ نفر کنترل را تجزیه‌وتحلیل کردیم و فقط نواحی ژنومی با داده‌های با کیفیت بالا در نمونه‌های iPSYCH و gnomAD ارزیابی شد. برای اطمینان از اینکه سیگنال احتمالی تغییرات مخرب نادر در ADHD ناشی از نرخ کلی بالاتر این تغییرات در نمونه‌های iPSYCH نیست، فقط ژن‌هایی را گنجاندیم که نرخ تغییرات نادر سینونیم در افراد کنترل بالاتر از ADHD بود (۱۵٬۶۰۳ ژن تجزیه‌وتحلیل شد؛ ۳٬۲۶۳ ژن حذف شد).

ما آزمون بار مبتنی بر ژن را برای شناسایی ژن‌هایی با بار افزایشی تغییرات کلاس I یا کلاس II با استفاده از آزمون دو‑طرفه فیشر انجام دادیم. از آنجا که ما بر تغییراتی که اثر مخرب بر عملکرد پروتئین دارند تمرکز کردیم، انتظار داشتیم که این تغییرات در ADHD نسبت به کنترل‌ها بیشتر باشند. بنابراین، و با توجه به استراتژی فیلتر کردن تغییرات (روش‌ها)، تحلیل محدود به ژن‌هایی شد که نرخ تغییرات کلاس I (۳٬۶۹۸ از ۱۵٬۶۰۳ ژن) یا کلاس II (۱٬۰۲۶ از ۱۵٬۶۰۳ ژن) در ADHD نسبت به کنترل‌ها بالاتر داشت. برای ژن‌هایی که هر دو نوع تغییرات کلاس I و کلاس II را داشتند (۳۴۷ ژن)، تعداد بالاتر هر دو نوع تغییرات در ADHD نسبت به کنترل‌ها لازم بود و اثر ترکیبی در یک متاآنالیز (روش‌ها) برآورد شد.

ما سه ژن معنادار شناسایی کردیم: MAP1A (P < 1.02 × 10⁻⁶، OR = 13.31)، ANO8 (P < 1.90 × 10⁻⁶، OR = 15.31) و ANK2 (P < 2.72 × 10⁻⁶، OR = 5.55) (شکل 2a و جدول تکمیلی 4). نتایج برای MAP1A و ANO8 به‌طور کامل توسط تغییرات کلاس I (تنها rPTVs) توجیه شد؛ برای ANK2، نتیجه از هر دو نوع تغییرات کلاس I و کلاس II (rPTVs و rModerateDMVs) ناشی شد. جزئیات فنوتیپ‌های افراد دارای تغییرات کلاس I یا کلاس II در سه ژن خطر در اطلاعات تکمیلی و شکل تکمیلی 5 موجود است. نسبت‌های OR نشان می‌دهند که تغییرات مخرب نادر در این ژن‌ها خطر بسیار بالاتری نسبت به آنچه برای تغییرات رایج مشاهده می‌شود^12,13، و بالاتر از خطرهای مشاهده‌شده برای وارون‌های تعداد کپی (CNVs) در iPSYCH^23,24 و سایر مطالعات²⁵ (شکل 2b). از ۲۰ ژن برتر (P < 1 × 10⁻³; پیوست