Autism and synaptic genes: clinical cases

Abstract

Introdução: A Perturbação do Espectro do Autismo (PEA) é uma doença complexa, crónica e de início precoce. A sua prevalência tem aumentado significativamente na última década. Contudo, as vias moleculares fundamentais envolvidas na sua patogénese continuam, em grande parte, por caracterizar. Apesar do PEA ser um diagnóstico descritivo, apresenta uma forte influencia genética e heterogeneidade com crescente evidência de centenas de variantes genéticas envolvidas, representando cerca de 20% dos casos. É necessário estudar suscetibilidades genéticas para melhor definir relações de genótipo-fenótipo. Mutações nos genes que codificam neurexinas (NRXNs) e neuroliginas (NLGNs), têm sido, recentemente, associadas a suscetibilidade para a PEA e outras perturbações do neurodesenvolvimento. NRXNs e NLGNs são proteínas de adesão celular que conectam neurónios, pré e pós sinápticos, nas sinapses. Estas proteínas têm emergido como moléculas centrais na organização das sinapses excitatórias e inibitórias ao nível do sistema nervoso central. Um desequilíbrio na transmissão sináptica que resulte da disfunção do complexo NRXN-NLGN pode levar ao desenvolvimento de diferentes perturbações do neurodesenvolvimento. Objetivo: Caracterizar o espectro fenotípico associado a mutações nas NRXNs e NLGNs, reportando características clínicas de indivíduos seguidos na Unidade de Neurodesenvolvimento e Autismo do Centro de Desenvolvimento da Criança do Hospital Pediátrico – Centro Hospitalar e Universitário de Coimbra (HP-CHUC).Métodos: Com recurso à técnica de microarray-based comparative genomic hybridization (array-CGH), sete mutações nos genes NRXN e NLGN foram identificadas em doentes previamente diagnosticados com PEA e seguidos em consulta na Unidade de Neurodesenvolvimento e Autismo do Centro de Desenvolvimento da Criança do Hospital Pediátrico – Centro Hospitalar e Universitário de Coimbra (HP-CHUC). O diagnóstico de PEA foi obtido com base na Autistic Diagnostic Interview – Revised (ADI-R) e na Autistic Diagnostic Observation Schedule (ADOS), pelo cumprimento dos critérios estabelecidos pela DSM-V e por avaliação clínica realizada por uma equipa multidisciplinar especializada. O seu desenvolvimento psicomotor foi avaliado através da Ruth Griffiths Developmental Scale e da Vineland Adaptive Behaviour Scale e a severidade da PEA foi avaliada pela Childhood Autism Rating Scale (CARS). Também foram realizadas outras avaliações genéticas e metabólicas detalhadas de modo a excluir outras doenças.Resultados: Nos doentes 1 e 2 foram detectados CNVs (copy number variants) no gene NRXN. O doente 1 foi diagnosticado com PEA com ligeiro défice intelectual acompanhante e o doente 2 apenas com PEA. Os doentes 3,4 e 5 apresentaram uma mutação missense no gene NLGN e foram diagnosticados com PEA com grave défice intelectual acompanhante, PEA sem défice intelectual acompanhante e grave Atraso Global do Desenvolvimento, respetivamente. O irmão mais novo e a mãe da doente 3, portadores da mesma mutação, foram diagnosticados com perturbação da linguagem e perturbação da aprendizagem (documentada), respetivamente. A mãe do doente 4, portadora da mesma mutação, apresenta perturbação da aprendizagem. O doente 5 apresenta como diagnóstico comórbido epilepsia e a sua mãe e a sua avó, portadoras da mesma mutação, são saudáveis (sem sinais aparentes de PEA ou outra perturbação cognitiva).Discussão e conclusões: Os nossos resultados revelaram uma heterogeneidade fenotípica a nível intelectual e de grau de severidade da PEA. A observação de fenómenos de expressão genética variável e penetrância incompleta sugere que outros fatores devem cooperar no desenvolvimento do fenótipo de PEA. Assim, a presença de uma mutação nestes genes não implica necessariamente a manifestação desta doença, mas pode sim contribuir para a sua suscetibilidade. Apesar de mutações nos genes NXRN e NLGN estarem associadas a casos relativamente raros de PEA, os nossos resultados enfatizam a sua importância na patogénese de perturbações do neurodesenvolvimento. Estudos adicionais com enfase nas propriedades funcionais desta proteínas são necessários e poderão fornecer novos conhecimentos sobre as vias sinápticas e estratégias terapêuticas personalizadas para a PEA.

Introduction: Autism Spectrum Disorder (ASD) is a complex, early onset and life-long neurodevelopmental disorder. The prevalence of ASD has increased over the past decade. Moreover, the fundamental molecular pathways involved in this disorder are still largely uncharacterized. Although autism is a descriptive diagnosis, it has a strong genetic influence and heterogeneity and abundant evidence pointing to many hundreds of genetic variants involved, accounting for roughly 20% of the cases. Studying susceptibility genes is needed to define more valid genotype-phenotype relationships. Mutations in genes encoding neurexins (NRXN) and neuroligins (NLGN) have been associated with susceptibility for ASD and other neurodevelopmental disorders. Neurexins and neuroligins are cell adhesion molecules that connect presynaptic and postsynaptic neurons at synapses. They are emerging as central organizing molecules for excitatory and inhibitory synapses in the central nervous system. Unbalance synaptic transmission that results from dysfunctions in NRXN/NLGN mediated signalling, may lead to different neurodevelopmental disorders.Objective: To characterize the full phenotypic spectrum associated to NRXN and NLGN mutations, reporting clinical features of individuals followed in our specialized Neurodevelopmental and Autism Unit of Child Developmental Center in Hospital Pediátrico - Centro Hospitalar e Universitário de Coimbra (HP-CHUC).Methods: Using microarray-based comparative genomic hybridization (array-CGH), five probands were identified with mutations of the NRXN and NLGN genes, in patients diagnosed with ASD and attending the Neurodevelopmental and Autism Unit of Child Developmental Center in Hospital Pediátrico - Centro Hospitalar e Universitário de Coimbra (HP-CHUC). The ASD diagnosis was confirmed based on the Autism Diagnostic Interview – Revised (ADI-R) and the Autism Diagnostic Observation Schedule (ADOS), fulfilment of DSM-5 criteria and on clinical evaluation by a specialized neurodevelopmental multidisciplinary team. Furthermore, psychomotor development was evaluated using the Ruth Griffiths Developmental Scale and the Vineland Adaptive Behaviour Scale and the global severity of the autism was assessed using the Childhood Autism Rating Scale (CARS). Complete genetic and metabolic evaluations were performed to exclude other medical conditions.Results: Patient 1 presented a CNV loss in the NRXN gene and was diagnosed with ASD and mild intellectual disability. Patient 2 presented a CNV gain in the NRXN gene and was diagnosed with ASD without intellectual disability. Patients 3, 4 and 5, presented a missense mutation in the NLGN gene and were diagnosed with severe ASD with severe intellectual disability, mild ASD without intellectual disability and severe Global Development Delay, respectively. Patient 3 has a younger brother with a diagnosed language disorder, who also carries the same variant and their mother, who his heterozygous for the same variant, had a documented learning disability. Patient 4’s mother, heterozygous for the same variant, presented a learning disability. Patient 5 had also comorbid epilepsy, and his mother and grandmother, who are carriers of the same variant, showed no apparently signs of ASD or other cognitive disability. Discussion and conclusions: Our findings revealed intellectual phenotypical heterogeneity and ASD severity level. Variable gene expression and incomplete penetrance is observed, which implies that other factors must cooperate to produce the ASD phenotype. Therefore, the presence of a mutation in these genes may contribute to ASD susceptibility but does not necessary imply the manifestation of this disease. Although mutations in the NRXN and NLGN genes are implicated in rare cases of ASD, our findings emphasize their importance in the pathogenesis of neurodevelopmental disorders. Further studies are necessary on the functional properties of the proteins and may provide new insights on synaptic pathways and personalized therapeutic strategies for ASD.