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Publication
Gene-environment interactions in Autism Spectrum Disorder (ASD)
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Autism Spectrum Disorder (ASD) is a heterogeneous neurodevelopmental disorder
characterized by deficits in social communication and interaction and repetitive and restricted
behaviors. While heritability estimates support a role for gene-environment interactions in ASD
etiology, there is a paucity of strategies that integrate both components. The objective of this
work was to identify gene-environment interactions involved in ASD risk.
Through a systematic literature review we identified neurotoxic xenobiotics previously
implicated in ASD, including air pollutants and endocrine disruptors. Using a school-based
screening strategy we provide an updated prevalence estimate for 7-9 years old children from
Centro Region of Portugal, of 0.5% (95% CI: 0.3-0.7). Leveraging public air quality monitoring
data we estimated early-life exposure to criteria air pollutants in 217 ASD-subjects, and show
that exposure to particulate matter during critical neurodevelopmental windows is associated
with a higher clinical severity of ASD. In silico inspection of large genetic datasets (N=6224)
showed that ASD-subjects carry predicted-damaging variants in a panel of 77 genes involved
in the regulation of detoxification and physiological barriers (blood-brain barrier and placenta)
permeability (XenoReg genes). Database query indicates that these genes interact with ASD implicated xenobiotics. Through biochemical analyses of neonatal dried blood spots and the
piloting of an early-life exposures assessment questionnaire we retrospectively collected
environmental data for 70 ASD-children. The integration of environmental and sequencing data
revealed a group of 13 patients for whom gene-environment interactions likely contributed to
disease etiology.
We present evidence that genetically-susceptible subjects might be at higher risk of
ASD due to an increased vulnerability to early-life exposures. Possible underlying
neuropathological mechanisms, including neuroinflammation, oxidative stress, endocrine
disruption and epigenetics, warrant experimental validation. This work reinforces the need for
clinical stratification and for monitoring early-life exposures, providing knowledge that,
prospectively, may be translated to personalized medicine strategies applied in clinical practice.
A Perturbação do Espetro do Autismo (PEA) é uma doença do neurodesenvolvimento clinicamente heterogénea, caraterizada por dificuldades na comunicação e interação social, associadas a comportamentos repetitivos e estereotipados e padrões de interesse marcados por objetos ou temas específicos. A PEA tem uma prevalência de 65 casos por 10 000 indivíduos (0.65%) a nível global, com variações regionais, e afeta 3 a 4 vezes mais indivíduos do sexo masculino, tendo um enorme impacto individual, familiar e social. O diagnóstico é observacional, e não existem biomarcadores universais e validados para a perturbação. É conhecido que a PEA tem uma grande componente genética, e estudos de Sequenciação de Nova Geração (NGS) já detetaram várias variantes genéticas associadas à doença, incluindo Variações de Nucleótido Único (SNVs) e Variações no Número de Cópias (CNVs). No entanto, fatores de risco genéticos não são suficientes para explicar a heterogeneidade clínica da doença, e muitos casos são considerados idiopáticos. Estimativas de heritabilidade recentes, obtidas através de estudos que calculam a concordância no diagnóstico de PEA entre pares de indivíduos da mesma família, sugerem um papel de interações gene-ambiente na etiologia desta perturbação. Contudo, não é frequente observar estudos desenvolvidos com base em estratégias integrativas que consideram fatores de risco genéticos e ambientais como componentes que interagem para modular o risco de PEA. O principal objetivo desta dissertação é identificar interações gene-ambiente associadas com o risco de PEA, usando uma abordagem integrativa e multidisciplinar. A partir de uma revisão sistemática da literatura identificámos xenobióticos (isto é, compostos naturais ou sintéticos estranhos ao organismo) previamente associados à PEA, incluindo poluentes atmosféricos, bisfenol A, ftalatos, éteres de difenila polibromados (PBDEs), bifenilos policlorados (PCBs), pesticidas, metais pesados e antidepressivos. Estes xenobióticos têm propriedades neurotóxicas, são disruptores endócrinos e são capazes de atravessar barreiras fisiológicas e, consequentemente, podem causar efeitos adversos durante o neurodesenvolvimento, quando o cérebro é particularmente vulnerável a fatores exógenos. Adicionalmente, a evidência atual aponta para que suplementação pré-natal com ácido fólico ou vitamina D diminua o risco de PEA. Esta revisão sistemática relevou também que, até à data, poucos pares de interação gene-ambiente foram associados à PEA. Um dos temas de maior debate atualmente na investigação da PEA é se o aumento da prevalência consistentemente reportado se deve a fatores etiológicos ou não-etiológicos. No âmbito do projeto Autism Spectrum Disorders in the European Union (ASDEU) foi adotada uma abordagem harmonizada para a identificação de indivíduos com PEA, numa população alvo composta por crianças com idades compreendidas entre os 7 e os 9 anos a frequentar o ensino básico no ano escolar de 2016/2017, na região Centro de Portugal. Foi estimada uma prevalência de 0.5% (95% IC: 0.3-0.7) para a região, o que representa um aumento relativamente à última estimativa de 0.125% (95% IC: 0.095-0.15), obtida para o ano escolar de 1999-2000. Este estudo não se debruçou sobre as eventuais causas que explicam este aumento, mas uma potencial influência de fatores ambientais não pode ser excluída, nomeadamente o de efeitos transgeracionais causados pela acumulação de exposições ambientais e transmissão de alterações epigenéticas consequentes ao longo de várias gerações. Adicionalmente, estes dados são importantes do ponto de vista da saúde pública, pois revelaram que crianças diagnosticadas com PEA frequentam, na sua maioria, escolas com unidades especializadas, capazes de lhes fornecer uma educação e acompanhamento adequados às suas necessidades. De seguida, tirámos proveito de dados de monitorização da qualidade do ar, publicamente acessíveis através da plataforma da Agência Portuguesa do Ambiente. Estes dados foram integrados com dados de georreferenciação para 217 indivíduos com PEA, incluindo aqueles que participaram no estudo epidemiológico. Através destes dados estimámos retrospetivamente a exposição individualizada a poluentes atmosféricos, incluindo material particulado com dimensão <10µm e <2.5µm, dióxido de nitrogénio, dióxido de enxofre e ozono nos 217 indivíduos, com maior e menor gravidade clínica de PEA de acordo com a Escala de Observação para o Diagnóstico do Autismo (ADOS). Testes não paramétricos e de regressão logística revelaram associações estatisticamente significativas (α<0.05) entre uma elevada exposição a material particulado durante o primeiro e terceiro trimestres da gravidez e durante toda a gravidez e uma maior gravidade clínica. Estes resultados estão de acordo com dados anteriores que mostram um maior risco de PEA em populações com elevada exposição a matéria particulada, e reforçam a necessidade de métodos de estratificação clínica para a identificação de fatores de risco associados a subgrupos clínicos. Ao interrogar grandes bases de dados oriundas de projetos como o Autism Sequencing Consortium (n=2674), o Autism Genome Project (n=2446) e o Simons Simplex Collection (n=1124) identificámos SNVs e CNVs potencialmente patogénicos em 77 genes que codificam enzimas de destoxificação e proteínas envolvidas na regulação da permeabilidade e morfogénese de barreiras fisiológicas como a barreira hematoencefálica, placenta e cílios das vias respiratórias (genes XenoReg), em indivíduos com PEA. Uma análise da Comparative Toxicogenomics Database mostrou que os genes XenoReg interagem com xenobióticos implicados na PEA. As cascatas de destoxificação e as barreiras fisiológicas constituem uma primeira linha de defesa do organismo em desenvolvimento contra xenobióticos, pelo que variantes nos genes XenoReg podem aumentar a suscetibilidade à neurotoxicidade imposta por exposições ambientais. Estes resultados foram valiosos na identificação de novos pares de interação gene-ambiente potencialmente envolvidos na PEA. Numa última abordagem integrativa, foram aplicadas duas estratégias para a colheita de dados individualizados de exposição ambiental no início de vida, de forma retrospetiva, para 70 indivíduos com PEA. Níveis de xenobióticos, incluindo bisfenol A, PCBs, PBDEs e glifosato, previamente implicados na PEA, foram quantificados em amostras de gotas de sangue recolhidas no âmbito do Programa Nacional de Rastreio Neonatal de doenças metabólicas, através de Cromatografia Líquida acoplada a Espetrometria de Massa. Foi aplicado um questionário detalhado que avalia a exposição a vários fatores ambientais desde os 3 meses antes da gravidez até ao primeiro aniversário da criança para reunir informação acerca de suplementação pré-natal com ácido fólico e ocorrência de condições maternas e ingestão de medicamentos durante a gravidez. Estes dados ambientais foram integrados com dados obtidos por NGS, nos quais procurámos por variantes potencialmente patogénicas nos 77 genes XenoReg previamente identificados. A identificação de 13 indivíduos com concentrações elevadas de xenobióticos nas gotas de sangue e com variantes potencialmente patogénicas nos genes XenoReg é um forte indicador que, nestes indivíduos geneticamente suscetíveis, exposições durante o neurodesenvolvimento podem ter contribuído para o risco de PEA. Durante esta dissertação são discutidos os mecanismos neuropatológicos que podem explicar a contribuição de interações gene-ambiente no risco da PEA. Tais mecanismos incluem alterações epigenéticas, neuroinflamação, stress oxidativo e desequilíbrios hormonais causados por disruptores endócrinos. No entanto, estes mecanismos requerem validação experimental, nomeadamente através de organoides cerebrais, de forma a fornecer uma explicação mais completa sobre os processos biológicos envolvidos nesta doença. O trabalho apresentado nesta dissertação respondeu ao objetivo definido inicialmente e reforça o papel que interações gene-ambiente podem ter na etiologia da PEA, particularmente em indivíduos geneticamente suscetíveis. Estes resultados foram possíveis devido a uma estratégia multidisciplinar, que envolveu a aplicação de métodos bioinformáticos e experimentais para a integração de dados clínicos, genéticos e ambientais. Estes resultados mostram também a importância da obtenção e utilização de dados individualizados e da aplicação de métodos de estratificação clínica, pois a complexidade da doença aponta para que casos diferentes tenham etiologias diferentes. Exposições ambientais durante o início de vida são uma reconhecida causa de morbilidade e mortalidade infantil, devido à extrema vulnerabilidade do cérebro imaturo a fatores neurotóxicos. Assim, são urgentes medidas de monitorização e regulação ambiental que permitam identificar grupos de risco. Resultados como os aqui apresentados poderão, no futuro, contribuir para a descoberta de biomarcadores para subgrupos clínicos e consequente implementação de estratégias de Medicina Personalizada para a prevenção da PEA.
A Perturbação do Espetro do Autismo (PEA) é uma doença do neurodesenvolvimento clinicamente heterogénea, caraterizada por dificuldades na comunicação e interação social, associadas a comportamentos repetitivos e estereotipados e padrões de interesse marcados por objetos ou temas específicos. A PEA tem uma prevalência de 65 casos por 10 000 indivíduos (0.65%) a nível global, com variações regionais, e afeta 3 a 4 vezes mais indivíduos do sexo masculino, tendo um enorme impacto individual, familiar e social. O diagnóstico é observacional, e não existem biomarcadores universais e validados para a perturbação. É conhecido que a PEA tem uma grande componente genética, e estudos de Sequenciação de Nova Geração (NGS) já detetaram várias variantes genéticas associadas à doença, incluindo Variações de Nucleótido Único (SNVs) e Variações no Número de Cópias (CNVs). No entanto, fatores de risco genéticos não são suficientes para explicar a heterogeneidade clínica da doença, e muitos casos são considerados idiopáticos. Estimativas de heritabilidade recentes, obtidas através de estudos que calculam a concordância no diagnóstico de PEA entre pares de indivíduos da mesma família, sugerem um papel de interações gene-ambiente na etiologia desta perturbação. Contudo, não é frequente observar estudos desenvolvidos com base em estratégias integrativas que consideram fatores de risco genéticos e ambientais como componentes que interagem para modular o risco de PEA. O principal objetivo desta dissertação é identificar interações gene-ambiente associadas com o risco de PEA, usando uma abordagem integrativa e multidisciplinar. A partir de uma revisão sistemática da literatura identificámos xenobióticos (isto é, compostos naturais ou sintéticos estranhos ao organismo) previamente associados à PEA, incluindo poluentes atmosféricos, bisfenol A, ftalatos, éteres de difenila polibromados (PBDEs), bifenilos policlorados (PCBs), pesticidas, metais pesados e antidepressivos. Estes xenobióticos têm propriedades neurotóxicas, são disruptores endócrinos e são capazes de atravessar barreiras fisiológicas e, consequentemente, podem causar efeitos adversos durante o neurodesenvolvimento, quando o cérebro é particularmente vulnerável a fatores exógenos. Adicionalmente, a evidência atual aponta para que suplementação pré-natal com ácido fólico ou vitamina D diminua o risco de PEA. Esta revisão sistemática relevou também que, até à data, poucos pares de interação gene-ambiente foram associados à PEA. Um dos temas de maior debate atualmente na investigação da PEA é se o aumento da prevalência consistentemente reportado se deve a fatores etiológicos ou não-etiológicos. No âmbito do projeto Autism Spectrum Disorders in the European Union (ASDEU) foi adotada uma abordagem harmonizada para a identificação de indivíduos com PEA, numa população alvo composta por crianças com idades compreendidas entre os 7 e os 9 anos a frequentar o ensino básico no ano escolar de 2016/2017, na região Centro de Portugal. Foi estimada uma prevalência de 0.5% (95% IC: 0.3-0.7) para a região, o que representa um aumento relativamente à última estimativa de 0.125% (95% IC: 0.095-0.15), obtida para o ano escolar de 1999-2000. Este estudo não se debruçou sobre as eventuais causas que explicam este aumento, mas uma potencial influência de fatores ambientais não pode ser excluída, nomeadamente o de efeitos transgeracionais causados pela acumulação de exposições ambientais e transmissão de alterações epigenéticas consequentes ao longo de várias gerações. Adicionalmente, estes dados são importantes do ponto de vista da saúde pública, pois revelaram que crianças diagnosticadas com PEA frequentam, na sua maioria, escolas com unidades especializadas, capazes de lhes fornecer uma educação e acompanhamento adequados às suas necessidades. De seguida, tirámos proveito de dados de monitorização da qualidade do ar, publicamente acessíveis através da plataforma da Agência Portuguesa do Ambiente. Estes dados foram integrados com dados de georreferenciação para 217 indivíduos com PEA, incluindo aqueles que participaram no estudo epidemiológico. Através destes dados estimámos retrospetivamente a exposição individualizada a poluentes atmosféricos, incluindo material particulado com dimensão <10µm e <2.5µm, dióxido de nitrogénio, dióxido de enxofre e ozono nos 217 indivíduos, com maior e menor gravidade clínica de PEA de acordo com a Escala de Observação para o Diagnóstico do Autismo (ADOS). Testes não paramétricos e de regressão logística revelaram associações estatisticamente significativas (α<0.05) entre uma elevada exposição a material particulado durante o primeiro e terceiro trimestres da gravidez e durante toda a gravidez e uma maior gravidade clínica. Estes resultados estão de acordo com dados anteriores que mostram um maior risco de PEA em populações com elevada exposição a matéria particulada, e reforçam a necessidade de métodos de estratificação clínica para a identificação de fatores de risco associados a subgrupos clínicos. Ao interrogar grandes bases de dados oriundas de projetos como o Autism Sequencing Consortium (n=2674), o Autism Genome Project (n=2446) e o Simons Simplex Collection (n=1124) identificámos SNVs e CNVs potencialmente patogénicos em 77 genes que codificam enzimas de destoxificação e proteínas envolvidas na regulação da permeabilidade e morfogénese de barreiras fisiológicas como a barreira hematoencefálica, placenta e cílios das vias respiratórias (genes XenoReg), em indivíduos com PEA. Uma análise da Comparative Toxicogenomics Database mostrou que os genes XenoReg interagem com xenobióticos implicados na PEA. As cascatas de destoxificação e as barreiras fisiológicas constituem uma primeira linha de defesa do organismo em desenvolvimento contra xenobióticos, pelo que variantes nos genes XenoReg podem aumentar a suscetibilidade à neurotoxicidade imposta por exposições ambientais. Estes resultados foram valiosos na identificação de novos pares de interação gene-ambiente potencialmente envolvidos na PEA. Numa última abordagem integrativa, foram aplicadas duas estratégias para a colheita de dados individualizados de exposição ambiental no início de vida, de forma retrospetiva, para 70 indivíduos com PEA. Níveis de xenobióticos, incluindo bisfenol A, PCBs, PBDEs e glifosato, previamente implicados na PEA, foram quantificados em amostras de gotas de sangue recolhidas no âmbito do Programa Nacional de Rastreio Neonatal de doenças metabólicas, através de Cromatografia Líquida acoplada a Espetrometria de Massa. Foi aplicado um questionário detalhado que avalia a exposição a vários fatores ambientais desde os 3 meses antes da gravidez até ao primeiro aniversário da criança para reunir informação acerca de suplementação pré-natal com ácido fólico e ocorrência de condições maternas e ingestão de medicamentos durante a gravidez. Estes dados ambientais foram integrados com dados obtidos por NGS, nos quais procurámos por variantes potencialmente patogénicas nos 77 genes XenoReg previamente identificados. A identificação de 13 indivíduos com concentrações elevadas de xenobióticos nas gotas de sangue e com variantes potencialmente patogénicas nos genes XenoReg é um forte indicador que, nestes indivíduos geneticamente suscetíveis, exposições durante o neurodesenvolvimento podem ter contribuído para o risco de PEA. Durante esta dissertação são discutidos os mecanismos neuropatológicos que podem explicar a contribuição de interações gene-ambiente no risco da PEA. Tais mecanismos incluem alterações epigenéticas, neuroinflamação, stress oxidativo e desequilíbrios hormonais causados por disruptores endócrinos. No entanto, estes mecanismos requerem validação experimental, nomeadamente através de organoides cerebrais, de forma a fornecer uma explicação mais completa sobre os processos biológicos envolvidos nesta doença. O trabalho apresentado nesta dissertação respondeu ao objetivo definido inicialmente e reforça o papel que interações gene-ambiente podem ter na etiologia da PEA, particularmente em indivíduos geneticamente suscetíveis. Estes resultados foram possíveis devido a uma estratégia multidisciplinar, que envolveu a aplicação de métodos bioinformáticos e experimentais para a integração de dados clínicos, genéticos e ambientais. Estes resultados mostram também a importância da obtenção e utilização de dados individualizados e da aplicação de métodos de estratificação clínica, pois a complexidade da doença aponta para que casos diferentes tenham etiologias diferentes. Exposições ambientais durante o início de vida são uma reconhecida causa de morbilidade e mortalidade infantil, devido à extrema vulnerabilidade do cérebro imaturo a fatores neurotóxicos. Assim, são urgentes medidas de monitorização e regulação ambiental que permitam identificar grupos de risco. Resultados como os aqui apresentados poderão, no futuro, contribuir para a descoberta de biomarcadores para subgrupos clínicos e consequente implementação de estratégias de Medicina Personalizada para a prevenção da PEA.
Description
Tese de Doutoramento em Biologia, na especialidade de Biologia de Sistemas, apresentada à Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, 2023.
Tese submetida a 8 de julho de 2022 e defendida e aprovada com Distinção e Louvor a 26 de janeiro de 2023.
Trabalho de investigação realizado no Departamento de Promoção da Saúde e Prevenção de Doenças Não Transmissíveis do Instituto Nacional de Saúde Doutor Ricardo Jorge, IP - Grupo de Neurogenética e Saúde Mental.
Tese submetida a 8 de julho de 2022 e defendida e aprovada com Distinção e Louvor a 26 de janeiro de 2023.
Trabalho de investigação realizado no Departamento de Promoção da Saúde e Prevenção de Doenças Não Transmissíveis do Instituto Nacional de Saúde Doutor Ricardo Jorge, IP - Grupo de Neurogenética e Saúde Mental.
Keywords
Autism Spectrum Disorder Early-life Environmental Exposure Gene-environment Interactions Neurotoxicity Xenobiotics Autismo Perturbações do Desenvolvimento Infantil e Saúde Mental Exposição Ambiental no Início de Vida Interações Gene-Ambiente Neurotoxicidade Xenobióticos