Intrinsic network abnormalities and effects of oxytocin receptor gene in children with autism spectrum disorder

Abstract

Background: The oxytocin receptor gene (OXTR) has been shown to be associated with several characteristics of autism spectrum disorder (ASD). Aberrant intrinsic brain network is a consistent finding in ASD and recent studies have suggested that OXTR may impact the brain functional networks of ASD. However, the strength of functional connectivity (FC) across brain regions has yielded mixed results and little is known about the relationship between OXTR and FC in ASD especially in younger children. In this study, we investigated the FC of the resting brain in children with low-functioning ASD, including children in the early developmental stage. Next, we explored the effects of OXTR on FC patterns typically observed in children with ASD. The relationship between clinical symptoms of ASD and FC associated with OXTR was investigated together. Methods: A total of 43 children with ASD and 54 typically developing (TD) children aged between 2 and 12 years were participated in the study. Through blood tests, we acquired genotype data for two single-nucleotide polymorphisms (SNPs) of the OXTR gene (rs2254298 and rs53576), as well as DNA methylation data for two CpG sites (-924 and -934), from the participants. In addition, we collected brain imaging data using resting-state functional magnetic resonance imaging. We employed independent component analysis to categorize the brain regions into six intrinsic networks and evaluated the FC of each network. Afterward, we examined the interaction effect of the OXTR and diagnosis on the FCs. Finally, we tested the correlation between aberrant FCs associated with OXTR and clinical symptom scores of autism. Results: The results of the comparison of FC between the ASD children and TD children were as follows. The under-connectivities within several brain networks, including the cognitive control network, default mode network, visual (VIS) network, and somatomotor (SM) network, were observed in children with ASD. In contrary, we found over-connectivities in children with ASD compared with TD children between the subcortical, VIS, and SM networks. These networks were significantly correlated with the clinical scores of ASD. In the imaging genetic analysis on the OXTR, the following outcomes were obtained. With respect to the risk allele of both SNPs (rs2254298 and rs53576), we found the decreased FCs in ASD and the increased FCs in TD in most of the intrinsic brain networks. As a consequence, the differences between the FCs of two groups were significantly amplified. On the contrary, in some FCs related to subcortico-cortical networks, an increase in connectivity was observed in ASD, while a decrease was observed in TD. Therefore, the contrast between the two groups became more pronounced, as in the previous findings. We found significant correlations between the FC values and the ADOS Calibrated Severity Scores. In the imaging epigenetic analysis of the OXTR, we observed that the increase in methylation level of the two CpG sites (-924 and -934) had a significant effect on the difference in the FCs between the two groups. No clinical correlation was found here. Finally, the results of spectral analysis to see fluctuations in intrinsic connectivity were as follows. The TD group showed greater power in low-frequency bands than the ASD group, and the ASD group showed greater power in high-frequency bands than the TD group. Findings from spectra power analysis related to OXTR were also observed in similar directions. However, the spectral power according to the genotype of OXTR was significant only at low frequencies, and the TD group showed greater power than the ASD group. The results according to the methylation level of OXTR were the same as the previous group comparison in one independent component (SM). Conclusions: The results of this study indicate that the resting brain networks develop in various directions depending on the brain regions of children with ASD, and this aberrant intrinsic connectivity, which differs significantly from TD children, is likely to be a biological basis for the diagnosis of autism. In addition, the consistent effect of genetic and epigenetic variations in the OXTR gene on differences in intergroup FC across various brain regions implies the potential use of imaging genetics/epigenetics of OXTR as a biomarker for ASD.

배경 및 목적: 자폐스펙트럼장애의 다양한 특성들과 옥시토신수용체 유전자와의 관련성이 알려져 있으며, 최근 연구들에서는 옥시토신수용체 유전자의 다형성이 자폐스펙트럼장애 아동의 뇌 기능적 네트워크에 영향을 미칠 가능성을 제안하였다. 그러나 뇌 영역별 기능적 연결성에 대한 기존 연구 결과는 일관되지 않으며, 특히 어린 자폐증 아동에서는 옥시토신수용체 유전자와 뇌 기능적 연결성의 관계에 대해 잘 알려지지 않았다. 본 연구에서는 학령전기를 포함한 중증의 자폐스펙트럼장애 아동에서 휴식기 뇌 기능적 연결성의 특징을 확인하고, 정상 발달 아동과 구분되는 자폐스펙트럼장애 아동의 특징적 뇌 기능적 연결성에 대한 옥시토신수용체 유전자의 영향을 탐색하고자 하였다.

방법: 본 연구는 2세에서 12세 사이의 43명의 자폐스펙트럼장애 아동 및 54명의 정상 발달 아동을 대상으로 하였다. 혈액 검사를 통하여 옥시토신수용체 유전자에서 두 개의 단일 염기 다형성 (SNP) 데이터와 DNA 메틸화 데이터를 얻었고, 휴식기 기능적 자기공명 영상을 이용하여 뇌 영상 데이터를 수집하였다. 우리는 독립 성분 분석 방법으로 뇌 영역을 6가지 고유 네트워크로 분류하였고, 각 네트워크의 기능적 연결성을 산출하여 두 군간에 유의미한 차이를 확인하였다. 그 후, 옥시토신수용체 유전자와 진단 간 상호작용 효과를 분석하였다. 통계적으로 유의미한 결과를 보인 네트워크에 대하여 기능적 연결성과 자폐증의 임상 증상 점수 간의 상관 관계를 분석하였다.

결과: 자폐스펙트럼장애 아동은 정상 발달 아동에 비하여 cognitive control network, default mode network, visual (VIS) network, somatomotor (SM) network에서 기능적 연결성이 저하된 반면, subcortical network, VIS, SM network에서는 과연결성 (over-connectivity)이 관찰되었다. 그리고 이러한 비정상적인 기능적 연결성은 자폐증 임상 점수와 유의미한 상관성을 보였다. 기능적 연결성에 대한 옥시토신수용체 유전자의 영향을 살펴보았을 때, 두 개의 SNP (rs2254298과 rs53576)의 위험 대립유전자와 관련하여, 대부분의 내재적 뇌 연결성은 자폐스펙트럼장애 그룹에서 감소하고 정상 발달 그룹에서 증가함으로써, 결과적으로 두 그룹 간의 기능적 연결성의 차이가 유의미하게 커졌다. 반면, subcortico-cortical network에 관련된 일부 연결에서는 자폐 아동에서 연결성이 증가하고 정상 발달 아동에서는 감소하였으나, 마찬가지로 두 그룹 간의 대조는 더욱 커지는 결과를 보였다. 후성유전학적 분석에서는 옥시토신수용체 유전자의 메틸화 증가가 두 그룹 간의 기능적 연결성 차이에 유의미한 영향을 미치는 것을 발견하였다. 옥시토신수용체 유전자의 유전형에 따라 유의미한 변화가 발견된 network에서 임상적 상관성을 발견하였으나, 후성유전학적 영상 분석에서는 임상적 상관성을 보이지 않았다. Spectra 분석 결과, 저주파 영역에서는 정상 발달 아동이 자폐 아동에 비하여 더 큰 값을 보였고, 고주파 영역에서는 자폐 아동의 spectral power가 더 강하였다. 옥시토신수용체 유전자와 관련하여 spectral power를 분석한 결과도 이와 유사하였다.

결론: 본 연구 결과, 자폐스펙트럼장애 아동에서 휴식기 뇌 기능적 연결성은 뇌 영역에 따라 다양하게 관찰되며, 이러한 뇌 기능적 연결성의 이상은 정상 발달 아동과 구분되는 특징으로써 자폐스펙트럼장애 진단의 생물학적 기초가 될 수 있다. 또한 본 연구에서는 옥시토신수용체 유전자의 유전학적, 후성유전학적 다양성이 자폐스펙트럼 장애의 비정상적인 뇌 기능적 연결성에 일관된 영향을 미치는 것을 확인하였고, 따라서 옥시토신수용체 유전자를 활용한 영상 유전학적, 영상 후성유전학적 특징이 자폐스펙트럼장애의 바이오마커로 활용될 수 있음을 제시하였다.