Autism spectrum disorder (ASD) is a neurodevelopmental disorder with complex genomic etiologies, with most cases occurring sporadically. De novo mutations (DNMs), accordingly, have been thought to play a critical role in the development of ASD. However, DNMs are known to contribute to ~10%-30% of patients with ASD, which is largely owing to studies focusing on protein-coding regions, occupying up to 2% of the genomes. Although DNMs in noncoding regions also seem to underlie the genomic etiologies of ASD, the pathogenic role of the mutations outside the protein-encoding regions remains poorly understood. Since the genomes are a form of three-dimensional chromatin structures, how the noncoding DNMs affect the chromatin interactions in ASD is to be explored. Here, we generated 931 whole-genome sequences of whole blood DNA acquired from 276 Korean simplex quad families to detect DNMs, and identified target genes that have the chromatin interactions with the noncoding DNMs in regulatory elements, using resources of DNase-seq and Hi-C. Notably, the noncoding DNMs that have the chromatin interactions exhibit transcriptional dysregulation implicated in ASD. Moreover, those target genes are significantly involved in histone modification and prenatal expression of brain development, both of which are implicated in the pathogenesis of ASD. Then, we experimentally validated the effects of the noncoding DNMs defined through the chromatin interactions. Indeed, the noncoding DNMs remotely affect the expressions of target genes in the mutation-carrying neurons derived from probands' induced pluripotent stem cells. Interestingly, the noncoding and coding DNMs collectively contribute to severely low IQ. This strongly suggests that a clinical subtype of ASD can be genetically defined by discovering the functionally active noncoding DNMs. Lastly, we suppose the genomic accountability for ASD is beyond 70% using this method. Analysis results are reproducible in independent 517 probands of MSSNG resource. This work reveals the contribution of the novel genomic risk for ASD via the chromatin interactions, using massive whole-genome sequences.
자폐스펙트럼장애는 복잡한 유전적 원인을 갖는 신경발달질환이다. 여러 유전적 원인 중, 신생돌연변이는 자폐스펙트럼장애의 주요한 요인으로 알려져 있다. 그러나 이러한 신생돌연변이는 자폐스펙트럼장애 환자의 10%-30%만 설명할 수 있는 것으로 보고된다. 그 이유는 기존의 연구가 대개 전체 유전체 중 단백질을 부호화하는 영역의 신생돌연변이만을 대상으로 이루어졌기 때문이다. 이에 본 연구는 비부호화 영역의 신생돌연변이가 자폐스펙트럼장애의 발생에 기여하는 분자유전학적 메커니즘을 고찰해보았다. 한국인 자폐스펙트럼장애 환자 및 가족으로 구성된 931명의 전장유전체염기서열 정보를 분석하여, 비부호화 영역의 신생돌연변이를 선정해내었다. 아울러, 비부호화 신생돌연변이가 삼차원 구조의 염색질 상호작용을 통해 원거리의 특정 유전자의 기능에 영향을 미칠 것으로 예측해내었다. 비부호화 신생돌연변이는 자폐스펙트럼장애 환자에서 전사 이상을 초래하였고, 이들 돌연변이의 영향을 받는 원거리의 유전자는 히스톤 변형기작과 태아 두뇌발달과 밀접한 관련을 갖는 것으로 나타났다. 더 나아가, 환자의 줄기세포로부터 신경세포를 분화시킨 후, 비부호화 신생돌연변이가 이들 신경세포에서 원거리 유전자의 발현에 영향을 미치고 있음을 증명하였다. 아울러, 비부호화 및 부호화 영역의 신생돌연변이가 동시에 존재하는 환자의 경우 중증 지능장애가 공병되어 있음을 확인하였다. 본 분석 방식을 통하여 자폐스펙트럼장애 환자의 70%에서 유전적 원인을 설명해낼 수 있었으며, 이러한 결과는 독립된 유럽 데이터에서도 동일하게 확인되었다. 종합하여, 본 연구는 염색질 상호작용을 통하여 비부호화 신생돌연변이가 자폐스펙트럼장애 발생에 기여함을 밝혀내었다.
