Genetic and epigenetic signatures of attention-deficit/hyperactivity disorder

Abstract

Attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) is a neurodevelopmental, complex and highly heritable disorder characterised by age-inappropriate symptoms of inattention, impulsivity and hyperactivity that impair the daily functioning of patients. These symptoms typically initiate in childhood and persist over time in around two thirds of the diagnosed children. There is evidence that both common and rare genetic variants contribute to the risk for the disorder, with heritability estimates around 76% that seem to remain stable across the lifespan. However, the genetic variation associated with ADHD to date only explain a modest proportion of the phenotypic variance. In this context and taking into account that environmental factors also play a role into the disorder’s susceptibility, it has been proposed that epigenetic marks such as DNA methylation (DNAm) could be contributing as plausible mechanisms by which environmental influences lead to functional and/or structural brain alterations found in ADHD. Given this background and bearing in mind that the genetic and epigenetic investigations conducted on ADHD have been mainly focused on its childhood presentation, the objectives of the present doctoral thesis have been to explore the contribution of common genetic variants to the risk for ADHD across the lifespan and to examine whether there are DNAm patterns specifically associated with ADHD in adults. Firstly, to investigate the genetic basis of ADHD through a lifespan perspective, we have conducted the largest meta-analysis of genome-wide association studies (GWAS-MA) on persistent ADHD in adults to date, a GWAS-MA on ADHD in childhood, and a GWAS- MA on ADHD across the lifespan using data from children and adults in a total sample of 17,149 cases and 32,411 controls. Through this approach, we have identified nine new independent loci associated with ADHD across the lifespan and we have shown that the proportion of common genetic variation contributing to the disorder seems to be stable over time. Moreover, our results have revealed a high genetic overlap between ADHD in childhood and persistent ADHD in adults, driven by the whole group of children, and similar patterns of genetic correlation between ADHD and other ADHD-related phenotypes and different traits and disorders across the lifespan. Secondly, by conducting the largest epigenome-wide association study (EWAS) of ADHD in adults to date, comprising 103 clinical samples of adults with ADHD and 100

controls, we have identified DNAm patterns associated with ADHD in adults. Our results have shown that these patterns are not driven by the individuals’ smoking status or polygenic risk burden for ADHD, neither by exposure to stressful life events in the group of cases. Moreover, the localization of these DNAm patterns in or near genes previously involved in cancer, and the enrichment found for epigenetic signatures of smoking behaviour and maternal smoking among our findings, have reinforced that smoking behaviour is a key factor to account for in this type of analyses. In addition, our enrichment analyses results have supported that genome-wide DNAm is developmental- stage specific and point to an overlap between genetic and epigenetic signatures in ADHD that needs to be further studied in larger samples. In conclusion, the results of the present doctoral thesis provide new insights into the genetic basis of ADHD across the lifespan, support the hypothesis of the neurodevelopmental origin of persistent ADHD in adults, and shed light on the epigenetic signatures characterising ADHD in adults.

El trastorn per dèficit d'atenció i hiperactivitat (TDAH) és un trastorn del neurodesenvolupament, complex i altament heretable caracteritzat per símptomes d’inatenció, impulsivitat i hiperactivitat inapropiats per l’edat que deterioren el funcionament diari dels pacients. Aquests símptomes normalment s’inicien a la infància i persisteixen en el temps en aproximadament dos terços dels nens diagnosticats. Hi ha evidències que recolzen que tant variants genètiques comunes com rares contribueixen al risc del trastorn, amb una heretabilitat estimada al voltant del 76% que sembla mantenir- se estable al llarg de la vida. Tanmateix, la variació genètica associada al TDAH fins ara només explica una modesta proporció de la variància fenotípica. En aquest context, i considerant que els factors ambientals també tenen un paper en la susceptibilitat al trastorn, s’ha proposat que les marques epigenètiques com la metilació de l’ADN (ADNm) podrien contribuir com a mecanismes mitjançant els quals les influències ambientals condueixen a alteracions funcionals i/o estructurals del cervell en el TDAH. Tenint en compte aquest context i donat que les investigacions genètiques i epigenètiques realitzades sobre el TDAH s’han centrat principalment en la seva presentació infantil, els objectius de la present tesi doctoral han sigut explorar la contribució de les variants genètiques comunes al risc de TDAH al llarg de la vida i examinar si hi ha patrons d’ADNm associats específicament amb el TDAH en adults. En primer lloc, per investigar les bases genètiques del TDAH al llarg de la vida, hem realitzat la meta-anàlisi més gran d’estudis d’associació de genoma complet (GWAS- MA) en TDAH persistent en adults fins al moment, una GWAS-MA en TDAH a la infància i una GWAS-MA en TDAH al llarg de la vida amb dades de nens i adults en una mostra total de 17,149 casos i 32,411 controls. Mitjançant aquesta aproximació, hem identificat nou nous loci independents associats amb el TDAH al llarg de la vida i hem mostrat que la proporció de variants genètiques comunes que contribueix al trastorn sembla ser estable al llarg del temps. A més, els nostres resultats han revelat un elevat solapament genètic entre el TDAH en la infància i el TDAH persistent en adults, degut a tot el grup de nens, i patrons de correlació genètica similars entre el TDAH i altres fenotips relacionats amb el TDAH i diferents trets i trastorns al llarg de la vida. En segon lloc, realitzant l’estudi d’associació d’epigenoma complet (EWAS) més gran realitzat en el TDAH en adults fins al moment, que comprèn 103 mostres clíniques

d’adults amb TDAH i 100 controls, hem identificat patrons d’ADNm associats al TDAH en adults. Els nostres resultats han mostrat que aquests patrons no són deguts al tabaquisme, a la càrrega de risc poligènic per al TDAH, ni a l’exposició a situacions vitals estressants en el grup de casos. A més, la localització d’aquests patrons d’ADNm en gens prèviament implicats en el càncer i l’enriquiment que hem trobat en els nostres resultats per a patrons d’ADNm que caracteritzen el tabaquisme i el tabaquisme matern durant l’embaràs, han reforçat que el tabaquisme és un factor clau a tenir en compte en aquest tipus d’anàlisis. Addicionalment, els resultats de les nostres anàlisis d’enriquiment han recolzat que els patrons d’ADNm en tot el genoma són específics del període de desenvolupament de l’individu i assenyalen un solapament entre marques genètiques i epigenètiques en el TDAH que cal estudiar en més profunditat en mostres més grans. En conclusió, els resultats de la present tesi doctoral proporcionen nou coneixement sobre la base genètica del TDAH al llarg de la vida, donen suport a la hipòtesi de l’origen del TDAH persistent en adults en el neurodesenvolupament i posen de manifest marques epigenètiques que caracteritzen el TDAH en adults.