Genetic background of bipolar disorder and related cognitive impairments

Bipolar disorder (BP) is a complex psychiatric disorder characterized by episodes of mania and depression. BP affects approximately 1% of the world’s population and shows no difference in lifetime prevalence between males and females. BP arises from complex interactions among genetic, developmental and environmental factors, and it is likely that several predisposing genes are involved in BP. The genetic background of BP is still poorly understood, although intensive and long-lasting research has identified several chromosomal regions and genes involved in susceptibility to BP. This thesis work aims to identify the genetic variants that influence bipolar disorder in the Finnish population by candidate gene and genome-wide linkage analyses in families with many BP cases. In addition to diagnosis-based phenotypes, neuropsychological traits that can be seen as potential endophenotypes or intermediate traits for BP were analyzed. In the first part of the thesis, we examined the role of the allelic variants of the TSNAX/DISC1 gene cluster to psychotic and bipolar spectrum disorders and found association of distinct allelic haplotypes with these two groups of disorders. The haplotype at the 5’ end of the Disrupted-in-Schizophrenia-1 gene (DISC1) was over-transmitted to males with psychotic disorder (p = 0.008; for an extended haplotype p = 0.0007 with both genders), whereas haplotypes at the 3’ end of DISC1 associated with bipolar spectrum disorder (p = 0.0002; for an extended haplotype p = 0.0001). The variants of these haplotypes also showed association with different cognitive traits. The haplotypes at the 5’ end associated with perseverations and auditory attention, while the variants at the 3’ end associated with several cognitive traits including verbal fluency and psychomotor processing speed. Second, in our complete set of BP families with 723 individuals we studied six functional candidate genes from three distinct signalling systems: serotonin-related genes (SLC6A4 and TPH2), BDNF -related genes (BDNF, CREB1 and NTRK2) and one gene related to the inflammation and cytokine system (P2RX7). We replicated association of the functional variant Val66Met of BDNF with BP and better performance in retention. The variants at the 5’ end of SLC6A4 also showed some evidence of association among males (p = 0.004), but the widely studied functional variants did not yield any significant results. A protective four-variant haplotype on P2RX7 showed evidence of association with BP and executive functions: semantic and phonemic fluency (p = 0.006 and p = 0.0003, respectively). Third, we analyzed 23 bipolar families originating from the North-Eastern region of Finland. A genome-wide scan was performed using the 6K single nucleotide polymorphism (SNP) array. We identified susceptibility loci at chromosomes 7q31 with a LOD score of 3.20 and at 9p13.1 with a LOD score of 4.02. We followed up both linkage findings in the complete set of 179 Finnish bipolar families. The finding on chromosome 9p13 was supported (maximum LOD score of 3.02), but the susceptibility gene itself remains unclarified. In the fourth part of the thesis, we wanted to test the role of the allelic variants that have associated with bipolar disorder in recent genome-wide association studies (GWAS). We could confirm findings for the DFNB31, SORCS2, SCL39A3, and DGKH genes. The best signal in this study comes from DFNB31, which remained significant after multiple testing corrections. Two variants of SORCS2 were allelic replications and presented the same signal as the haplotype analysis. However, no association was detected with the PALB2 gene, which was the most significantly associated region in the previous GWAS. Our results indicate that BP is heterogeneous and its genetic background may accordingly vary in different populations. In order to fully understand the allelic heterogeneity that underlies common diseases such as BP, complete genome sequencing for many individuals with and without the disease is required. Identification of the specific risk variants will help us better understand the pathophysiology underlying BP and will lead to the development of treatments with specific biochemical targets. In addition, it will further facilitate the identification of environmental factors that alter risk, which will potentially provide improved occupational, social and psychological advice for individuals with high risk of BP.

Kaksisuuntainen mielialahäiriö (BP) on monitekijäinen psykiatrinen sairaus, jolle on tyypillistä maanisten ja depressiivisten jaksojen toistuva vaihtelu. Kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön sairastuu noin 1 % koko maailman väestöstä ja sairautta esiintyy yhtälailla miehillä kuin naisilla. Kaksisuuntaisen mielialahäiriön puhkeamiseen vaikuttavat geneettiset tekijät yhdessä kehitys-ja ympäritötekijöiden kanssa ja useat geenit todennäköisesti altistavat sairastumisriskiin. Kaksisuuntaiseen mielialahäiriön geenitaustan tunnemme kuitenkin vielä huonosti, vaikka intensiivisen ja pitkäaikaisen tutkimuksen avulla olemme tunnistaneet useita kromosomaalisia alueita ja geenejä, joiden arvellaan vaikuttavan kaksisuuntaiseen mielialahäiriön alttiuteen. Tässä väitöskirjatutkimuksessa on pyritty paikantamaan geenivariantteja, jotka altistavat kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön suomalaisessa väestössä kandigeenianalyysin ja genomin laajuisen kytkentäanalyysin avulla. Diagnostisen luokituksen lisäksi analysoimme suoriutumista neuropsykologisissa testeissä ja näiden piirteiden mahdollista assosioitumista geenivariantteihin. Neuropsykologiset testit mittaavat kognitiivisia ominaisuuksia, jotka mahdollisesti liittyvät sairauteen, mutta ovat sen puhkeamisesta riippumattomia piirteitä eli endofenotyyppejä. Väitöskirjan ensimmäisessä osassa tavoitteena oli tutkia TSNAX/DISC1 geenialueen varianttien merkitystä psykoottisen ja bipolaarispektrin sairauksille. Erilaisilla alleelisilla haplotyypeillä havaitsimme olevan vaikutus näihin molempiin sairauksiin. DISC1 geenin 5’-päässä olevan haplotyypin todettiin periytyneen psykoosiin sairastuneille miehille (p = 0.008; laajennetulle haplotyypille, p = 0.0007 molemmille sukupuolille), kun taas DISC1 geenin 3’-päässä olevan haplotyypin todettiin assosioituvan bipolaarispektrin sairauteen (p = 0.0002 laajennetulle haplotyypille, p = 0.0001). Lisäksi haplotyypin variantit osoittautuivat assosioituvan useisiin kognitiivisiin piirteisiin. DISC1 geenin 5’-päässä olevan haplotyypin todettiin assosioituvan useisiin kognitiivisiin piirteisiin, kuten toistovirheisiin ja kuulonvaraiseen tarkkaavaisuuteen. Kun taas 3’ päässä olevat variantit assosioituivat kielelliseen sujuvuuteen ja psykomotoriseen prosessointinopeuteen. Geenit, jotka liittyvät kolmeen täysin erilaiseen signallointisysteemiin, joiden tehtävänä on säädellä monia keskushermoston tehtäviä, on osoitettu altistavan kaksisuuntaiselle mielialahäiriölle. Tässä tutkimuksessa tutkimme kuutta funktionaalista kaksisuuntaiseen mielialahäiriön kandigeeniä; serotoniiniin liittyviä geenejä (SLC6A4 and TPH2), BDNF:n liittyviä geenejä sekä yhtä tulehdus ja sytokiniinisysteemiin liittyvää geeniä (P2RX7) 723 suomalaisella bipolaariperheenjäsenellä. BDNF:n funktionaalinen variantti Val66Met assosioitui kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön ja parempaan suoriutumiseen muistiaineksen mielessä säilymisessä. Myös SLC6A4 geenin 5’–päässä olevien varianttien assossiaation pystyimme toistamaan erityisesti miehillä (p = 0.004), mutta assosiaatiota laajasti tutkituille funktionaalisille varianteille emme havainneet. Suojaava neljän variantin haplotyyppi geenissä P2RX7 assosioitui kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön sekä toiminnan ohjaukseen, erityisesti foneemisessa (p = 0.0003) ja semanttisessa (p = 0.006) sanasujuvuudessa. Väitöskirjan kolmannessa osatyössä tutkittiin 23 bipolaariperhettä, jotka ovat kotoisin Suomen koillisosasta. 6K varianttia testattiin genominlaajuisella kytkentäanalyysillä. Merkittävimmät kytkentälöydökset havaitsimme kromosomialueella 7q31 (LOD = 3.20) ja 9p13.1 (LOD = 4.02) havaittiin kromosomialueella 7q31. Jatkotutkimuksena analysoimme molemmat kytkentälöydökset parhaimmilla markkereilla 179 perheellä. Kromosomialueen 9p13 kytkentälöydöksen pystyimme toistamaan tässä aineistossa LOD- arvolla 3.02. Väitöskirjan viimeisessä osatyössä testattiin genominlaajuisissa assosiaatiotutkimuksissa löydettyjen alleelisten varianttien assosioitumista kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön. Pystyimme toistamaan löydökset DFNB31, SORCS2, SCL39A3, ja DGKH geeneille. Merkittävin tulos tuli geenistä DFNB31, mikä säilyi merkittävänä myös moninkertaisen testauksen korjaamisen jälkeen. SORCS2-geenin varianteista kaksi olivat alleelisia replikaatioita, jota tuki myös haplotyyppianalyysi. Aiemmissa koko genominlaajuisissa assosiaatioanalyyseissä merkittävimmän tuloksen antaneelle PALB2 geenille emme löytäneet näyttöä sen osuudesta kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön suomalaisessa väestössä. Tämän väitöskirjatyön tulokset ovat osoittaneet kaksisuuntaiseen mielialahäiriön olevan heterogeeninen ja sen geneettisen taustan vaihtelevan eri väestöjen välillä. Jotta voimme täysin ymmmärtää kompleksitautien, kuten kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön, taustalla olevien geneettisten tekijöiden alleelista heterogeenisyyttä edellytetään usean terveen ja sairastuneen henkilön koko genomin sekvensointia. Tiettyjen alttiusgeenien löytäminen auttaisi ymmärtämään kaksisuuntaiseen mielialahäiriön tautimekanismia ja näin ollen mahdollistaisi paremmin tehoavien lääkkeiden kehittämistä. Lisäksi tällöin olisi myös mahdollista tunnistaa ympäristötekijöitä, jotka vaikuttavat alttiuteen sairastua. Perintö-ja ympäristötekijöiden tunnistaminen auttaisi myös järjestämään asianmukaista ammatillista, sosiaalista ja psykologista tukea henkilöille, joilla on korkea riski sairastua kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön.