Autism Spectrum Conditions (henceforth, autism) refers to a group of neurodevelopmental conditions characterized by difficulties in social interaction and communication, difficulties in adjusting to unexpected change, alongside unusually narrow interests and repetitive behaviour, and sensory hyper-sensitivity. Twin and family-based studies have consistently identified high heritabilities for autism and autistic traits, with recent studies converging at 60 – 90% heritability. Common genetic variants are thought to additively contribute to as much as 50% of the total risk for autism. In this thesis, I investigate the contribution of common genetics variants (including SNPs, and InDels) to autism and related traits. In Chapter 1, I discuss the recent advances in the field of autism genetics, focussing on the contribution of common genetic variants to the risk for autism. Chapters 2 – 7 report the results of various studies investigating the genetic correlates of autism and related traits. In Chapter 2, I surveyed the evidence for 552 candidate genes associated with autism, and conducted a meta-analysis for 58 common variants in 27 genes, investigated in at least 3 independent cohorts. Meta-analysis did not identify any SNPs that were replicably associated with autism in the Psychiatric Genetics Consortium genome-wide association study (PGC-GWAS) dataset after Bonferroni correction, suggesting that candidate gene association studies are not statistically well-powered. In Chapters 3 – 7, I conducted genome-wide association studies (GWAS) for 6 traits associated with autism: self-reported empathy (N = 46,861, Chapter 3), cognitive empathy (N = 89,553, Chapter 4), theory of mind in adolescents (N = 4,577, Chapter 5), friendship satisfaction (Neffective = 158,116) and family relationship satisfaction (Neffective = 164,112, both Chapter 6), and systemizing (N = 51,564, Chapter 7). GWAS identified significant loci for self-reported empathy, systemizing, friendship and family relationship satisfaction, and cognitive empathy. Genetic correlation analyses replicably identified a significant negative genetic correlation between autism and family relationship satisfaction and friendship satisfaction, and a significant positive genetic correlation between autism and systemizing. In addition, there was a negative genetic correlation between autism and self-reported empathy. Chapter 8 draws all of these studies together, concluding that there may be at least two independent sources of genetic risk for autism: one stemming from social traits and another from non-social traits. I discuss some future directions about how this can be leveraged using polygenic scores from multiple phenotypes to potentially stratify individuals within the autism spectrum, and both the strengths and limitations of the reported studies.

O transtorno do espectro autista (ASD, do inglês, autism spectrum disorder) é uma condição neuropsiquiátrica de início precoce, caracterizado por déficit do uso da comunicação para socialização e padrões de comportamentos restritos e repetitivos. A herdabilidade do ASD tem sido estimada em 50-90%. O ASD pode se apresentar como uma condição sindrômica, considerando, nesses casos, síndromes genéticas, como a distrofia muscular de Duchenne (DMD), e como uma condição não sindrômica. Além disso, o ASD apresenta uma grande heterogeneidade genética e centenas de genes têm sido relatados como candidatos. As variantes com alta patogenicidade para o ASD são mais comumente raras, de novo e levam ao truncamento da proteína. A função da maioria dos genes candidatos para o ASD ainda é desconhecida e pode explorá-la pode trazer grande conhecimento sobre essa condição. O estudo genômico de casos familiais de ASD pode facilitar a identificação de fatores genéticos possivelmente patogênicos para o ASD, uma vez que esses casos podem estar enriquecidos de fatores genéticos e têm sido pouco explorados. Então, uma estratégia para identificar e validar genes candidatos para o ASD é investigar variantes que levam ao truncamento das proteínas nos casos familiais de ASD. Além disso, entender as alterações dos processos moleculares e celulares desregulados pelos genes candidatos para o ASD pode nos ajudar a compreender melhor a relevância desses genes na manutenção da homeostasia do sistema nervoso central e, também, como esses genes podem causar o fenótipo do ASD. Dessa forma, primeiramente, nós investigamos variantes exômicas raras de perda de função (rLoF, do inglês, rare loss-of-function) (MAF<0,01) potencialmente patogênicas compartilhadas e não compartilhadas por indivíduos aparentados afetados pelo ASD em 13 famílias não relacionadas. Ademais, analisamos se outras variantes rLoF poderiam contribuir para o ASD em dois irmãos que também são afetados por DMD. A partir disso, identificamos 56 variantes rLoF em 54 genes, as quais foram compartilhadas (12 variantes em 11 genes) e não compartilhadas (44 variantes em 43 genes) entre os indivíduos afetados das famílias. Desse total de 54 genes, foi possível destacar 16 genes como principais causas do ASD, nos quais as mutações observadas foram tanto herdadas quanto de novo. Nos indivíduos com ASD/DMD, detectamos uma deleção no gene da distrofina, a qual explica o fenótipo de DMD, e outras duas variantes possivelmente patogênicas no DPYSL4 e no OPALIN que podem contribuir para o ASD. Em uma das famílias estudadas, identificamos mutações bialélicas de perda de função no TBCK, assim estudamos as células neuronais derivadas de iPSC de um indivíduo com rompimento do TBCK. A compreensão da função desse gene pode auxiliar no entendimento das vias de sinalização e assim na busca de tratamentos para os fenótipos neurológicos. No presente estudos, mostramos que a depleção do TBCK nas células neuronais causa alterações no ciclo e proliferação celular, além de desregulação da via mTOR. O tratamento com a L-leucina, um aminoácido que sinaliza na via mTOR, das células neuronais com diminuição de TBCK resgatou a sinalização da via mTOR, bem como, aumentou a proliferação celular. Assim, os nossos resultados sugerem que a L-leucina pode resgatar os fenótipos causados pela redução da expressão do TBCK, os quais abrem novas perspectivas de tratamento de crianças com mutações nesse gene. Somado a isso, nós exploramos o uso da Drosophila melanogaster para realizar estudos funcionais para outros genes candidatos para o ASD. Nós analisamos a morfologia neuronal nas larvas dessa mosca com expressão reduzida do trp&gamma;, mahjong, dys e crmp, os quais são, respectivamente, os ortólogos dos genes humanos candidatos para o ASD: TRPC6, VPRBP, DMD e DPYSL4 (CRMP3). Nas linhagens com diminuição da expressão do trp?, mahjong, dys e crmp, nós observamos várias alterações morfológicas, tais como, defasciculação axonal e anormalidade no formato do ângulo nos neuritos ipsilaterais-contralaterais. Assim sendo, este trabalho evidenciou a heterogeneidade genética do ASD em famílias brasileiras, permitiu a validação e identificação de genes candidatos adicionais para o ASD, contribuiu para a melhor compreensão do papel de alguns genes, em particular, o TBCK, e para o estabelecimento do uso da D. melanogaster para estudar os genes candidatos para o ASD no nosso laboratório / Autism Spectrum Disorder (ASD) is a neuropsychiatric condition of early onset, characterized by deficit in social communication and repetitive and restrict behavior. Its heritability has been estimated between 50-90%. The ASD cases can be related to both syndromic conditions, considering, in these cases, genetic syndromes like Duchenne muscular dystrophy (DMD), and non-syndromic conditions. Moreover, this disorder presents high genetic heterogeneity, and several hundreds of genes have reported as candidates. Variants associated with high pathogenicity in ASD are most usually rare, de novo and lead to protein truncation. The role of most of the ASD candidate genes is still under unclear and explore it could bring important knowledge about this condition. The genomic study of familial cases of ASD could aid the identification of likely pathogenic genetic factors, as it might be enriched by genetic factors and have not been largely explored. Therefore, a potential approach to validate and identify additional ASD candidate variants would be to investigate if truncating variants would explain the ASD phenotype in familial cases. Besides, understanding the molecular and cellular process altered by ASD candidate genes could clarify the relevance of these genes on keeping central nervous system homeostasis as well as how the deficiency of these genes would cause the ASD phenotype. Thus, firstly, we investigated rare loss-of function (rLoF) variants (MAF<0.01) shared and unshared among ASD related individuals from 13 unrelated families with the aim of identifying those that contribute to the phenotype. Also, we tested if additional rLoF variants would contribute to the ASD phenotype in DMD brothers. We identified 56 rLoF varaints in 54 genes, which were shared (12 variants in 11 genes) and unshared (44 variants in 43 genes) among affected individuals within a family. We pinpointed 16 genes out of 54 as major cause of ASD, which included both inherited and de novo mutations. In ASD/DMD individuals, we detected a deletion in dystrophin gene, which explains the DMD phenotype, and other two likely pathogenic variants in DPYSL4 and OPALIN that can contribute to ASD. In one of the families, we identified biallelic loss-of-function mutations in TBCK. Thus, we studied the phenotypes of iPSC-derived neuronal cells of an individual with disruption of the TBCK. The comprehension of the gene function can lead us to look for treatments for the neurological phenotypes. In the present study, we show that the depletion of TBCK in neuronal cells cause cell cycle and proliferation abnormalities and mTOR dysregulation. The treatment of TBCK-depleted neuronal cells with L-leucine improved mTOR signaling, as well as increased cell proliferation. Thus, our results suggest that L-leucine could rescue the neuronal phenotypes caused by reduced expression of TBCK, which can open new perspectives on the treatment of children with mutations in this gene. Additionaly, we explored the use of Drosophila melanogaster to conduct functional studies of ASD candidate genes. We analyzed neuronal morphology in flies\' larvae with reduced expression of trp?, mahjong, dys and crmp, which are, respectively, the orthologs of the ASD candidate human genes TRPC6, VPRBP, DMD and DPYSL4 (CRMP3). In lines with reduced expression of trp&gamma;, mahjong, dys and crmp, we observed several morphological alterations, like axonal defasciculation and aberrant form of ipsilateral-contralateral neurite angles. Hence, our results demonstrate the genetic heterogeneity of ASD in Brazilian families, allowed the validation and identification of additional gene targets for ASD and contributed to a better understanding of the role of some ASD genes, most particularly TBCK. Finally, we had set up the use of D. melanogaster to explore ASD candidate genes in our laboratory

O autismo apresenta uma alta herdabilidade e uma etiologia heterogênea, com o provável envolvimento de vários genes. Estudos recentes sugerem que características presentes nos pais de crianças com autismo apresentam paralelo com as apresentações de traços associados nos filhos. Este estudo avaliou 15 famílias de autistas, de Porto Alegre e região metropolitana, e controles. Foram utilizados quatro instrumentos de avaliação no estudo: dois avaliando as características nos filhos (ADI-R e Protocolo de Bosa) e dois aplicados aos pais (ITC e EDS). Os resultados deste estudo apontaram para a confirmação da agregação familiar de características fenotípicas herdadas independentemente. Apesar de diferirem dos resultados dos controles (pais de crianças com desenvolvimento típico), não comprovou-se a existência de uma diferença significativa na severidade de apresentações fenotípicas em pais de crianças autistas. Foi possível estabelecer a presença de uma configuração de características fenotípicas ligadas a aspectos do autismo em pais e crianças com autismo. Esta pesquisa aponta pistas para a existência de um padrão de herança dentro das famílias autistas. / The autism is a neuropsychiatric disturbance characterized by a retard pattern and by deficits in the development of the social abilities, of communication and by a restricted repertory of activities and interests. The beginning of this disturbance occurs at the first years of life. The autism presents a high inheritability and a heterogeneous etiology, with the probable involvement of several genes. Recent studies suggest that present characteristics in the parents of children with autism present parallel with the presentations of associated features in the children. This study evaluated 15 families of autists, from Porto Alegre and metropolitan region and controls. Four evaluation instruments was utilized in the study: two of them evaluating the characteristics in the children (ADI-R and Bosa's Protocol) and two of them applied to the parents (TCI and SAD). The results of this study pointed to the confirmation of the familiar aggregation of independently inherited phenotypical characteristics. Albeit they differ from the controls results (parents of children with typical development), it was not possible to prove the existence of a significative difference in the severity of phenotypical presentations in parents of autistic children. It was possible to establish a presence of a configuration of phenotypical characteristics connected to autism aspects in parents and children with autism. This research indicates clues for the existence of a inheritance pattern within the autistic families.

O autismo apresenta uma alta herdabilidade e uma etiologia heterogênea, com o provável envolvimento de vários genes. Estudos recentes sugerem que características presentes nos pais de crianças com autismo apresentam paralelo com as apresentações de traços associados nos filhos. Este estudo avaliou 15 famílias de autistas, de Porto Alegre e região metropolitana, e controles. Foram utilizados quatro instrumentos de avaliação no estudo: dois avaliando as características nos filhos (ADI-R e Protocolo de Bosa) e dois aplicados aos pais (ITC e EDS). Os resultados deste estudo apontaram para a confirmação da agregação familiar de características fenotípicas herdadas independentemente. Apesar de diferirem dos resultados dos controles (pais de crianças com desenvolvimento típico), não comprovou-se a existência de uma diferença significativa na severidade de apresentações fenotípicas em pais de crianças autistas. Foi possível estabelecer a presença de uma configuração de características fenotípicas ligadas a aspectos do autismo em pais e crianças com autismo. Esta pesquisa aponta pistas para a existência de um padrão de herança dentro das famílias autistas. / The autism is a neuropsychiatric disturbance characterized by a retard pattern and by deficits in the development of the social abilities, of communication and by a restricted repertory of activities and interests. The beginning of this disturbance occurs at the first years of life. The autism presents a high inheritability and a heterogeneous etiology, with the probable involvement of several genes. Recent studies suggest that present characteristics in the parents of children with autism present parallel with the presentations of associated features in the children. This study evaluated 15 families of autists, from Porto Alegre and metropolitan region and controls. Four evaluation instruments was utilized in the study: two of them evaluating the characteristics in the children (ADI-R and Bosa's Protocol) and two of them applied to the parents (TCI and SAD). The results of this study pointed to the confirmation of the familiar aggregation of independently inherited phenotypical characteristics. Albeit they differ from the controls results (parents of children with typical development), it was not possible to prove the existence of a significative difference in the severity of phenotypical presentations in parents of autistic children. It was possible to establish a presence of a configuration of phenotypical characteristics connected to autism aspects in parents and children with autism. This research indicates clues for the existence of a inheritance pattern within the autistic families.

O autismo apresenta uma alta herdabilidade e uma etiologia heterogênea, com o provável envolvimento de vários genes. Estudos recentes sugerem que características presentes nos pais de crianças com autismo apresentam paralelo com as apresentações de traços associados nos filhos. Este estudo avaliou 15 famílias de autistas, de Porto Alegre e região metropolitana, e controles. Foram utilizados quatro instrumentos de avaliação no estudo: dois avaliando as características nos filhos (ADI-R e Protocolo de Bosa) e dois aplicados aos pais (ITC e EDS). Os resultados deste estudo apontaram para a confirmação da agregação familiar de características fenotípicas herdadas independentemente. Apesar de diferirem dos resultados dos controles (pais de crianças com desenvolvimento típico), não comprovou-se a existência de uma diferença significativa na severidade de apresentações fenotípicas em pais de crianças autistas. Foi possível estabelecer a presença de uma configuração de características fenotípicas ligadas a aspectos do autismo em pais e crianças com autismo. Esta pesquisa aponta pistas para a existência de um padrão de herança dentro das famílias autistas. / The autism is a neuropsychiatric disturbance characterized by a retard pattern and by deficits in the development of the social abilities, of communication and by a restricted repertory of activities and interests. The beginning of this disturbance occurs at the first years of life. The autism presents a high inheritability and a heterogeneous etiology, with the probable involvement of several genes. Recent studies suggest that present characteristics in the parents of children with autism present parallel with the presentations of associated features in the children. This study evaluated 15 families of autists, from Porto Alegre and metropolitan region and controls. Four evaluation instruments was utilized in the study: two of them evaluating the characteristics in the children (ADI-R and Bosa's Protocol) and two of them applied to the parents (TCI and SAD). The results of this study pointed to the confirmation of the familiar aggregation of independently inherited phenotypical characteristics. Albeit they differ from the controls results (parents of children with typical development), it was not possible to prove the existence of a significative difference in the severity of phenotypical presentations in parents of autistic children. It was possible to establish a presence of a configuration of phenotypical characteristics connected to autism aspects in parents and children with autism. This research indicates clues for the existence of a inheritance pattern within the autistic families.