Deciphering the genetic basis of intellectual disability through unbiased genomic approaches

Abstract

Neurodevelopmental disorders arise in childhood and are life-long condition that represents many challenges to the patients, their families and society, through public services. Among those, intellectual disability affects 1% of the population in developed countries, encompassing the most common group of neurodevelopmental disorders. Intellectual disability is characterized by cognitive impairment and limitation in functioning capacity and can be cause by exogenous factors (such as maternal alcohol abuse during pregnancy, infections and malnutrition) but it is well established that genetic factors play important roles in its pathophysiology. In ID, as in many others disorders, detecting the underlying genetic cause is a complex and time consuming process yet of great value to the patients and families because it allows the possibility of genetic counseling. In the last years, advances in two major types of technologies allowed great advances in the discovery of new genomic anomalies causing intellectual disability: array comparative genomic hybridization and massive parallel sequencing. Array comparative genomic hybridization allowed a high resolution genome wide investigation of copy number variations leading to the discovery of many novel microdeletion/microduplication syndromes. Massive parallel sequencing evolved in a way that the sequencing of all the genome (or, at a lower cost, all the exons) is now possible to perform in any genetic laboratory in a time and cost-efficient manner, allowing the discovery of many novel variants in previously known and newly discovered intellectual disability genes. These two approaches have provided significantly new insights into the biological pathways associated with intellectual disability and tremendously improved the diagnostic process. In this study we applied these two technologies to the study of the genetic basis of neurodevelopmental disorders. We studied a big group of patients with idiopathic intellectual disability by aCGH (which included two cohorts with different selection criteria - a research and a clinical cohort), a group of patients with a Rett syndrome-like clinical presentation by exome sequencing and re-analyzed exome data from a pediatric heterogeneous cohort. Array comparative genomic hybridization allowed the detection of previously known microdeletion and microduplication syndromes in patients with until then unexplained intellectual disability, with yields of 13% in the research cohort and 18% in the clinical cohort. Importantly it also allowed the discovery of 12 new loci likely to cause neurodevelopmental disease as well as the gathering of additional patients with overlapping genomic imbalances and phenotypic features, allowing the definition of new (rare) syndromes. Massive parallel sequencing – more specifically whole exome sequencing - was applied to a group of patients sharing similar clinical presentation (Rett syndrome-like) and proved to be very effective, leading to the identification of five new genes possibly involved in intellectual disability (HTT, SMARCA1, GABBR2, RHOBTB2 and EIF4G1). It is currently an accepted fact however, that the data generated by exome sequencing at a certain point in time, may not retrieve the genetic cause of the disease. This limitation is often related with the lack of information regarding the genes detected. Given the always increasing knowledge on genes and pathways involved in neurodevelopmental disorders, the need for reevaluation of older and previously unsolved cases emerges. This strategy was also applied in this work and proven to be extremely useful in the clinical context, adding new patients to help establish the relevance of candidate disease genes and raising new candidate genes (DNAJC21, MYOD1 and PAX7). In summary, this work helped to clarify the genetic basis of disease in several patients until then unsolved, as well as to bring forward new candidate loci and genes for intellectual disability and other neurodevelopmental disorders.

As perturbações do neurodesenvolvimento surgem na infância e constituem doenças crónicas, criando inúmeras limitações para os doentes, famílias e sociedade – sob a forma de serviços públicos. Entre estas, o défice intelectual (previamente designado atraso mental) afecta 1% da população dos países desenvolvidos, sendo o tipo de doença do neurodesenvolvimento mais comum. O défice intelectual é caracterizado por uma limitação cognitiva e funcional e pode ser causado por factores exógenos (como o consumo materno de álcool durante a gravidez, infeções e malnutrição), sendo no entanto fatores genéticos reconhecidos como muito importantes para a patofisiologia do défice cognitivo. Neste grupo de doenças, assim como em muitas outras, a deteção da causa genética é um processo complexo e demorado mas de grande valor para os doentes e famílias, uma vez que abre portas á possibilidade de aconselhamento genético. Nos últimos anos, avanços em duas grandes tecnologias de diagnóstico genético permitiram a descoberta de novas anomalias genéticas associadas e défice intelectual: array de hibridação genómica comparativa e sequenciação paralela massiva. Os arrays de hibridação genómica comparativa permitiram a análise de alta resolução de todo o genoma na busca de alterações do número de cópias, o que resultou na descoberta de várias novas síndromes associadas microdeleções/microduplicações. A sequenciação paralela massiva desenvolveu-se de uma forma em que a sequenciação de todo o genoma (ou, de forma mais económica, de todos os exões) é agora possível realizar em qualquer laboratório de genética em tempo útil e com um bom custo/benefício, permitindo a descoberta de variantes tanto em genes já conhecidos como em novos genes causadores de défice intelectual. Estas duas abordagens contribuíram significativamente para novas descobertas em vias moleculares associadas com défice intelectual e para o melhoramento do seu diagnóstico. Neste estudo aplicamos estas duas tecnologias ao estudo da base genética de doenças do neurodesenvolvimento. Estudamos por aCGH um grande grupo de doentes com défice intelectual idiopático (o que incluiu dois coortes com diferentes critérios de seleção – um coorte de investigação e um coorte clinico), estudamos por sequenciação de exoma um grupo de doentes com sintomatologia semelhante à síndrome de Rett, e reanalisamos dados de exoma de um grupo heterogéneo de doentes pediátricos. O array de hibridação genómica comparativa permitiu a deteção de microdeleções e microduplicações já conhecidas em doentes até à data com défice intelectual idiopático, com uma taxa de sucesso de 13% no coorte de investigação e de 18% no coorte clinico. Foi também possível a deteção de novos 12 novos loci passíveis de causar doença do neurodesenvolvimento assim como a recolha de doentes adicionais com desequilíbrios genómico e fenótipo sobreponíveis, contribuindo para a definição de novas síndromes raras. A sequenciação paralela massiva – em particular a sequenciação do exoma - foi aplicada a um grupo de doentes com apresentação clinica semelhante (síndrome de Rett-like), revelando-se bem-sucedida na identificação de cinco novos genes possivelmente envolvidos no défice intelectual (HTT, SMARCA1, GABBR2, RHOBTB2 e EIF4G1). Atualmente é facto aceite que os dados gerados por sequenciação do exoma numa determinada altura poderão não levar á descoberta da causa genética da doença. Esta limitação está muitas vezes relacionada com a escassez de informação relativamente aos genes encontrados. Tendo em conta o sempre crescente conhecimento relativo a genes e vias moleculares envolvidas em doenças do neurodesenvolvimento, surge a necessidade de reavaliação de casos antigos não solucionados. Esta estratégia foi também aplicada neste trabalho e provando ser de grande utilidade no contexto clinico, levando à deteção de mais doentes que contribuem para a determinação dos genes candidatos relevantes assim como para a deteção de novos genes candidatos (DNAJC21, MYOD1 and PAX7). Em resumo, este trabalho contribuiu para a clarificação da causa genética de doença em vários doentes até à data não resolvidos, e propõe novos loci candidatos e genes que contribuem para o défice intelectual e outras doenças do neurodesenvolvimento.