背景与目的智力障碍(Intellectual Disability,ID)又称全面发育迟缓(Global Developmental Delay,DD),是在18周岁前起病,表现为认知功能和/或社会适应性行为能力缺陷为主要特征的一组疾病,ID诊断用于5岁及以上的儿童,用发育评估方法比较稳定可靠,DD用于诊断5岁以下的儿童,诊断标准为患儿在大运动、精细运动、语言、认知、适应性行为等发育能区中,存在2个或2个以上能区落后,明显落后于同龄儿童(≥2个标准差)。严重者常无生活自理能力,需要家庭和社会的长期支持。ID在全世界范围内的患病率约为1%。根据美国多个医疗调查机构数据显示,ID造成的经济负担最为庞大,一人一生约100万美元。智障患者需要终生的康复支持治疗,给患儿家庭和社会造成沉重的心理和经济负担。智力障碍的病因仍不清楚,如何阐明其发病机制,也是十分迫切的研究课题,因此关于ID的研究是神经科学和遗传学领域研究的热点。ID的病因复杂,既有遗传因素也有环境因素,非遗传因素占到10%左右,。随着生活水平的提高和医疗保健措施的完善,外源性感染、中毒、外伤、缺氧、营养不良以及文化落后、心理损伤等因素造成的智力障碍已得到极大控制,而遗传因素在病因构成中变得突出,遗传因素包括染色体异常、拷贝数变异(copy number variants,CNV)、单基因异常和表观遗传异常等。目前诊断智力障碍的遗传学方法主要有染色体核型分析、荧光原位杂交(Fluorescence in situ hybridization,FISH),近年来发现拷贝数变异与智力障碍密切相关,有可以在全基因组范围内检测CNVs分析的染色体微阵列分析技术(Chromosomal Microarray Analysis,CMA)。包括微阵列比较基因组杂交(Array Comparative Genomic Hybridization,array-CGH)和单核苷酸多态性微阵列技术(Single Nucleotide Polymorphisms Microarrays,,SNP-array)。但均不能检测染色体平衡性改变,如点突变等。随着二代测序技术的高效、快速、灵敏的飞速发展,对不明原因的智力障碍诊断的流程通过CNV分析在过渡到全外显子组测序(whole exome sequencing,WES)。人类外显子占全基因组序列编码蛋白质序列的1-2%,但是覆盖了 85-90%的编码基因[1]。全外显子测序可以用于检测已知疾病的相关致病基因,同时能发现新的疾病相关基因。国内目前对ID基因突变报道不多,本研究中,我们应用CMA和WES技术对不明原因的ID/DD伴或不伴其他异常的患儿进行检测,包括569例接受了CMA的一线检测和146例染色体核型分析和CMA检测未见异常的进一步接受了WES检测;旨在:1)分别从基因组和单基因水平探讨不明原因的ID/DD患儿的遗传学病因。2)评估ID/DD家系的再发风险,为这类家系的遗传咨询和生育指导提供了科学依据。3)通过CMA技术和WES技术识别ID/DD潜在新的候选拷贝数变异片段和致病基因,提高对ID/DD病因学的认知。第一部分染色体微阵列技术在不明原因的ID/DD患儿中的应用方法1、选取2012年5月到2017年12月在广州市妇女儿童医疗中心神经康复科就诊并被确诊为ID/DD患儿家系569例,根据是否合并其他异常将ID/DD患儿分成三组,分别为单纯性ID/DD组419例、ID/DD合并癫痫组53例以及ID/DD合并其他结构畸形组97例。所有家系在进行遗传学检测前均接受遗传咨询及签署知情同意书,本研究同时也获得了医院伦理委员会批准同意。2、根据美国Affymetrix公司的CytoScan HD芯片平台(195万拷贝数探针和75万SNP探针)的标准实验操作流程对胎儿及父母样本进行处理。3、使用相配套的CHAS软件对扫描芯片产生的.CEL文件进行数据分析。4、根据DGV(含正常人的CNVs)、DECIPHER(含患者的表型及致病性片段)、OMIM(含已知的致病基因)、CAGdb、ISCA(含良性与致病性的CNVs)、UCSCGenome Browser(显示片段中基因的内容及功能)及PUBMED等以及本实验室的内部数据库对分析结果进行在线比对,判断CNVs的性质。5、针对致病性CNVs和临床意义不明确的CNVs(VOUS)结果,进一步行父母样本检测进行综合家系分析,明确CNVs的来源和性质。6、采用统计学软件SPSS 22.0中的卡方检验比较分析。结果1、CMA作为一线检测技术对569例不明原因ID/DD伴或不伴其他异常的患儿进行检测,在162例患儿中检测到致病性CNVs,致病性CNVs的检出率为28.5%(162/569)。VOUS的检出率为2.6%(15/569),而良性CNVs在DD/ID患儿中的检出率为 68.9%(392/569)。2、单纯性ID/DD组致病性CNVs检出率为26.5%;ID/DD合并癫痫组的为26.4%;ID/DD合并其他结构畸形组的为38.1%。采用卡方检验进行两两比较,α=0.05为检验水准,结果发现单纯DD/ID组与DD/ID合并其他结构畸形组之间的致病性CNVs检出率差异有统计学意义(P=0.02,26.5%vs 38.1%,χ2检验)。其他组间差异均无统计学意义。3、162例检出含有致病性CNVs的胎儿中,染色体数目异常6例,占3.7%(6/162)。已知的微缺失/微重复综合征85例,占52.5%(85/162);其中82例为常见微缺失/微重复综合症,包括Angelman/Prader-Willi综合征,Williams-Beuren综合征,22q11.2微缺失/微重复综合征,Wolf-Hirschhorn综合征,16p11.2微缺失/微重复综合征,1p36微缺失综合征,17p11.2微缺失/微重复综合征,5P缺失综合征,2q33.1 缺失综合征,2q37 单体综合征,Rubinstein-Taybi 综合征,Silver-Russell综合征;其他罕见微缺失/微重复综合症有3例,包括15q24微缺失综合征、Xq28微重复综合征以及眼脑肾综合征。4、其余71例(43.8%,71/162)为新发的非综合征性致病性片段。其中,16p13.2区域的ABAT和 PMM2 基因,Xp11.23p11.22 区域的FTSJ1基因,14q32.31q32.33区域的DYNC1H1基因以及18q12.3q21.1区域的SETBP1基因为ID/DD的新的致病性候选基因。结论1、本研究中,应用全基因组高分辨率CMA技术对不明原因的ID/DD患儿进行检测,总体致病性CNVs检出率为25.8%,证明了 CMA在临床应用中的重要价值。2、本研究中检出的有临床意义的CNVs中52.5%为已知的微缺失/微重复综合征,其中以Angelman/Prader-Willi综合征最常见,另有43.8%为新发的非综合征性致病性片段,丰富了 ID/DD的微缺失/微重复疾病谱。3、CMA具有识别新的ID/DD致病候选基因的能力,涉及ABAT、PMM2、FTSJ1、DYNC1H1 和 SETBP1 基因。第二部分 全外显子组测序技术在不明原因的ID/DD患儿中的应用方法1、选取2018年5月到2019年10月在广州市妇女儿童医疗中心神经康复科就诊并被确诊为ID/DD患儿的临床资料,选取146例染色体核型结果和CMA结果未见异常的ID/DD患儿核心家系外周血。根据是否合并其他异常将ID/DD患儿分成三组,分别为单纯性ID/DD组77例、ID/DD合并癫痫组29例以及ID/DD合并其他系统异常组40例。所有家系在进行遗传学检测前均接受遗传咨询及签署知情同意书,本研究同时也获得了医院伦理委员会批准同意。2、使用Hiseq 2500高通量模式,进行PE100测序,按Hiseq 2500标准流程进行测序。3、用Illumina官方basecall分析软件BclToFastq得到原始数据(raw data)。并转换成FASTQ格式的文件。对原始数据进行过滤获得高质量的数据(clean data)。然后依次进行数据比对、变异检测、突变注释、蛋白质危害性预测、剪切危害性预测等生物信息分析及临床高级分析。4、突变位点根据 ACMG(American College of Medical Genetics and Genomics)指南标准进行判定,分为以下5类:致病性、可能致病性、不明确、可能良性和良性。5、用一代测序(Sanger测序)的方法对致病性、可能致病性突变位点的患儿及父母样本进行验证。结果1、WES成功对146例核型及CMA结果未见异常的不明原因的ID/DD患儿核心家系样本进行检测。结果在61例患儿中发现了致病性/可能致病性突变,包含了 51个已知的致病基因和64个与患儿表型相关的突变位点。因此,WES在ID/DD患儿中孟德尔单基因病总的分子诊断率为41.78%(61/146)。2、146例接受WES检测的ID/DD患儿病例中,单纯性ID/DD组阳性突变检出率为36.36%(28/77);ID/DD合并癫痫组的检出率为41.38%(12/29);ID/DD合并其他系统异常组的检出率52.5%(21/40)。采用卡方检验进行两两比较,α=0.05为检验水准,各组间阳性突变检出率之间的差异无统计学意义。3、WES检测在61例ID/DD患儿中发现了致病性/可能致病性突变,包含了51个已知的致病基因。其中的8个致病基因在患儿中出现的频率较高,包括基因MECP2、ATRX、ADNP、SOX11、AHDC1、ARID1B、SLC9A6 和 BRAF、频率最高的2个为MECP2基因(n=4)和ATRX基因(n=3),分别导致Rett综合征和X连锁精神发育迟滞-肌张力减退综合征1型。4、WES在61例ID/DD患儿中发现了 64个阳性突变位点。根据孟德尔遗传方式分类,包括40例患儿含有常染色体显性遗传(AD)位点(n=40),6例(包括2例UPD来源)含有常染色体隐性遗传(AR)位点(n=9),8例含有X染色体显性遗传(XD)位点(n=8)以及7例含有X染色体隐性遗传(XR)位点(n=7)。根据突变位点的来源进行分类,包括47例患儿含有新发突变(n=47)和14例含有遗传性突变(n=17)。结论1、本研究中,应用WES技术对不明原因的ID/DD患儿进行检测,孟德尔单基因病总体分子诊断率为41.78%,进一步证明了 WES技术在ID/DD患儿中的应用价值,为疾病的早期诊断,精准治疗以及预后的评估提供遗传学依据。2、本研究的ID/DD阳性病例中,最常见的基因为MECP2、ATRX、ADNP、SOX11、AHDC1、ARID1B、SLC9A6和BRAF。3、本研究的阳性病例中,以新发突变为主,小部分遗传自父母,为这类家系的遗传咨询和生育指导提供了科学依据。4、对于非印迹染色体中的UPD,需要考虑可能存在隐性遗传性疾病的风险。