Bieder A, Einarsdottir E, Matsson H, Nilsson HE, Eisfeldt J, Dragomir A, Paucar M, Granberg T, Li TQ, Lindstrand A, Kere J, Tapia-Páez I. Rare variants in dynein heavy chain genes in two individuals with situs inversus and developmental dyslexia: a case report. BMC Med Genet. 2020. 21(1): 87.
兩個患有內(nèi)臟逆位和發(fā)育性誦讀困難的個體的動力蛋白重鏈基因的罕見變異:一個病例報告
摘要
背景：發(fā)展性閱讀障礙（DD，Developmental dyslexia）是一種遺傳度較高的神經(jīng)發(fā)育學(xué)習(xí)障礙。 一些候選易感基因已經(jīng)被鑒定，其中一些與纖毛的功能有關(guān)，纖毛是調(diào)節(jié)胚胎中左右不對稱發(fā)育的細胞器。 此外，有人認為，左右不對稱的大腦發(fā)育紊亂可能與神經(jīng)發(fā)育障礙有關(guān)如 DD 。 但是否有一個共同的遺傳原因引起 DD 和側(cè)化缺陷或纖毛病尚不清楚。
案例展示：在這里，我們研究了兩個同時發(fā)生內(nèi)臟轉(zhuǎn)位 (SI)和DD的個體，使用全基因組測序來識別對DD和SI重要的遺傳變異。個體1有原發(fā)性纖毛運動障礙(PCD)，這是一種罕見的常染色體隱性遺傳疾病，具有耳-鼻竇-肺表型和SI。我們在動力蛋白軸突重鏈5基因(DNAH5)中發(fā)現(xiàn)了兩個罕見的非同義變異：一個先前報道的變異c.7502G?>C；p.(R2501P)和一個新的變異c.12043?T>G; p.(Y4015D)。預(yù)計這兩種變異都具有破壞性。纖毛的超微結(jié)構(gòu)分析顯示外動力臂缺乏，內(nèi)動力臂正常。腦部核磁共振沒有發(fā)現(xiàn)明顯的異常。個體2有非綜合征SI和DD。在個體2中，在動力蛋白軸突重鏈11基因(DNAH11)中發(fā)現(xiàn)了一個罕見的變異(c.9110A?>?G;p.(H3037R))?，編碼了外動力蛋白臂的另一個組成部分。
結(jié)論：我們在一個個體中確定了SI和PCD可能的遺傳原因，在另一個個體中確定了可能的顯著雜合度，兩者都涉及到動力蛋白基因。鑒于目前的證據(jù)，尚不清楚所識別的變異是否也容易導(dǎo)致DD，還需要進一步研究側(cè)性、纖毛病和DD之間的關(guān)系。
1.?背景
左右不對稱狀態(tài)的特征是器官沿左右軸的組織衰竭[1]。偏側(cè)性是通過胚胎節(jié)點處的活動纖毛和初生纖毛形成的。在人類身上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些在被破壞時引起側(cè)性紊亂的基因[1]。大約20-25%的內(nèi)臟器官的完全反位（SI），個體可也受到原發(fā)性纖毛運動障礙（PCD）的影響[1]。PCD（OMIM#244400）是一種罕見的常染色體隱性遺傳疾病，由活動纖毛的功能損害引起。PCD可導(dǎo)致耳-肺疾病，約50%的病例伴有典型的三聯(lián)慢性鼻竇炎、支氣管擴張和SI（Kartagener綜合征）。PCD具有異質(zhì)性的遺傳基礎(chǔ)，迄今已有40多個基因突變被認為是病因，其中動力蛋白-軸絲重鏈5基因DNAH5占病例的最大比例（28%）[2,3,4]。
發(fā)展性閱讀障礙（DD）是最常見的神經(jīng)發(fā)育障礙之一，約影響5-12%的人口，是高度遺傳的[5]。DD的潛在神經(jīng)發(fā)育原因尚不完全清楚。一種假設(shè)是，發(fā)育過程中的神經(jīng)元遷移障礙導(dǎo)致成年大腦神經(jīng)元錯位，導(dǎo)致白質(zhì)和灰質(zhì)改變[5]。早期的研究表明大腦不對稱的作用，例如顳平面[6]。
DD的遺傳學(xué)研究已經(jīng)導(dǎo)致了一些閱讀障礙易感基因的鑒定，在[7]中進行了綜述。 有趣的是，其中一些基因，即DYX1C1(DNAAF4)，DCDC2和KIAA0319，據(jù)報道在纖毛中有作用[8，9，10，11，12，13，14]。 此外，在表現(xiàn)出典型纖毛缺陷的患者中還發(fā)現(xiàn)了DYX1C1和DCDC2功能喪失突變：PCD患者中存在DYX1C1[15]，腎炎相關(guān)纖毛疾病患者中存在DYX1C1，遺傳性耳聾和新生兒硬化性膽管炎患者中存在DCDC2[16，17，18，19]。 其他閱讀障礙候選基因，如CEP63和PCNT涉及中心體和基底生物體[20，21]。
雖然DD與大腦的各種解剖和功能變化有關(guān)[22]，但一些報告已經(jīng)研究了內(nèi)臟反位患者的大腦解剖和功能(例如[23，24，25，26，27])。 有趣的是，一系列神經(jīng)發(fā)育障礙，如自閉癥、精神分裂癥和癡呆癥，都與大腦的偏側(cè)缺陷有關(guān)[28]。 關(guān)于纖毛基因和DD的最新發(fā)現(xiàn)為DD中的腦不對稱理論和神經(jīng)元纖毛信號理論提供了新的視角[14]。 目前尚不清楚纖毛表型和DD是否有共同的遺傳原因。
在這里，我們試圖解決SI和DD潛在的共同遺傳原因。我們研究了兩個SI和/或PCD和DD個體，使用全基因組測序（WGS）來確定其表型的可能遺傳原因。此外，我們對其中一個人進行了腦部成像，以確定大腦中與SI或DD相關(guān)的潛在變化。
2. 案例展示
2.1 案例1
1號個體是一名瑞典婦女，患有PCD和DD，出生于非近親父母。她出現(xiàn)了以下PCD癥狀：支氣管擴張、內(nèi)臟轉(zhuǎn)位（圖1A）和自出生以來反復(fù)出現(xiàn)的上下呼吸道感染。鼻腔上皮刷狀活檢的透射電鏡結(jié)果（見附加文件1，方法）包括杯狀細胞增生、纖毛細胞數(shù)量減少、微絨毛和散在分布的淋巴細胞數(shù)量增加（圖1b）。PCD的特征是缺乏外動力蛋白臂（ODA）（平均每纖毛2.4+/-?0.2；正常值：7-9 ODA/纖毛）。內(nèi)動力蛋白臂（IDA）的數(shù)量在正常范圍內(nèi)（平均值4.05±0.2；正常值：2-7）（圖1c）。其他診斷包括左凸性脊柱側(cè)凸（圖1A）、注意缺陷多動障礙（ADHD）和阿斯伯格綜合征。值得注意的是，這個人是左撇子（愛丁堡庫存偏側(cè)指數(shù)-60.00），并且有鏡像寫作的能力，這一現(xiàn)象在閱讀障礙和左撇子身上的比例很高[29]。神經(jīng)系統(tǒng)檢查正常，家族中沒有PCD病史（圖1d）。父親自報患有DD，一個侄女被正式診斷患有DD（圖1d）。有關(guān)臨床表型的概述，請參見表1。
從唾液中分離出DNA樣品，并在一個Illumina HiSeqX泳道上進行了測序，平均測序深度為32x（請參見附加文件1，方法）。 由于個體中存在PCD，DD和脊柱側(cè)彎的表型三聯(lián)征，因此分析首先集中于DYX1C1，該疾病先前與DD相關(guān)，在突變時會引起PCD，而缺乏dyx1c1直向同源物會導(dǎo)致斑馬魚的脊柱彎曲[15]。 ，30，31]。 在DYX1C1中未找到先前與PCD或DD相關(guān)的SNV，也未發(fā)現(xiàn)任何其他罕見的編碼或非編碼變異。
對于下游分析，我們提取了所有的編碼突變和規(guī)范剪接突變，排除了所有同義變體，進一步考慮了插入、刪除、stop-gain, stop-loss和非同義變體。 在1000G (全部)、1000G (歐洲)、 ExAC (全部)和 ExAC (非芬蘭歐洲)數(shù)據(jù)庫中，只保留了1% 的等位基因頻率變異。我們關(guān)注的是一組已知會導(dǎo)致偏側(cè)性缺陷的 PCD 基因(n=33)[2,4,32](附加文件1，表 S1)。由于 PCD 主要以常染色體隱性遺傳方式遺傳，我們假設(shè)為純合性或復(fù)合雜合性。因此，雙等位基因變異被優(yōu)先考慮。 我們在 DNAH5中發(fā)現(xiàn)了2個非同義變體，這些變體已被桑格測序基因組學(xué)證實（圖1e和f），突變c.7502G?>?C;p.(R2501P) (rs78853309; NC_000005.9:g.13810275C?>?G; NM_001369.2:c.7502G?>?C)在 exon 45中的頻率為4*10^(-4)在 ExAC 中，1.8*10^(-4)在 GnomAD 中，1000G 和 SweGen 數(shù)據(jù)庫中沒有報告。 它被預(yù)測為高度保守(GERP 5.31)，所有評估預(yù)測工具(SIFT，Polyphen2，變異 taster，CADD 和 GERP + +) 顯示為有害，包括 CADD 得分26.8。 同樣的變異以前在兩個PCD 復(fù)合雜合子患者中被報道過[3,33]。 它被列在 ClinVar (ID: 179699)中，并被描述為可能具有破壞性。 根據(jù) ACMG-AMP 突變分類標(biāo)準(zhǔn)[34]將其歸類為不確定意義變異(VUS)。 第二個突變?yōu)?c.12043?T?>?G;p.(Y4015D) (rs754466516; NC_000005.9:g.13721345?T?>?G; NM_001369.2:c.12043?T?>?G) 在 exon 71中，在 ExAC 中的頻率為1.65*10^(-5)，在 GnomAD 中的頻率為0.81*10^(-5)，在1000G 和 SweGen 數(shù)據(jù)庫中沒有報告。 它是保守的(GERP 5.4) ，并被所有評估預(yù)測工具預(yù)測為有害，包括 CADD 得分26.5。 它以前沒有與 PCD關(guān)聯(lián)在一起。 在 GnomAD 中，沒有觀察到這兩種報告的變異處于純合狀態(tài)。 親代 DNA 不可用于分析，因此這些突變在一個未受影響的兄弟姐妹中分析。未受影響的同胞c.7502G?>?C呈雜合子型，而c.12043?T?>?G呈野生型(圖1 d) ，表明受影響個體為 DNAH5變異體的復(fù)合雜合子型。 為了檢測 DNAH5稀有變異是否與 DD 共同分離，我們對個體的兩個侄女進行了桑格測序檢測，其中一個受到影響，另一個未受 DD 影響。它們中沒有一個攜帶 DNAH5中的任何兩個變體(圖1 d)。 (更多深入的序列分析，請參閱附加文件1，補充結(jié)果.)
進行MRI腦部掃描以探討存在反位和DD的神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)和功能（請參見附加文件1，方法）。 放射學(xué)評估未發(fā)現(xiàn)個體1的任何結(jié)構(gòu)解剖異常。個體1和健康對照的3D T1加權(quán)圖像顯示在附加文件1中，圖S1。 fMRI與無聲單詞生成任務(wù)結(jié)合使用來評估半球偏側(cè)性（圖2a，b）。 我們在對照組中觀察到額葉回的雙邊激活，這在個體1中是不存在的。有趣的是，個體1中頂葉的額外激活?？偟膩碚f，這些數(shù)據(jù)不能得出關(guān)于個體半球側(cè)向性的結(jié)論。 將皮質(zhì)脊髓束的彌散張量成像（DTI）圖像與年齡和性別相匹配的右手對照對象進行比較。 在個體1中，我們觀察到右側(cè)的DTI道比左側(cè)的多，相對于對照而言，這是相反的。 另外，與對照相比，我們觀察到個體1中穿過胼胝體的皮質(zhì)脊髓束更少（圖2c，d）。 總的來說，DTI數(shù)據(jù)表明個體的右半球活動占主導(dǎo)可能與左撇子有關(guān)。
總之，我們確定了DNAH5中先前已知和一個新發(fā)現(xiàn)的突變，可能是該個體PCD的原因。
2.2 案例2
個人2是一名美國高加索男孩，患有非綜合征SI和DD(GORT-5)總閱讀指數(shù)=84。 他有輕微的下胸椎向左彎曲，但沒有PCD的癥狀，纖毛活檢沒有定論(數(shù)據(jù)未顯示)。 他的父親有自我報告的DD，但沒有被正式診斷(圖3a)。 這位母親有輕微的脊柱側(cè)凸。 無SI或PCD家族史。 該個體還表現(xiàn)出ADHD的癥狀。 有關(guān)個體表型的概述，請參見表1。
從唾液樣品中提取DNA，然后在Illumina HiSeqX上以25x的平均測序深度運行WGS（請參見附加文件1，方法）。 首先，我們檢查了DYX1C1基因，發(fā)現(xiàn)以前與閱讀障礙有關(guān)的常見單倍型?-3G?>?A/1249G?>?T (rs3743205; rs57809907)[30]。 但是，單倍型不能與閱讀障礙表型共分離。如桑格測序所示，它也存在于母親和兄弟姐妹中（數(shù)據(jù)未顯示）。 我們沒有找到以前與PCD或DD相關(guān)的任何其他SNV，也沒有在DYX1C1中找到任何其他稀有變體。
與個體1中一樣，我們提取了編碼和規(guī)范剪接突變，排除了所有同義變體，并進一步考慮了插入、刪除、?stop-gain, stop-loss和非同義變體。 剩余的變異被頻率 MAF 1% 過濾(見上文) ，并與偏側(cè)性缺陷相關(guān)的基因列表進行比較(附加文件1，表 S1)。 個體2為單個罕見變異體c.9110A?>?G;p.(H3037R) (rs192327380; NC_000007.13:g.21813391A?>?G; NM_001277115.2:c.9110A?>?G)在 DNAH11第56外顯子，我們用桑格測序證實了該突變。 突變的頻率在 ExAc 中為1.5*10^(-3)，在1000G中為0.8*10^(-3)，在 GnomAD 中為7.8*10^(-4)。 靶向桑格測序顯示這種變異是從母體遺傳的。 所有評估的預(yù)測工具，包括 CADD 得分8.4，都預(yù)測該變異是良性的。 然后我們將搜索范圍擴大到 DNAH11中更常見的 SNVs (MAF < 50%) ，但是沒有發(fā)現(xiàn)一個是從父親那里遺傳來的。
未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致L/R不對稱缺陷(n = 39)[1]基因的致病變異(附加文件1，表S1)。(有關(guān)更深入的序列分析，請參閱附加文件1，補充結(jié)果)
綜上所述，在個體2中，我們發(fā)現(xiàn)了一種常見的與dd相關(guān)的單倍型和一種罕見的未知重要性的變異，其外動力蛋白臂成分DNAH11均遺傳自母親。
3.?討論和結(jié)論
一些報道表明 DD 候選基因在纖毛中發(fā)揮作用[8,9,12,13,15,16,17,18,19]。 此外，大腦 l / r 不對稱性缺陷被認為是精神分裂癥等神經(jīng)發(fā)育障礙的解剖學(xué)基礎(chǔ)，特別是 DD，可能是由纖毛功能障礙介導(dǎo)的[14,28]。 在這里，我們研究了兩個個體 DD 和 SI 和 / 或 PCD 的潛在遺傳原因。 據(jù)我們所知，這是第一個專門針對 DD 與已知纖毛病共同發(fā)生的遺傳學(xué)研究。
在個體1中，我們在DNAH5中發(fā)現(xiàn)了一個新的(c.7502G?>?C; p.(R2501P))?和一個先前報道的稀有突變(c.12043?T?>?G;p.(Y4015D))?。這兩種變異都被認為是又害的，在另外至少兩名PCD患者中觀察到了?c.7502G?>?C[3，33]。我們假設(shè)個體1可能是復(fù)合雜合子，因為重組事件或從頭事件的可能性非常低。DNAH5基因編碼一種外臂軸絲體動力蛋白重鏈蛋白[3]。DNAH5突變導(dǎo)致ODA缺陷，但不影響IDAs，這與個體中發(fā)現(xiàn)的纖毛超微結(jié)構(gòu)一致。DNAH5在發(fā)育中的人腦中的表達相當(dāng)?shù)停绨瑐惸X圖譜所述，在初級纖毛/神經(jīng)纖毛中沒有已知的功能（http://www.brainspan.org/）[35]?？赡蹹NAH5通過胚胎節(jié)點的纖毛左右模式，導(dǎo)致大腦異常不對稱。大腦的不對稱性可能反過來導(dǎo)致DD。然而，在個體1家系中的遺傳共分離模式顯示DD不與DNAH5中的變體共分離。另一種可能解釋為DD遺傳模式可以由另一個基因中一個罕見變異的常染色體顯性遺傳模式（在個體的兄弟姐妹中具有不完全外顯）或由具有幾個低外顯共同變異的復(fù)雜遺傳模式來解釋。所有家族成員的WGS可能闡明DD的遺傳模式，盡管家族的小規(guī)模使無候選方法WGS分析復(fù)雜化。
Dti 纖維束成像結(jié)果顯示大腦半球優(yōu)勢反轉(zhuǎn)，而 fMRI 語言優(yōu)勢測試結(jié)果不確定。 在誦讀困難癥患者中，已經(jīng)報道了大腦的異常對稱性——既增加了不對稱性，也減少了不對稱性。 然而一些研究報告一個典型的左半球語言偏側(cè)化在 SI 大腦，其他報告的語言中心的逆轉(zhuǎn)到對面的半球[23,24,25,26,27]。 雖然用手習(xí)慣和半球語言優(yōu)勢之間有著強有力的聯(lián)系，但是內(nèi)臟坐位和半球優(yōu)勢之間的關(guān)系更加復(fù)雜，這表明大腦不對稱性的發(fā)展獨立于身體中主要的對稱性破壞途徑[26,37,38]。 所觀察到的皮質(zhì)脊髓纖維束逆轉(zhuǎn)可能與個體的左利手性有關(guān)。
綜上所述，我們確定了DNAH5中一個先前已知的和新的變異，作為個體1的PCD的可能原因。
在個體2中，我們鑒定了一個先前與DD相關(guān)的單倍型。 然而，單倍型并不與閱讀障礙表型共分離。 在仔細檢查PCD和L/R不對稱基因后，在DNAH11中發(fā)現(xiàn)了一個罕見的變異。DNAH11突變的 PCD 患者纖毛的超微結(jié)構(gòu)正常與本例一致，臨床報告纖毛活檢無定論。 缺乏第二個突變并不排除DNAH11作為候選，因為可能存在另一個尚未識別的遺傳突變。 然而，該變異被預(yù)測為良性的，在13例沒有PCD的孤立內(nèi)翻位中沒有發(fā)現(xiàn)DNAH11突變[39]。 此外，還觀察到GnomAD數(shù)據(jù)庫中DNAH11中的變異體 c.9110A?>?G 在一個個體中處于純合子狀態(tài)?？傮w而言，這一證據(jù)削弱了DNAH11作為該個體候選基因的實力。 應(yīng)該注意的是，多基因遺傳和環(huán)境因素被認為在偏側(cè)障礙中起作用，這可能解釋了在個體2[1]中尋找致病變異的困難。 總而言之，我們認為這個病例沒有解決，因為觀察到大約50%沒有PCD的SI病例在全基因組測序后仍然沒有解決[40]。
綜上所述，我們報道了 DNAH5中一個已知的和新的變異可能引起 PCD 的遺傳變異，這將對 PCD 的診斷有價值。 我們認為，報告的變異正在增加 VUSs 的分類。 然而，他們在 DD 病理學(xué)的參與仍然難以捉摸。關(guān)于 DD 表型，這些變異的可能作用不能排除，但仍有待確定。未來的功能研究應(yīng)該特別測試這些變異是否具有功能性后果，并且旨在闡明纖毛基因在大腦中的一般作用。 我們建議在動力蛋白 / 纖毛基因中研究 DD。
需要掌握的技能：
1. 在各個數(shù)據(jù)庫中尋找突變頻率，在GenomAD數(shù)據(jù)庫中尋找純合子。?
審稿意見：在第二個患者中，p.His3037Arg在gnomAD中出現(xiàn)了200次，在阿什肯納希族猶太人（Ashkenazi Jewish）個體中頻率為85/4644(AF=85/9288)，作為gnomAD v2.1.1.1的一部分：https://gnomad.broadinstitute.org/variant/7-21813391-A-G?dataset=gnomad_r2_1(突變也叫p.His3044Arg)，作者指出，在數(shù)據(jù)庫中也可以看到純合子。在ClinVar中也被注解為可能是良性的：www.ncbi.nlm.nih.gov/clinvar/variation/238941/evidence/。雖然作者對這個變異體的解釋適當(dāng)且謹慎，但這讓我想知道，鑒于他們有WGS的數(shù)據(jù)，并且已經(jīng)在突變中仔細尋找過，添加這個第二個case的價值是什么？
答復(fù)：我們同意審查員的意見，即病例2的證據(jù)不足。我們確實同意審稿人的觀點，認為病例2的證據(jù)不足。我們決定將病例2納入報告中，以避免 "文件抽屜 "效應(yīng)（Song F, Hooper L, Loke Y. Open Access Journal of Clinical Trials. 2013;5:71-81 https://doi.org/10.2147/OAJCT.S34419) 事實上，盡管進行了全基因組測序，但許多罕見病病例仍然沒有得到分子診斷(http://solve-rd.eu/)，估計有50%沒有PCD的SI病例仍然沒有得到分子診斷(Postema等，2020，PMID 32111882)。請注意，我們在第273-276行討論了這一點，指出多基因和環(huán)境因素也會對內(nèi)臟轉(zhuǎn)位產(chǎn)生影響。我們在該段中增加了一個句子以澄清（第276-278行）。
2. 查找ACMG-AMP 相關(guān)的資料。
The American College of Medical Genetics and Genomics (ACMG)/Association for Molecular Pathology (AMP)?
