Molecular diagnosis of developmental disorders

ABSTRACT Idiopathic developmental disorders (DDs) affect ~1% of the population worldwide. This being a considerable amount, efforts are being made to elucidate the disease mechanisms. One or several genetic factors cause 30-40% of DDs, and only 10% are caused by environmental factors. The remaining 50% of DD patients go undiagnosed, mostly due to a lack of diagnostic techniques. The cause in most undiagnosed cases is though to be a genetic factor or a combination of genetic and environmental factors. Despite the surge of new technologies entering the market, their implementation into diagnostic laboratories is hampered by costs, lack of information about the expected diagnostic yield, and the wide range of selection. This study evaluates new microarray methods in diagnosing idiopathic DDs, providing information about their added diagnostic value. Study I analysed 150 patients by array comparative genomic hybridization (array CGH, 44K and 244K), with a subsequent 18% diagnostic yield. These results are supported by other studies, indicating an enourmous added diagnostic value of array CGH, compared with conventional cytogenetic analysis. Nevertheless, 80% of the patients remained undiagnosed in Study I. In an effort to diagnose more patients, in Study IV the resolution was increased from 8.9 Kb of the 244K CGH array to 0.7 Kb, by using a single-nucleotide polymorphism (SNP) array. However, no additional pathogenic changes were detected in the 35 patients assessed, and thus, for diagnostic purposes, an array platform with ca 9 Kb resolution appears adequate. The recent vast increase in reports of detected aberrations and associated phenotypes has enabled characterization of several new syndromes first based on a common aberration and thereafter by delineation of common clinical characteristics. In Study II, a familial deletion at 9q22.2q22.32 with variable penetrance was described. Despite several reports of aberrations in the adjacent area at 9q associated with Gorlin syndrome, the patients in this family had a unique phenotype and did not present with the syndrome. In Study III, a familial duplication of chromosome 6p22.2 was described. The duplication caused increased expression of an important enzyme of the γ-aminobutyric acid (GABA) degradation pathway, causing oxidative stress of the brain, and thus, very likely, the mild mental retardation of these patients. These two case studies attempted to pinpoint candidate genes and to resolve the pathogenic mechanism causing the clinical characteristics of the patients. Presenting rare genetic and clinical findings to the international science and medical community enables interpretation of similar findings in other patients. The added value of molecular karyotyping in patients with idiopathic DD is evident. As a first line of testing, arrays with a median resolution of at least 9 Kb should be considered and further characterization of detected aberrations undertaken when possible. Diagnostic whole-exome sequencing may be the best option for patients who remain undiagnosed after high-resolution array analysis.

Doktorsavhandlingens målsättning har varit att utvärdera nya analyseringsmetoder och den fördel de medför vid försök att fastställa genetiska orsaker som orsak till uppkomsten av utvecklingsstörningar. Ungefär 1% av världens befolkning har någon form av utvecklingsstörning, vars orsak inte är känd, d.v.s. den är idiopatisk. Det uppskattas att genetiska faktorer förorsakar ca 30-40%, medan miljöfaktorer förorsakar ca 10% av alla utvecklingsstörningar, medan de resterande 50% av patienterna saknar en diagnos. Uppskattningsvis förorsakas utvecklingsstörningar till största delen av genetiska faktorer, eller av en kombination av genetiska och miljöfaktorer. Uteblivna diagnoser beror vanligtvis på bristfälliga undersökningsmetoder. I de första delarbetet (Studie I) undersöktes 150 patienter med idopatisk utvecklingsstörning genom att använda en mikromatrismetod, array CGH (eng. microarray comparative genomic hybridisation). Metoden går ut på att patientens DNA jämförs med DNAt från en frisk person och skillnaderna i kopietal registreras. På så kan man upptäcka eventuella genetiska avvikelser. Med den här metoden kunde 18% av patienterna diagnostiseras i Studie I. Resultatet får stöd i andra motsvarande studier. Trots det positiva resultatet i Studie I saknade ca 80% av patienterna fortfarande en diagnos. I den fjärde Studien (IV) användes en annan mikromatrismetod, en SNP-array (eng. single-nucleotide polymorphism), med högre resolution (0,7Kb gentemot 8,9Kb), för att analysera 35 patienter med idiopatisk utvecklingsstörning och normalt array CGH resultat. Inga nya diagnoser kunde däremot fastställas. Resultatet fråm Studie IV antyder att det för diagnostik förhållandevis bästa resultatet fås med en platform med måttlig resolution (ca 9Kb). Tack vare ny analyseringsmetoder framställs mycket ny information om de genetiska avvikelser och kliniska egenskaper som karakteriserar olika utveckilingsstörningar och därigenom har nya syndrom fastställts. I Studie II karakteriserades den variation av kliniska egenskaper som förekom inom en familj p.g.a. en deletion i kromosom 9q33.2q22.32. I Studie III beskrevs den mekanism som ledde till att en duplikation i kromosom 6p22.2 förorsakade mild utvecklinsstörning i en familj. Dessa två delarbeten strävade till att definiera kandidatgener och den mekanism som hade lett till familjernas utvecklingsstörning. Dylik information är viktig att föra fram för att befrämja diagnostik av andra patienter med liknande symptom. Som slutsats av den här doktorsavhandlingen konstateras att användning av mikromatriser med en resolution på minst 9Kb är rekommenderat som första diagnostiseringsmetod för patienter med idiopatisk utvecklingsstörning.