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神经发育障碍性疾病(neurodevelopmental disabilities,NDDs)通常是指由于异常的神经发育基础而导致的精神、心理、行为发育障碍,包括发育落后/智力障碍(developmental delay/intellectual disability, DD/ID)、学习障碍、自闭症症候群(autism spectrum disorders, ASD)等,影响超过15%的儿童[1]。DD/ID是指发育成熟以前(18岁以前)出现的认知和适应行为障碍,是儿科门诊较为常见的疾病之一,国外报道DD/ID的患病率为1%~3%[2],ASD是一组严重影响儿童健康、具有显著临床和病因异质性的常见的NDDs。
NDDs发病机制复杂,与环境、遗传等因素关系密切[3],其中遗传因素是主要因素之一。以ASD为例,一半以上的致病危险因素可归因于遗传学的变异;DD/ID的患儿中,有一半以上可以找到遗传学病因[4]。遗传性因素包括染色体数目和结构异常、单基因病、线粒体病、多基因和/或表观遗传异常等。据统计,染色体数目和结构异常占整个遗传因素的25%~30%[5]。拷贝数变异(copy number variations,CNVs)是由基因组发生重排而导致的,一般指长度为1 kb至数Mb的基因组大片段的拷贝数增加或者减少,主要表现为亚显微水平的缺失和重复。CNVs是导致DD/ID和ASD发生的重要病因,可以引起基因组与分子表型的异质性,导致疾病的发生。
近年来,随着基因组学技术的快速发展,NDDs遗传分子机制及诊断方法的研究取得了很大的进展[6]。染色体微阵列芯片分析(chromosomal microarray analysis, CMA)又称染色体基因芯片分析技术,能够检测出>100 kb的CNVs[7],在西方国家DD/ID、ASD等疾病的临床诊断中得到广泛应用[8-9]。相比于传统的染色体核型分析,CMA能够显著提高具有临床意义的CNVs的检出率,已成为DD/ID、ASD及多发畸形等疾病的一线实验诊断方法[10-11]。文献[12-13]报道显示,CMA在“原发性”智力障碍或者无法解释的发育迟缓、自闭症和先天性结构畸形病例中体现出了重大应用价值。但CMA技术应用于我国NDDs儿童诊断的临床实践起步较晚,目前我国CMA在NDDs儿童的临床分子诊断中的检测性能等信息不够完善,因此本研究对100例NDDs患儿进行CMA检测,针对检测结果进行分析,该研究将有助于扩充临床数据,为CMA在儿科疾病诊断中的广泛应用和遗传咨询提供参考。
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利用750K芯片对100例DD/ID及ASD患儿进行了检测,结果显示22例(22.00%,22/100)患儿检测到染色体拷贝数变异,携带病理性及可能致病CNVs患儿14例(14/100, 14.00%),共涉及17个致病性及可能致病性CNVs,包括14个微缺失(1q21.1q21.2、6p22.3、7q11.23、7q11.23、7q31.1、8p23.3p23.1、9q34.3、10q26.13q26.3、15q11.2q13.2、15q11.2q13.1、15q11.2q13.1、Xp22.32p22.31、Xp22.33p11.23、Xq21.1q28);3个微重复(2q36.3q37.3、9q34.12q34.3、8q24.23q24.3)(见表 1),检出率达14.00%。携带临床意义未知CNVs的患儿有8例(8/100, 8.00%)。78例患儿染色体未见明显异常,所有样本的检测成功率为100%。
分类 n 病理性或可能致病的变异 临床意义未知的变异 未见明显异常 男 72 4(5.56) 7(9.72) 61(84.72) 女 28 10(35.71) 1(3.57) 17(60.71) ASD 55 2(3.64) 7(12.73) 46(83.63) DD/ID 45 12(26.67) 1(2.22) 32(71.11) 总 100 14(14.00) 8(8.00) 78(78.00) 表 1 CMA检测结果[n; 百分率(%)]
对45例DD/ID患儿进行CMA检测发现12例病理性或可能致病性CNVs,检出率为26.67%,其中男3例,女9例。12例DD/ID患儿中检测出的14个病理性及可能致病性CNVs,其中12个染色体微缺失,2个染色体微重复(见表 2)。同时在对55例ASD患儿CMA检测中发现2例病理性及可能致病性CNVs,检出率为3.64%,其中男1例,女1例。在2例ASD患儿中检测出的3个病理性CNVs包含2个染色体微缺失,1个微重复(见表 3);病理性及可能致病性CNVs中发现与神经发育相关的OMIM基因有MCPH1、CLN8、TRAPPC9、GPAA1、PUF60等。
序号 染色体区段 染色体位置 类型 大小/Mb OMIM基因数 与神经发育相关基因 数据库表型 临床表型 case1 1q21.1q21.2 chr1:146, 023, 922-147, 856, 007 缺失 1.83 13 GJA8、GJA5 发育迟缓、智力障碍、面部轻度畸形等 DD case2 2q36.3q37.3 chr2:226, 837, 969-240, 349, 740 重复 13.51 76 ARMC9, ECEL1, HDAC4 发育迟缓等特征,面容异常等表型 DD case3 6p22.3 chr6:16, 050, 207-22, 133, 155 缺失 6.08 14 ATXN1、NHLRC1 发育迟缓、智力低下、面部异常等表型 DD case4 7q11.23 chr7:72, 650, 120-74, 154, 209 缺失 1.50 10 ELN 威廉姆斯综合征:发育迟缓等 DD case5 7q11.23 chr7:72, 650, 120-74, 136, 633 缺失 1.49 23 ELN 威廉姆斯综合征:发育迟缓、面部异常等 DD case6 7q31.1 chr7:110, 900, 501-111, 209, 005 缺失 0.31 1 IMMP2L 发育迟缓,面部异常等 ID case7 9q34.3 chr9:140, 434, 785-141, 018, 648 缺失 0.58 6 EHMT1 9q亚端粒缺失综合征:发育迟缓等 DD case8 9q34.12q34.3 chr9:133, 693, 477-141, 018, 648 重复 7.32 6 EHMT1 智力障碍,舌大,肌张力减退,痉挛 DD 10q26.13q26.3 chr10:127, 130, 217-135, 426, 386 缺失 8.3 36 EBF3、MMP21 神经系统的异常 case9 15q11.2q13.2 chr15:22, 770, 421-30, 370, 018 缺失 7.6 26 UBE3a、MAGEL2、 发育迟缓、智力低下、孤独内向、癫痫等 DD case10 15q11.2q13.1 chr15:22, 770, 421-28, 540, 345 缺失 5.77 23 UBE3A、MAGEL2 Prader-Willi/Angelman综合征,生长发育落后,智力低下,语言落后等 DD case11 15q11.2q13.1 chr15:23, 290, 787-28, 560, 664 缺失 5.27 19 UBE3A Prader-Willi/Angelman综合征,生长发育落后,智力低下等 DD case12 Xp22.33p11.23 chrX: 168, 551-46, 489, 686 缺失 46.3 156 BCOR、CASK、CDKL5 发育迟缓、身材矮小、癫痫等 DD Xq21.1q28 chrX: 82, 441, 085-155, 233, 098 缺失 72.79 304 ACSL4、AFF2、ALG13 发育迟缓、面部异常、癫痫等表型 表 2 DD/ID病人中CMA检测结果为病理性及可能致病CNVs
序号 染色体区段 染色体位置 类型 大小/Mb OMIM基因数 与神经发育相关基因 数据库表型 临床表型 case14 8p23.3p23.1 chr8:158, 048-8, 540, 189 缺失 8.38 20 MCPH1、CLN8 发育迟缓、智力低下、畸形等特征 ASD 8q24.23q24.3 chr8:139, 127, 458-146, 295, 771 重复 7.17 69 TRAPPC9、GPAA1、PUF60 case16 Xp22.32p22.31 chrX: 5400001_6840000 缺失 1.44 2 NLGN4 智力障碍,小脑发育不良,身材矮小 ASD 表 3 ASD病人中CMA检测结果为病理性及可能致病CNVs
对8例临床意义未知病例进行CMA检测发现10个临床意义未知CNVs,包括4个微缺失(3p22.2、5q33.3、7q34、22q13.2),6个微重复(2q21.3q22.1、16q24.3、19q13.42q13.43、Xq11.2q12、Xq26.2、Yq11.223q11.23)(见表 4)。在这些患儿中发现与神经发育相关的OMIM基因,分别是BRAF、ANKRD11,FANCA、AMER1、GPC3。
序号 染色体区段 染色体位置 类型 大小/Mb OMIM基因数 与神经发育相关基因 临床表型 Case18 3p22.2 chr3:37, 347, 149-38, 090, 973 缺失 0.74 6 无 DD 5q33.3 chr5:157, 926, 605-159, 192, 667 缺失 1.27 3 无 7q34 chr7:138, 531, 588-140, 810, 892 缺失 2.28 12 BRAF Case21 22q13.2 chr22:43, 214, 073-43, 805, 105 缺失 3.76 7 无 ASD Case17 2q21.3q22.1 chr2:136480001_136820000 重复 0.34 4 无 ASD Case19 16q24.3 chr16:89000001_90160000 重复 1.16 19 ANKRD11、FANCA ASD Case20 19q13.42q13.43 chr19:56220001_56500000 重复 0.28 7 无 ASD Case22 Xq11.2q12 chrX: 63300001_64640000 重复 1.34 3 AMER1 ASD Case23 Xq26.2 chrX: 132760001_133460000 重复 0.7 1 GPC3 ASD Case24 Yq11.223q11.23 chrY: 24, 660, 190-28, 420, 380 重复 0.59 6 无 ASD 表 4 临床意义未知CNVs
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检测出2例ASD患儿的病理性CNVs, 分别分布在8号、X染色体上,其中1例患儿在8号染色体上同时发现缺失片段及重复片段。12例DD/ID患儿检测出的病理性及可能致病性CNVs分布在1号、2号、6号、7号、9号、10号、15号、X号染色体上。其中3例患儿病理性及可能致病性CNVs分布在15号染色体上,3例患儿病理性及可能致病性CNVs分布在7号染色体上。2例患儿病理性及可能致病性CNVs分布在9号染色体上,2例患儿病理性及可能致病性CNVs分布在X染色体上。1例患儿X染色体上发现2个缺失片段。在8例患儿检测出的临床意义未知的CNVs分布在2号、3号、5号、7号、16号、19号、22号、X、Y染色体上。其中1例患儿分别在3号、5号、7号染色体上发现缺失片段。2例患儿临床意义未知CNVs分布在X染色体(见图 1)。
1例诊断为DD的患儿,CMA技术检测的致病性CNVs分析图见图 2,该片段有两处缺失,分别是:arr[hg19]Xp22.33p11.23(168, 551 -46, 489, 686)x1,大小为46.3 Mb,包含OMIM基因数156个;arr[hg19]Xq21.1q28 (82, 441, 085-155, 233, 098)×1,大小为72.79Mb,包含OMIM基因数304个,患儿为女孩,7个月大,表现发育迟缓。
1例诊断为DD的9q34.3微缺失综合征患儿,CMA技术检测的致病性CNVs分析图见图 3,该片段有一处缺失:arr[hg19] 9q34.3(140, 434, 785-141, 018, 648)x1,大小为0.58 Mb,包含OMIM基因数6个。患儿为女孩,14个月大,表现发育迟缓。
染色体微阵列分析技术在不明原因神经发育障碍性疾病患儿中的应用
Application value of chromosomal microarray analysis in children with unexplained neurodevelopmental disabilities
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摘要:
目的探讨染色体微阵列分析(chromosomal microarray analysis,CMA)技术在神经发育障碍性疾病(neurodevelopmental disailities,NDDs)患儿遗传学病因诊断中的临床应用价值。 方法NDDs患儿采集外周血之后,提取基因组DNA并进行CMA检测,检测结果用ChASv3.0软件和相关信息学数据库进行分析。 结果检测到染色体拷贝数变异患儿22例(22.00%,22/100),其中携带病理性变异及可能致病性变异患儿14例(14/100,14.00%),涉及17个致病性及可能致病性CNVs,包括14个微缺失位点(1q21.1q21.2、6p22.3、7q11.23、7q11.23、7q31.1、8p23.3p23.1、9q34.3、10q26.13q26.3、15q11.2q13.2、15q11.2q13.1、15q11.2q13.1、Xp22.32p22.31、Xp22.33p11.23、Xq21.1q28);3个微重复位点(2q36.3q37.3、9q34.12q34.3、8q24.23q24.3);携带临床意义未知变异的患儿8例(8/100,8.00%)。78例患儿未见明显染色体异常,样本的检测成功率为100%。 结论染色体拷贝数变异是导致NDDs发生的重要遗传学因素之一。CMA检测能及时发现神经发育障碍性疾病患儿染色体异常,同时能够检测出传统染色体核型分析无法发现的大量微缺失或微重复,在检测的敏感性、特异性、可靠性等方面得到很大提高。 Abstract:ObjectiveTo explore the clinical application value of chromosomal microarray analysis(CMA) in the genetic diagnosis of neurodevelopmental disabilities(NDDs). MethodsThe peripheral blood samples were collected for genomic DNA extracting and CMA detecting.The results were analyzed using ChASv3.0 software and related informatics databases. ResultsA total of 22 cases(22.00%, 22/100) with chromosome copy number variations(CNVs) were detected, 14 cass(14/100, 14.00%) with pathological and possibly pathogenic variation were found, and 14 microdeletions (including 1q21.1q21.2, 6p22.3, 7q11.23, 7q11.23, 7q31.1, 8p23.3p23.1, 9q34.3, 10q26.13q26.3, 15q11.2q13.2, 15q11.2q13.1, 15q11.2q13.1, Xp22.32p22.31, Xp22.33p11.23 and Xq21.1q28) and 3 microduplications(including 2q36.3q37.3, 9q34.12q34.3 and 8q24.23q24.3) were involved in 17 cases with pathogenic or likely pathogenic CNVs.The unexplained variations with clinical significance in 8 cases(8/100, 8.00%) were found.No obvious chromosomal abnormalities were found in 78 children, and the detection success rate of samples was 100%. ConclusionsThe CNVs are one of the important genetic factors leading to NDDs.CMA can detect the chromosomal abnormalities, and find numerous microdeletions or microduplications which cannot be found traditional karyotype analysis, the sensitivity, specificity and reliability of detection are greatly improved. -
表 1 CMA检测结果[n; 百分率(%)]
分类 n 病理性或可能致病的变异 临床意义未知的变异 未见明显异常 男 72 4(5.56) 7(9.72) 61(84.72) 女 28 10(35.71) 1(3.57) 17(60.71) ASD 55 2(3.64) 7(12.73) 46(83.63) DD/ID 45 12(26.67) 1(2.22) 32(71.11) 总 100 14(14.00) 8(8.00) 78(78.00) 表 2 DD/ID病人中CMA检测结果为病理性及可能致病CNVs
序号 染色体区段 染色体位置 类型 大小/Mb OMIM基因数 与神经发育相关基因 数据库表型 临床表型 case1 1q21.1q21.2 chr1:146, 023, 922-147, 856, 007 缺失 1.83 13 GJA8、GJA5 发育迟缓、智力障碍、面部轻度畸形等 DD case2 2q36.3q37.3 chr2:226, 837, 969-240, 349, 740 重复 13.51 76 ARMC9, ECEL1, HDAC4 发育迟缓等特征,面容异常等表型 DD case3 6p22.3 chr6:16, 050, 207-22, 133, 155 缺失 6.08 14 ATXN1、NHLRC1 发育迟缓、智力低下、面部异常等表型 DD case4 7q11.23 chr7:72, 650, 120-74, 154, 209 缺失 1.50 10 ELN 威廉姆斯综合征:发育迟缓等 DD case5 7q11.23 chr7:72, 650, 120-74, 136, 633 缺失 1.49 23 ELN 威廉姆斯综合征:发育迟缓、面部异常等 DD case6 7q31.1 chr7:110, 900, 501-111, 209, 005 缺失 0.31 1 IMMP2L 发育迟缓,面部异常等 ID case7 9q34.3 chr9:140, 434, 785-141, 018, 648 缺失 0.58 6 EHMT1 9q亚端粒缺失综合征:发育迟缓等 DD case8 9q34.12q34.3 chr9:133, 693, 477-141, 018, 648 重复 7.32 6 EHMT1 智力障碍,舌大,肌张力减退,痉挛 DD 10q26.13q26.3 chr10:127, 130, 217-135, 426, 386 缺失 8.3 36 EBF3、MMP21 神经系统的异常 case9 15q11.2q13.2 chr15:22, 770, 421-30, 370, 018 缺失 7.6 26 UBE3a、MAGEL2、 发育迟缓、智力低下、孤独内向、癫痫等 DD case10 15q11.2q13.1 chr15:22, 770, 421-28, 540, 345 缺失 5.77 23 UBE3A、MAGEL2 Prader-Willi/Angelman综合征,生长发育落后,智力低下,语言落后等 DD case11 15q11.2q13.1 chr15:23, 290, 787-28, 560, 664 缺失 5.27 19 UBE3A Prader-Willi/Angelman综合征,生长发育落后,智力低下等 DD case12 Xp22.33p11.23 chrX: 168, 551-46, 489, 686 缺失 46.3 156 BCOR、CASK、CDKL5 发育迟缓、身材矮小、癫痫等 DD Xq21.1q28 chrX: 82, 441, 085-155, 233, 098 缺失 72.79 304 ACSL4、AFF2、ALG13 发育迟缓、面部异常、癫痫等表型 表 3 ASD病人中CMA检测结果为病理性及可能致病CNVs
序号 染色体区段 染色体位置 类型 大小/Mb OMIM基因数 与神经发育相关基因 数据库表型 临床表型 case14 8p23.3p23.1 chr8:158, 048-8, 540, 189 缺失 8.38 20 MCPH1、CLN8 发育迟缓、智力低下、畸形等特征 ASD 8q24.23q24.3 chr8:139, 127, 458-146, 295, 771 重复 7.17 69 TRAPPC9、GPAA1、PUF60 case16 Xp22.32p22.31 chrX: 5400001_6840000 缺失 1.44 2 NLGN4 智力障碍,小脑发育不良,身材矮小 ASD 表 4 临床意义未知CNVs
序号 染色体区段 染色体位置 类型 大小/Mb OMIM基因数 与神经发育相关基因 临床表型 Case18 3p22.2 chr3:37, 347, 149-38, 090, 973 缺失 0.74 6 无 DD 5q33.3 chr5:157, 926, 605-159, 192, 667 缺失 1.27 3 无 7q34 chr7:138, 531, 588-140, 810, 892 缺失 2.28 12 BRAF Case21 22q13.2 chr22:43, 214, 073-43, 805, 105 缺失 3.76 7 无 ASD Case17 2q21.3q22.1 chr2:136480001_136820000 重复 0.34 4 无 ASD Case19 16q24.3 chr16:89000001_90160000 重复 1.16 19 ANKRD11、FANCA ASD Case20 19q13.42q13.43 chr19:56220001_56500000 重复 0.28 7 无 ASD Case22 Xq11.2q12 chrX: 63300001_64640000 重复 1.34 3 AMER1 ASD Case23 Xq26.2 chrX: 132760001_133460000 重复 0.7 1 GPC3 ASD Case24 Yq11.223q11.23 chrY: 24, 660, 190-28, 420, 380 重复 0.59 6 无 ASD -
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