Добавочная копия хромосомы 21 как результат ошибки дли клеточном делении может приводить к трисомии, известной как синдром Даун²¹. Это наиболее частая форма ID. Клиническими проявлениями синдрома Дауна являются признаки дисморфии, судороги, психомоторные задержки и врожденные уродства. Эти состояния не присутствуют у каждого затронутого индивида²². Синдром Edwards трисомия хромосомы 18 характеризуется психомоторными и когнитивными нарушениями головного мозга, уродствами и задержкой роста у детей²³. Возникает синдром Edwards с частотой 1 на 8000 живорожденных. Величина смертности очень высокая при данном заболевании; лишь 5-10% затронутых детей выживает после первых лет жизни²⁴. Синдром Patau это трисомия хромосомы 13, характеризуется уродствами ЦНС. Возникает этот синдром с частотой 1 iна 12000 в генеральной популяции²³. Величина выживаемости очень низкая у детей с тисомией 13, но она зависит от тяжести болезни у детей, от того присутствуют ли церебральные, кардиальные или др. врожденные пороки²⁵.

CNVs это небольшие сегменты ДНК, которые варьируют в числе. Обычно каждый индивид несет две копии: от матери и отца. Вариации в числе копий возникают в результате дупликаций и делеций небольших сегментов ДНК. Но не все вариации числа копий являются патогенными для людей^26,27. Обсуждение CNVs (DGV) доступно online (www.dgv.tcag.ca)²⁸. Ещё одна база данных используется клиницистами для сравнения клинической и генетической информации для идентификации и интерпретации патогенных вариантов (sequence variants and copy number variants) у пациентов с ID²⁹. CNVs, вызывающие de novo и наследуемые мутации, оказались ассоциированными с ID. Изучена крупная когорта из 118 редких de novo CNVs³⁰. Анализ этих CNVs и генов кандидатов выявил 10 генов с потерей функции, ассоциированных с ID³¹. CNVs не могут быть определены визуально в световом микроскопе. Метод comparative genomic hybridization (CGH) может осуществить быстрый геномный анализ с высоким разрешением и выявить CNVs, избыток или потерю, на хромосомном уровне³². Метод CGH анализа неопределенных причин ID повышает идентификацию патогенных CNVs до 13% в последние годы. Фенотипы, ассоциированные с этими 13% случаев, характеризуются врожденными дефектами, первичной микроцефалией и малым ростом³³. Нарушение (Online Mendelian Inheritance in Man [OMIM] #612001) с микроделецией 15q13.3 обнаруживает ID фенотип со сложным разнообразием судорог, аутизма и психиатрических нарушений^34,35. Метод SNP также является новой техникой в сравнении с CGH, который выявляет CNVs³⁶. Новое генетическое нарушение, родственное ID с 3q29 микроделецией описано с использованием техники микромассивов³⁷.

Whole exome sequencing (WES) является эффективной технологией, которая может усилить диагностику, когда исследуются аллели, вызывающие редкие Менделирующие нарушения. Анализ экзома исследует белок кодирующие регионы, где оказывается 85% болезнь-вызывающих мутаций³⁸. Это неоценимый инструмент для обнаружения генов для ID. WES был осуществлен у членов трех семей с аутосомно доминантной ID (MRD44; 617061) , он выявил гетерозиготную мутацию, делецию в 1 bp (c.4466delA, NM_007118) в экзоне 30 гена TRIO. Эта мутация к сдвигу рамки считывания и преждевременному окончанию (Gln1489ArgfsTer11) в домене GEFD1. 9-летняя девочка с аутосомно доминантной ID также несла de novo гетерозиготную c.3239A-T transversion (c.3239A-T, NM_007118) в экзоне 19 гена TRIO, которая вызывала изменения в домене с повторами spectrin³⁹. Whole genome sequencing (WGS) позволяет исследовать single-nucleotide variants (SNVs), indels, structural variants (SVs) и CNVs в части генома ~1%, которые кодирует белковые последовательности и ~99% оставшихся некодирующих последовательностях. Следовательно, WGS дает более надежное покрытие последовательностей с большей униформностью. Очевидно, чтобы выявить больше новых вариантов и генов и получать новые научные и клинические находки для ID. С быстрым падением цены на секвенирование и способности WGS быстро обрабатывать большие объемы данных, этот метод становится мощным инструментом для геномных исследований.

Нарушения одиночных генов группируются в разные типы, базируясь на характере наследования^40.

Аутосомно рецессивные ID генетически гетерогенны⁴¹. Эти ID проявляются в виде синдромальных и не синдромальных форм. Синдромальный тип ID характеризуется интелектуальными проблемами, сопровождаемые группой др. фенотипических отклонений⁴². Не синдромальные ID характеризуются отсутствием ассоциированной патологии. Гены, сцепленные с не синдромальными ID, были изучены, чтобы понять нормальную изменчивость умственных способностей⁴³. Различия в intelligence quotient (IQ) сцеплены с такими генами, которые также могут вызывать крупные отклонения в умственной способности, будучи мутантными. Картирование гомозиготности производилось для определения аутосомно рецессивных случаев ID в близкородственных семьях с затронутыми детьми⁴⁴. OMIM и SysID (http://sysid.cmbi.umcn.nl/) результаты исследований показали, что 399 генов могут вызывать аутосомно рецессивную ID (see Table 2, Extended data).

Характер наследования аутосомно доминантных ID соответствует тому, когда индивид является носителем одной копии мутантного аллеля и одного нормального аллеля гена. Аутосомно доминантные ID вызываются гетерозиготными мутациями в разных генах и ЦНС. Tuberous sclerosis, neurofibromatosis и myotonic dystrophy являются аутосомно доминантными нарушениями, сцепленными с ID⁴⁵. Анализ микромассивов SNP из гена с methyl связывающим доменом на хромосоме 2q23.1 показал, что делеция в 200 kb в экзоне 6 у пациенток ассоциирует с аутосомно доминантным ID⁴⁶. Трудно подсчитать частоту мутаций в аутосомно доминантных ID генах. ARID1B, SYNGAP1, DYRK1A, MED13L, KCNQ2, CTNNB1, STXB1, KMT2A, PACS1, FOXP1 и SMARCA2 являются наиболее распространенными мутантными аутосомно доминантными ID генами^47,48. Некоторые из этих генов важны для дифференцировки нейронов в развивающемся головном мозге и играют важные роли в формировании синапсов и передачи в них⁴⁹. Результаты нашего поиска в OMIM показали, что всего около 180 генов или локусов описано в литературе и участвуют в аутосомно доминантных ID (see Table 3, Extended data).

У человека X хромосома представляет 5% генома человека, но растет количество генетических болезней, ассоциированных с X хромосомой; приблизительно 10-12% генов в X хромосоме сцеплены с ID⁵⁰. Синдром X-сцепленной ломкой Х хромосомы возникает на хромосоме Xq27.3 в гене FMR1 в 5' untranslated region (UTR) благодаря экспансии тринуклеотидных повторов CGG⁵¹. Синдром ломкой Х клинически характеризуется как ID; фенотипически пациенты обнаруживают дисморфию лица и выступающие уши. FMR1 кодирует белок, который обеспечивает стабильность РНК и играет ключевую роль в развитии головного мозга и пластичности нейронов. Дефицит белка FMRP вызывает супрессию или возбуждение GABA, это вызывает уменьшение синаптических связей, приводя к синдромальным признакам у пациентов⁵². Ряд новых X-сцепленных ID генов указывает на увеличивающуюся быстроту в последние несколько лет при использовании NGS. Известно более 140 X-сцепленных генов^53,54.

Разные техники были использованы для идентификации новых генов, вызывающих ID. Для идентификации новых или генов кандидатов в затронутых семьях необходимо реконструировать родословную семьи и осуществить некоторые клинические исследования прежде, чем прийти к определенному выводу^55,56. Введение новой мощной технологии микромассивов увеличило силу идентификации; SNP массивы могут выявлять небольшие делеции и микродупликации у пробандов⁵⁷. NGS повышает скорость идентификации новых вызывающих ID, генов. NGS технология становится очень популярной в последние 5 лет, при этом описано существенное количество новых ID генов и генов кандидатов. NGS может выявлять SNVs и малые инверсии и делеции по всему геному.

Биологические методы могут быть использованы для изучения любого неустановленного варианта и его роли или патогенности. Эти методы могут использоваться в мутантных клетках, а также непосредственно в клетках, полученных от пациентов⁵⁸. Чтобы идентифицировать патогенность кандидатов на роль ID генов, используются электрофизиологические исследования SH-SY5Y линий нейрональных клеток с помощью очень мощного подхода⁵⁹ , чтобы установить раннее кортикальное развитие с высокой точностью, помогая тем самым изучению генов, влияющих на раннее развитие коры головного мозга, и связанные с ID⁶⁰. In vivo исследования ID генов кандидатов предоставили дополнительную информацию относительно патогенности. Разные модельные животные могут быть использованы для изучения ID генов. CRBN knockout (CrbnKO) мыши были использованы для изучения обучаемости и памяти. Потеря CRBN приводит к проблемам с памятью, обучением, если активность AMPK ускоряется, блокируется передача сигналов mTORC1 и снижается уровень glutamatergic синаптических белков. Эти находки показывают, что CrbnKO мыши являются идеальной моделью для понимания молекулярных механизмов обучения и проблем с памятью у ID пациентов⁶¹. В качестве модели используются также рыбки дани для изучения функции генов, ассоциированных с ID. Рыбки данио обладают уникальными свойствами, включая быстрое развитие эмбрионов, легкую визуализацию нервной системы во время развития, что делает их идеальным организмом для изучения функции генов. Может быть осуществлено сравнение избыточной экспрессии для дикого типа гена PK1A и ортолога PK1A у рыбок данио. В этом случае мутантные рыбки данио обнаруживают тяжелые фенотипические отклонения по сравнению с диким типом, а мутантный ген PK1A обнаруживается у пациентов с эпилепсией. Эти результаты подтверждают функции in vivo PK1A⁶². Кроме того, ген TAF1 связан с ID. Функциональные исследования этого гена были осуществлены с использованием модельных нокаутных рыбок данио. Наблюдались тяжелые фенотипические отклонения во время эмбрионального развития и нейрального развития у рыбок данио с нокаутом TAF1⁶³. Гетерогенность ID затрудняет оценку генов кандидатов как причины IDs, но исследования in vitro и in vivo предоставляют основания для уверенной идентификации определенных генов. Транскриптомика одиночных клеток и количественная протеомика также могут быть использованы для улучшения нашего понимания глобальных изменений в ЦНС, когда доступны организмы с отредактированным геномом.

Идентификация причинных генов и их функциональный анализ необходимы для дальнешего понимания механизмов болезней, особенно для потенциальной терапии, даже когда мы не достигли полного понимания биологических функций. Подход CRISPR-Cas9 является системой нуклеаз, контролирующих РНК, он оказался важным для редактирования генов и соотв. мутантных генов. Он предоставляет потенциальную возможность для лечения генетических нарушений, вызывающих ID (Figure 3). Эта система недавно была применена к геному млекопитающих, чтобы остановить экспрессию болезненного гена и тем самым отредактировать мутантный ген и скорректировать мутацию. CRISPR-Cas9 технология обладает возможностью лечения болезней, для которых недоступно обычное лечение, таких как болезни экспансии тринуклеотидных повторов, вызывающие нейрологические нарушения⁶⁴. CRISPR-Cas9 система была использована при синдроме ломкой Х хромосомы, вызываемой экспансией тринуклеотидных повторов, которая приводит к ухудшению уровней белка FMR1, и у моделей болезни Huntington (HD). Не существует лечения этих болезней⁶⁵. Induced pluripotent stem cells (iPSCs) от пациентов с синдромом ломкой Х с FRX геном, стоящим выше CGH повторов, вызывали целенаправленную экспрессию CRISPR-Cas9 нуклеазы вместе с single guide RNA (sgRNA) и в результате происходила реактивация FMR1 белка⁶⁶. Дальнейший анализ показал, что метод с двумя sgRNA-guided , которые имеют на флангах тринуклеотидные CGG повторы, вызывают разрывы двойной нити и рекомбинацию, приводя к разрывам и делеции повторов. Делеция повторов приводит к увеличению уровня белка FMR1⁶⁷. HD вызывается экспансией тринуклеотидных повторов в кодирующем регионе huntingtin gгена (HTT)⁶⁸. Система CRISPR-Cas9 была использована недавно для лечения HD. iPSCs, происходящие от HD пациента были откорректированы с использованием CRISPR-Cas9, которая избирательно инактивировала мутантный HTT ген, не изменяя нормальный аллель того же гена^69,70. Линия клеток фибробластов пациентов с HD была использована, чтобы показать, что CAG повторы могут быть с точностью удалены из HTT гена с использованием CRISPR-Cas9 nickase ⁷¹. Эта техника редактирования генома сможет снижать риск редактирования генома вне мишени и эпигенетических изменений в результате дальнейших поисков. Достижение соотв. степени биобезопасности редактирования генома, чтобы предупреждать загрязнения важно, также как и обеспечение биобезопасности редактирования генов ⁷².

The prevalence of ID varies from country to country, and it is especially low in developed countries as compared to less-developed countries^73,74. The identification of genes causing ID rapidly increased over the past 3 to 5 years owing to the use of sophisticated sequencing techniques. The diagnosis of ID patients became easy with new massively parallel sequencing methods and the help of different human variant databases. The heterogeneity of ID makes it difficult for etiological diagnosis; however, WES is likely to be used as the first-line test for ID probands. NGS improves our understanding of the genetic origin of ID. Not all ID-causing genes have been identified yet, but a combined approach of sequencing techniques, functional analysis, and bioinformatics will help to identify new ID-causing genes. This approach will potentially provide a new way of treating ID. Although ID genes can be therapeutically targeted using the CRISPR-Cas-9 system, this method and its application in mammals is still emerging, and many regulatory, methodological, and off-target effects still need to be understood.

The genomic understanding of ID has primarily come from developed countries, and our knowledge in developing countries is very limited. This is important, as many of these countries have a young population and culturally prefer large families, indicating that the burden of ID and other childhood disorders will increase before technology is developed enough to treat these conditions. Therefore, early diagnosis, education, and genetic counseling will be important for families suffering with these conditions. In addition, many of the genes in developing countries are likely to have founder effects that may be amenable to diagnosis in cultural groups and demographic areas, accelerating diagnosis and revealing carrier status to help family planning.