发现语言和阅读障碍的遗传原因

简介

语言是在家庭和团体中将人们维系在一起的纽带。它能让我们表达需要，请求帮助，分享内心深处的需求和渴望。我们大部分人都认为说话是一种简单直接的交流方式。但是，对于大约10%的语言障碍（包括发育性语言障碍（难以掌握语言的基础，例如语法）或特定阅读障碍（虽然智力正常，但难以掌握阅读））患者来说，这绝非易事。¹语言障碍包括以下方面的困难：言语或书写；理解含义、语法或句法；阅读和拼写。由于许多此类疾病具有家族聚集性，因此科学家们长期以来一直认为遗传因素在语言障碍的发生中起着重要的作用。除了一些重要的例外，例如人们已经发现FOXP2基因的突变能导致某些家庭中的言语运用障碍（难以清楚地说话），语言障碍的遗传机制仍不清楚。

耶鲁大学遗传学家Elena Grigorenko博士在俄罗斯莫斯科国立大学读本科和研究生时对神经学和儿童发育的遗传学机制产生了兴趣。在25年的职业生涯中，她大部分时间都在研究与儿童发育、语言障碍和其他残疾相关的遗传因素。在1990年获得心理学博士学位（在当时的苏联）后，她来到耶鲁，获得了发育心理学和遗传学博士学位，随后建立了一个行为和分子遗传学研究实验室（Elena Grigorenko lab，EGLAB）。她即将到休斯顿大学和贝勒医学院担任一个新职位。

“在俄罗斯，我不可能进行我想做的那种人类行为研究，”Grigorenko博士说。“当我来到美国开始在耶鲁工作时，我发现这似乎是发展这一研究领域的大好机会。我的实验室主要研究多种发育性疾病，包括语言障碍、学习障碍（例如阅读障碍）和行为举止（儿童和青少年的破坏性和/或暴力行为模式）。”

她的职业让她目睹并参与了从桑格测序到芯片再到新一代测序（NGS）的转变。Grigorenko博士、Sergey Kornilov博士（研究生助理）、Maria Lee Eastman（研究助理）和他们实验室的同事使用Illumina Infinium芯片和HiSeq系统来鉴定了参与正常儿童大脑发育的基因，以及影响儿童理解能力和/或形成正常语言能力的突变。

最初使用RFLP和STRP来进行遗传学研究

遗传学研究表明，发育性言语和语言障碍具有很强的遗传性。研究人员现在认为这些疾病是许多基因协同作用的结果。虽然有些儿童长大后克服了语言障碍，但另一些孩子却没有。这部分儿童最有可能表现出学业和精神上的障碍。鉴定与语言障碍有关的特定遗传途径能帮助科学家了解大脑的语言发育和语言处理。

Grigorenko在耶鲁建立EGLAB时，她主要使用桑格测序和基于限制性片段长度多态性（RFLP）和短串联重复序列多态性（STRP）的基因分型来了解语言和发育障碍的复杂遗传机制。她随后引入了DNA芯片技术来帮助科学家建立单核苷酸多态性（SNP）与特定性状的关联。Grigorenko博士是申请NIH基金来进行基于芯片的语言障碍研究的首批科学家之一。

Infinium芯片表现出色

Grigorenko曾将芯片研究外包给Keck Core实验室，该实验室现在称为耶鲁基因组分析中心。随着时间的推移，她开始进行更多特定类型的基因分型、基因表达和甲基化研究。

“我们咨询了校园内其他实验室中正在进行基因分型、基因表达和表观遗传学工作的四五名首席研究员（PI）”Grigorenko补充道。“在我们使用Infinium芯片来加快速度时，我们意识到耶鲁有很多可以利用的本地专业经验，我们可以打电话或去他们的实验室咨询问题。”

“Infinium BeadChip经济、可靠、稳定，”Eastman女士说，“我们用Infinium芯片处理了5000多个样本，目前仍在整理数据。这些芯片易于使用并且信息丰富。”

过去十年中，EGLAB使用了多种Infinium全基因组关联研究（GWAS）芯片，包括HumanCoreExome和定制Infinium BeadChip。他们还使用HumanMethylation450 BeadChip进行了表观遗传学研究。

“Infinium BeadChip经济、可靠、稳定。”

开始使用NGS

在Eastman女士加入EGLAB后不久，NGS变得更加实惠，Grigorenko博士认为他们已经准备好将基于NGS的研究引入实验室。实验室已经熟悉了Illumina的产品，并且他们还认识许多使用HiSeq系统的研究人员，这使他们很容易做出决定。EGLAB最开始使用HiSeq系统进行了一个小型试点项目，研究了不同年龄的新皮层的3个不同区域的转录组。²他们还开始在HiSeq系统上进行ChIP-Seq表观遗传学研究。

“HiSeq系统的数据质量是一流的，”Grigorenko博士说。“令我们始料不及的是，测序带来了新的分析和数据管理方面的挑战，而我们最初还没有做好准备。我们与有NGS经验的同事和Illumina进行了合作来确定如何高效地处理数据。”

“HiSeq系统的数据质量是一流的。”

利用HiSeq系统鉴定遗传变异

EGLAB团队一直在用HiSeq系统稳定地鉴定影响语言和阅读能力的基因。与其他语言障碍一样，研究人员知道遗传机制对阅读障碍有重要影响，虽然很少有工作将阅读能力与特定SNP联系起来。在2013年的一项研究中，Grigorenko博士和来自耶鲁以及哈斯金斯实验室的同事发现，携带儿茶酚-O-甲基转移酶（COMT）基因的替换突变（rs4680处原本的缬氨酸被替换为甲硫氨酸）的个体在阅读相关的测试中表现更好。³他们还发现了与更好的阅读技能相关的神经激活模式。由于其他研究已经将这种多态性与对整体认知的广泛影响联系了起来，这让Grigorenko博士认为它有可能通过额叶的功能来调节阅读能力。这些类型的多态性，以及基因表达的发育变化，似乎在大脑发育和语言障碍的发展中起着重要作用。⁴

最近，Grigorenko博士和她实验室的成员开始进行全外显子组测序来了解儿童的语言障碍和行为障碍。⁵耶鲁孟德尔基因组学中心的研究人员联系了他们，询问他们的研究是否有发现有趣或独特的谱系样本具有以孟德尔方式分离的特定疾病，在这之后，他们就开始了这一工作。Grigorenko仔细查看了她收集的样本，鉴定出了多个孟德尔分离片段，并对这些样本中的一部分进行了测序。Grigorenko发现这些数据让人惊奇不已。

“语言反射提供了有趣的发现，它指出了一条在大脑成熟的不同阶段似乎都存在异常的高度重要的发育通路，”Grigorenko博士说道，“从测序数据中获得线索后，我们查看了公开可用的大脑表达数据。我们发现了让我们的故事更有说服力、更有趣的相互印证的证据。我们对这种模式的结果非常满意，它与零散地分布在文献中的以往的结果高度一致。”5

“开始在研究中使用NGS后，我们转而将芯片用于测序结果的验证。”

整合芯片与NGS数据

Grigorenko博士和EGLAB以及其他耶鲁实验室的同事还开始了一项整合多种测序技术和分析方法的新研究。该实验室与Matt State博士的实验室合作，在2012年发表了一篇有关一名被诊断为发育性语言障碍的小男孩的案例研究。⁶他的DNA测序结果显示了一个平衡的t(10;15)(q24.1;q21.1)易位。15q21.1上的断点破坏了编码SEMA6D的基因，它属于信号素蛋白家族，该家族参与了大脑发育中的轴突寻路。由于该基因与一名儿童的语言障碍有关，Grigorenko博士和她的同事推测，该基因的多态性可能也会影响其他儿童的语言障碍。因此，他们开始了一项靶向测序研究，该研究对更多的语言障碍儿童进行了SEMA6D基因的测序，看能否找到一些关联。

“SEMA6D基因很大（55,735 bp），我们正在测序，但是速度有些慢，”Grigorenko博士说。

Grigorenko博士发现，将研究中的芯片数据和NGS数据结合起来是非常有帮助的。在一项研究中，他们的芯片结果与NGS的结果不能直接匹配。5但仔细观察后发现它们是高度互补的，并汇聚到了一个特定的通路上。

“当你把它放在文献的背景中来看时，这一切都更有意义，有关一个基因的一个发现为所有事件提供了一个汇聚点，”Grigorenko博士说道，“这一发现让我们非常兴奋。”

Eastman女士发现两种类型的遗传分析数据对于获得有意义的结果都至关重要。“我们喜欢芯片，因为它们提供的通量比手动进行SNP基因分型分析要高，”Eastman女士说道，“开始在研究中使用NGS后，我们转而将芯片用于测序结果的验证。”

继续向前

Grigorenko博士和她的同事对使用表达数量性状位点（eQTL）定位来检测多态性很感兴趣。eQTL是基因组中的多个区域，其中有能影响一个或多个基因的表达水平的DNA序列变异。Grigorenko博士说：“发育性疾病是复杂的、多方面的，并且表型会随着发育而改变，我们开始使用eQTL定位和NGS数据来检测这些复杂表型的遗传变异。这非常令人激动。”

深入了解本文提及的Illumina产品和系统：

Infinium HumanCoreExome BeadChip，www.illumina.com/products/humancore_exome_beadchip_kits.html

Infinium HumanMethylation450 BeadChip，www.illumina.com/products/methylation_450_beadchip_kits.html

Infinium iSelect™ Custom Genotyping BeadChip，www.illumina.com/products/infinium_iselect_custom_genotyping_beadchips.html

HiSeq 2500系统，www.illumina.com/systems/hiseq_2500_1500.html

参考文献

1. Spoken Language Disorders.American Speech-Language-Hearing Association.www.asha.org/PRPSpecificTopic.aspx?folderid=8589935327&section=Incidence_and_Prevalence.Accessed February 22, 2016.
2. Naumova OY, Palejev D, Viasova NV, et al.Age-related changes of gene expression in the neocortex: preliminary data on RNA-Seq of the transcriptome in three functionally distinct cortical areas.Dev Psychopathol.2012;24(4):1427-1442.
3. Landi N, Frost SJ, Menci WE, et al.The COMT Val/Met polymorphism is associated with reading related skills and consistent patterns of functional neural activation.Dev Sci.2013;16(1):13-23.
4. Naumova OY, Lee M, Rychkov SY, et al.Gene Expression in the Human Brain: The Current State of Study of Specificity and Spatio-Temporal Dynamics.Child Dev.2013;84(1):76–88.
5. Kornilov S, Rakhlin N, Koposov R et al.Genome-wide association and exome sequencing study of language disorder in an isolated population.Pediatrics.2016; pii:peds.2015–2469.[Epub ahead of print].
6. Ercan-Sencicek AG, Davis Wright NR, Sanders SJ, et al.A balanced t(10;15) translocation in a male patient with developmental language disorder.Eur J Med Genet.2012;55(2):128–131.