Individuals affected with developmental disorders of speech and language have substantial difficulty acquiring expressive and/or receptive language in the absence of any profound sensory or neurological impairment and despite adequate intelligence and opportunity. Although studies of twins consistently indicate that a significant genetic component is involved, most families segregating speech and language deficits show complex patterns of inheritance, and a gene that predisposes individuals to such disorders has not been identified. We have studied a unique three-generation pedigree, KE, in which a severe speech and language disorder is transmitted as an autosomal-dominant monogenic trait. Our previous work mapped the locus responsible, SPCH1, to a 5.6-cM interval of region 7q31 on chromosome 7 (ref. 5). We also identified an unrelated individual, CS, in whom speech and language impairment is associated with a chromosomal translocation involving the SPCH1 interval. Here we show that the gene FOXP2, which encodes a putative transcription factor containing a polyglutamine tract and a forkhead DNA-binding domain, is directly disrupted by the translocation breakpoint in CS. In addition, we identify a point mutation in affected members of the KE family that alters an invariant amino-acid residue in the forkhead domain. Our findings suggest that FOXP2 is involved in the developmental process that culminates in speech and language.

Language is a uniquely human trait likely to have been a prerequisite for the development of human culture. The ability to develop articulate speech relies on capabilities, such as fine control of the larynx and mouth1, that are absent in chimpanzees and other great apes. FOXP2 is the first gene relevant to the human ability to develop language2. A point mutation in FOXP2 co-segregates with a disorder in a family in which half of the members have severe articulation difficulties accompanied by linguistic and grammatical impairment3. This gene is disrupted by translocation in an unrelated individual who has a similar disorder. Thus, two functional copies of FOXP2 seem to be required for acquisition of normal spoken language. We sequenced the complementary DNAs that encode the FOXP2 protein in the chimpanzee, gorilla, orang-utan, rhesus macaque and mouse, and compared them with the human cDNA. We also investigated intraspecific variation of the human FOXP2 gene. Here we show that human FOXP2 contains changes in amino-acid coding and a pattern of nucleotide polymorphism, which strongly suggest that this gene has been the target of selection during recent human evolution.

Evan Eichler, Jay Shendure and colleagues sequenced the exomes of 20 sporadic cases of autism spectrum disorder and their unaffected parents. They identified potentially causative de novo mutations in four cases, including a frameshift in FOXP1, a splice-site mutation in GRIN2B and missense variants in SCN1A and LAMC3. Evidence for the etiology of autism spectrum disorders (ASDs) has consistently pointed to a strong genetic component complicated by substantial locus heterogeneity1,2. We sequenced the exomes of 20 individuals with sporadic ASD (cases) and their parents, reasoning that these families would be enriched for de novo mutations of major effect. We identified 21 de novo mutations, 11 of which were protein altering. Protein-altering mutations were significantly enriched for changes at highly conserved residues. We identified potentially causative de novo events in 4 out of 20 probands, particularly among more severely affected individuals, in FOXP1, GRIN2B, SCN1A and LAMC3. In the FOXP1 mutation carrier, we also observed a rare inherited CNTNAP2 missense variant, and we provide functional support for a multi-hit model for disease risk3. Our results show that trio-based exome sequencing is a powerful approach for identifying new candidate genes for ASDs and suggest that de novo mutations may contribute substantially to the genetic etiology of ASDs.

Kidney stones (nephrolithiasis), which affect 12% of males and 5% of females in the western world, are familial in 45% of patients and are most commonly associated with hypercalciuria. Three disorders of hypercalciuric nephrolithiasis (Dent's disease, X-linked recessive nephrolithiasis (XRN), and X-linked recessive hypophosphataemic rickets (XLRH)) have been mapped to Xp11.22 (refs 5-7). A microdeletion in one Dent's disease kindred allowed the identification of a candidate gene, CLCN5 (refs 8,9) which encodes a putative renal chloride channel. Here we report the investigation of 11 kindreds with these renal tubular disorders for CLCN5 abnormalities; this identified three nonsense, four missense and two donor splice site mutations, together with one intragenic deletion and one microdeletion encompassing the entire gene. Heterologous expression of wild-type CLCN5 in Xenopus oocytes yielded outwardly rectifying chloride currents, which were either abolished or markedly reduced by the mutations. The common aetiology for Dent's disease, XRN and XLRH indicates that CLCN5 may be involved in other renal tubular disorders associated with kidney stones.

Rare mutations affecting the FOXP2 transcription factor cause a monogenic speech and language disorder. We hypothesized that neural pathways downstream of FOXP2 influence more common phenotypes, such as specific language impairment.

It has been proposed that two amino acid substitutions in the transcription factor FOXP2 have been positively selected during human evolution due to effects on aspects of speech and language. Here, we introduce these substitutions into the endogenous Foxp2 gene of mice. Although these mice are generally healthy, they have qualitatively different ultrasonic vocalizations, decreased exploratory behavior and decreased dopamine concentrations in the brain suggesting that the humanized Foxp2 allele affects basal ganglia. In the striatum, a part of the basal ganglia affected in humans with a speech deficit due to a nonfunctional FOXP2 allele, we find that medium spiny neurons have increased dendrite lengths and increased synaptic plasticity. Since mice carrying one nonfunctional Foxp2 allele show opposite effects, this suggests that alterations in cortico-basal ganglia circuits might have been important for the evolution of speech and language in humans.For a video summary of this article, see the PaperFlick file available with the online Supplemental Data.

Between 2 and 5% of children who are otherwise unimpaired have significant difficulties in acquiring expressive and/or receptive language, despite adequate intelligence and opportunity. While twin studies indicate a significant role for genetic factors in developmental disorders of speech and language, the majority of families segregating such disorders show complex patterns of inheritance, and are thus not amenable for conventional linkage analysis. A rare exception is the KE family, a large three-generation pedigree in which approximately half of the members are affected with a severe speech and language disorder which appears to be transmitted as an autosomal dominant monogenic trait. This family has been widely publicised as suffering primarily from a defect in the use of grammatical suffixation rules, thus supposedly supporting the existence of genes specific to grammar. The phenotype, however, is broader in nature, with virtually every aspect of grammar and of language affected. In addition, affected members have a severe orofacial dyspraxia, and their speech is largely incomprehensible to the naive listener. We initiated a genome-wide search for linkage in the KE family and have identified a region on chromosome 7 which co-segregates with the speech and language disorder (maximum lod score = 6.62 at theta = 0.0), confirming autosomal dominant inheritance with full penetrance. Further analysis of microsatellites from within the region enabled us to fine map the locus responsible (designated SPCH1) to a 5.6-cM interval in 7q31, thus providing an important step towards its identification. Isolation of SPCH1 may offer the first insight into the molecular genetics of the developmental process that culminates in speech and language.

FOXP2, the first gene to have been implicated in a developmental communication disorder, offers a unique entry point into neuromolecular mechanisms influencing human speech and language acquisition. In multiple members of the well-studied KE family, a heterozygous missense mutation in FOXP2 causes problems in sequencing muscle movements required for articulating speech (developmental verbal dyspraxia), accompanied by wider deficits in linguistic and grammatical processing. Chromosomal rearrangements involving this locus have also been identified. Analyses of FOXP2 coding sequence in typical forms of specific language impairment (SLI), autism, and dyslexia have not uncovered any etiological variants. However, no previous study has performed mutation screening of children with a primary diagnosis of verbal dyspraxia, the most overt feature of the disorder in affected members of the KE family. Here, we report investigations of the entire coding region of FOXP2, including alternatively spliced exons, in 49 probands affected with verbal dyspraxia. We detected variants that alter FOXP2 protein sequence in three probands. One such variant is a heterozygous nonsense mutation that yields a dramatically truncated protein product and cosegregates with speech and language difficulties in the proband, his affected sibling, and their mother. Our discovery of the first nonsense mutation in FOXP2 now opens the door for detailed investigations of neurodevelopment in people carrying different etiological variants of the gene. This endeavor will be crucial for gaining insight into the role of FOXP2 in human cognition.

Disruption of FOXP2, a gene encoding a forkhead-domain transcription factor, causes a severe developmental disorder of verbal communication, involving profound articulation deficits, accompanied by linguistic and grammatical impairments. Investigation of the neural basis of this disorder has been limited previously to neuroimaging of affected children and adults. The discovery of the gene responsible, FOXP2, offers a unique opportunity to explore the relevant neural mechanisms from a molecular perspective. In the present study, we have determined the detailed spatial and temporal expression pattern of FOXP2 mRNA in the developing brain of mouse and human. We find expression in several structures including the cortical plate, basal ganglia, thalamus, inferior olives and cerebellum. These data support a role for FOXP2 in the development of corticostriatal and olivocerebellar circuits involved in motor control. We find intriguing concordance between regions of early expression and later sites of pathology suggested by neuroimaging. Moreover, the homologous pattern of FOXP2/Foxp2 expression in human and mouse argues for a role for this gene in development of motor-related circuits throughout mammalian species. Overall, this study provides support for the hypothesis that impairments in sequencing of movement and procedural learning might be central to the FOXP2-related speech and language disorder.

Left–right asymmetrical brain function underlies much of human cognition, behavior and emotion. Abnormalities of cerebral asymmetry are associated with schizophrenia and other neuropsychiatric disorders. The molecular, developmental and evolutionary origins of human brain asymmetry are unknown. We found significant association of a haplotype upstream of the gene LRRTM1 (Leucine-rich repeat transmembrane neuronal 1) with a quantitative measure of human handedness in a set of dyslexic siblings, when the haplotype was inherited paternally (P=0.00002). While we were unable to find this effect in an epidemiological set of twin-based sibships, we did find that the same haplotype is overtransmitted paternally to individuals with schizophrenia/schizoaffective disorder in a study of 1002 affected families (P=0.0014). We then found direct confirmatory evidence that LRRTM1 is an imprinted gene in humans that shows a variable pattern of maternal downregulation. We also showed that LRRTM1 is expressed during the development of specific forebrain structures, and thus could influence neuronal differentiation and connectivity. This is the first potential genetic influence on human handedness to be identified, and the first putative genetic effect on variability in human brain asymmetry. LRRTM1 is a candidate gene for involvement in several common neurodevelopmental disorders, and may have played a role in human cognitive and behavioral evolution.