Abstract The use of spoken and written language is a capacity that is unique to humans. Individual differences in reading- and language-related skills are influenced by genetic variation, with twin-based heritability estimates of 30-80%, depending on the trait. The relevant genetic architecture is complex, heterogeneous, and multifactorial, and yet to be investigated with well-powered studies. Here, we present a multicohort genome-wide association study (GWAS) of five traits assessed individually using psychometric measures: word reading, nonword reading, spelling, phoneme awareness, and nonword repetition, with total sample sizes ranging from 13,633 to 33,959 participants aged 5-26 years (12,411 to 27,180 for those with European ancestry, defined by principal component analyses). We identified a genome-wide significant association with word reading (rs11208009, p=1.098 × 10 −8 ) independent of known loci associated with intelligence or educational attainment. All five reading-/language-related traits had robust SNP-heritability estimates (0.13–0.26), and genetic correlations between them were modest to high. Using genomic structural equation modelling, we found evidence for a shared genetic factor explaining the majority of variation in word and nonword reading, spelling, and phoneme awareness, which only partially overlapped with genetic variation contributing to nonword repetition, intelligence and educational attainment. A multivariate GWAS was performed to jointly analyse word and nonword reading, spelling, and phoneme awareness, maximizing power for follow-up investigation. Genetic correlation analysis of multivariate GWAS results with neuroimaging traits identified association with cortical surface area of the banks of the left superior temporal sulcus, a brain region with known links to processing of spoken and written language. Analysis of evolutionary annotations on the lineage that led to modern humans showed enriched heritability in regions depleted of Neanderthal variants. Together, these results provide new avenues for deciphering the biological underpinnings of these uniquely human traits.

Abstract Handedness is the most commonly investigated lateralised phenotype and is usually measured as a binary left/right category. Its links with psychiatric and neurodevelopmental disorders prompted studies aimed at understanding the underlying genetics, while other measures and side preferences have been less studied. We investigated the heritability of hand, as well as foot, and eye preference by assessing parental effects ( n ≤ 5 028 family trios) and SNP-based heritability (SNP-h 2 , n ≤ 5 931 children) in the Avon Longitudinal Study of Parents and Children (ALSPAC). An independent twin cohort from Hong Kong ( n = 358) was used to replicate results from structural equation modelling (SEM). Parental left-side preference increased the chance of an individual to be left-sided for the same trait, with stronger maternal than paternal effects for footedness. By regressing out the effects of sex, age, and ancestry, we transformed laterality categories into quantitative measures. The SNP-h 2 for quantitative handedness and footedness was .21 and .23, respectively, which is higher than the SNP-h 2 reported in larger genetic studies using binary handedness measures. The heritability of the quantitative measure of handedness increased (.45) compared to a binary measure for writing hand (.27) in the Hong Kong twins. Genomic and behavioural SEM identified a shared genetic factor contributing to handedness, footedness, and eyedness, but no independent effects on individual phenotypes. Our analysis demonstrates how quantitative multidimensional laterality phenotypes are better suited to capture the underlying genetics than binary traits.

Abstract An efficient auditory system contributes to cognitive and psychosocial development. A right ear advantage in hearing thresholds (HT) has been described in adults and atypical patterns of left/right hearing threshold asymmetry (HTA) have been described for psychiatric and neurodevelopmental conditions. Previous genome-wide association studies (GWAS) on HT have mainly been conducted in elderly participants whose hearing is more likely to be affected by external environmental factors. We analyzed HT and HTA in a children population cohort (ALSPAC, n = 6,743). Better hearing was associated with better cognitive performance and higher socioeconomic status (SES). At the group level, HTA suggested a left ear advantage (mean = -0.28 dB) that was mainly driven by females. SNP heritability for HT and HTA was 0.17 and 0.01, respectively ( n = 5,344). Genetic correlation analysis confirmed associations between HT, reading ability, listening comprehension, and GCSE scores. GWAS for HT did not yield significant hits but polygenic risk score (PRS) analysis showed significant associations of higher educational attainment (EA, ß = -1564.72, p = .008) and risk for schizophrenia (ß = -241.14, p = .004) with lower HT, i.e. better hearing. In summary, we report new data supporting associations between hearing measures and cognitive abilities at the behavioral level. Genetic analysis suggests shared biological pathways between cognitive and sensory systems and provides evidence for a positive outcome of genetic risk for schizophrenia.

Abstract The frequency of left-handedness in humans is ∼10% worldwide and slightly higher in males than females. Twin and family studies estimate the heritability of human handedness at around 25%. The low but substantial frequency of left-handedness has been suggested to imply negative frequency-dependent selection, e.g. owing to a “surprise” advantage of left-handers in combat against opponents more used to fighting right-handers. Because such game-theoretic hypotheses involve social interaction, here, we perform an analysis of the evolution of handedness based on kin-selection, which is understood to play a major role in the evolution of social behaviour generally. We show that: (1) relatedness modulates the balance of right-handedness versus left-handedness, according to whether left-handedness is marginally selfish versus marginally altruistic; (2) sex differences in relatedness to social partners may drive sex differences in handedness; (3) differential relatedness of parents and offspring may generate parent-offspring conflict and sexual conflict leading to the evolution of maternal and paternal genetic effects in relation to handedness; and (4) differential relatedness of maternal-origin versus paternal-origin genes may generate intragenomic conflict leading to the evolution of parent-of-origin-specific gene effects—such as “genomic imprinting”—and associated maladaptation.

Growth delay and retardation are complex phenotypes which can results by a range of factors including genetics variants. We identified a novel homozygous frameshift mutation, c.892dupA, in SPART gene, in two brothers with short stature and psychomotor retardation, born from healthy consanguineous parents. Mutations in SPART are the cause of Troyer syndrome, an autosomal recessive form of spastic paraplegia resulting in muscle weakness, short stature and cognitive defects. SPART encodes for Spartin, a protein with different cellular functions, such as endosomal trafficking and mitochondrial stability. We evaluated the effects of Spartin loss by transiently silencing SPART in human neural stem cells (hNSCs) and by generating an SH-SY5Y cell line model carrying the c.892dupA mutation via CRISPR/Cas9. In both models, we observed an altered neuronal growth and an increase in neurite outgrowth. In the SH-SY5Y cell line carrying the c.892dupA mutation, Spartin absence led to an altered distribution of mitochondria, and to a severe decrease in the NADH-dehydrogenase activity of mitochondrial Complex I. These impairments determined an energetic failure with a decrease in ATP synthesis due to a halt in mitochondrial oxidative phosphorylation, increased reactive oxygen species production, and alteration in intracellular Ca2+ homeostasis. Transient re-expression of Spartin in mutant cells restored an intracellular Ca2+ level. Mutant cells presented a significant increase in extracellular pyruvate, which may result from increased glycolysis due to impaired Complex I activity. Consistently, Spartin loss led to an over-activation of Signal Transducer and Activator of Transcription 3 (STAT3) factor, a key regulator of glycolysis. These data demonstrate that Spartin loss leads to a profound bioenergetics imbalance with defective OXPHOS activity, and this altered metabolism might underlie Troyer syndrome and neurodevelopmental delays.

Dyslexia is a common neurodevelopmental disorder with a strong genetic component. Independent genetic association studies have implicated the KIAA0319 gene in dyslexia, however its function is still unknown. We developed a cellular knockout model for KIAA0319 in RPE1 cells via CRISPR-Cas9n to investigate its role in processes suggested but not confirmed in previous studies, including cilia formation and cell migration. We found that KIAA0319 knockout increased cilia length and accelerated cell migration. Using Elastic Resonator Interference Stress Microscopy (ERISM), we detected an increase in cellular force for the knockout cells that was restored by a rescue experiment. Combining ERISM and immunostaining showed that KIAA0319 depletion reduced the number of podosomes formed by the cells. Our results suggest an involvement of KIAA0319 in mechanosensing and force regulation and shows for the first time that podosomes exert highly dynamic, piconewton vertical forces in epithelial cells.

Dyslexia is a common neurodevelopmental disorder that affects reading abilities and is predicted to be caused by a significant genetic component. Very few genetic susceptibility factors have been identified so far and amongst those, KIAA0319 is a key candidate. KIAA0319 is highly expressed during brain development but its function remains poorly understood. Initial RNA-interference studies in rats suggested a role in neuronal migration whereas subsequent work with double knock-out mouse models for both Kiaa0319 and its paralogue Kiaa0319-like reported effects in the auditory system but not in neuronal migration. To further understand the role of KIAA0319 during neurodevelopment, we carried out an expression study of the zebrafish orthologue at different embryonic stages. We report particularly high gene expression during the first few hours of development. At later stages, expression becomes localised in well-defined structures such as the eyes, the telencephalon and the notochord, supporting a role for kiaa0319 that is not restricted to brain development. Surprisingly, kiaa0319-like, which generally shows a similar expression pattern, was not expressed in the notochord suggesting a role specific to kiaa0319 in this structure. This study contributes to our understanding of KIAA0319 function during embryonic development which might involve additional roles in the visual system and in the notochord. Such a specific spatiotemporal expression pattern is likely to be under the controlled of tightly regulated sequences. Therefore, these data provide a framework to interpret the effects of the dyslexia-associated genetic variants that reside in KIAA0319 non-coding regulatory regions.

Developmental dyslexia (DD) is one of the most prevalent learning disorders among children and is characterized by deficits in different cognitive skills, including reading, spelling, short term memory and others. To help unravel the genetic basis of these skills, we conducted a Genome Wide Association Study (GWAS), including nine cohorts of reading-impaired and typically developing children of European ancestry, recruited across different countries (N=2,562-3,468). We observed a genome-wide significant effect (p<1x10-8) on rapid automatized naming of letters (RANlet) for variants on 18q12.2 within MIR924HG (micro-RNA 924 host gene; p = 4.73x10-9), and a suggestive association on 8q12.3 within NKAIN3 (encoding a cation transporter; p = 2.25x10-8). RAN represents one of the best universal predictors of reading fluency across orthographies and linkage to RAN has been previously reported within CELF4 (18q12.2), a gene highly expressed in the fetal brain which is co-expressed with NKAIN3 and predicted to be a target of MIR924. These findings suggest new candidate DD susceptibility genes and provide insights into the genetics and neurobiology of dyslexia.

Abstract Left-right asymmetries in the nervous system (lateralisation) influence a broad range of behaviours, from social responses to navigation and language. The role and pathways of endogenous and environmental mechanisms in the ontogeny of lateralisation remains to be established. The domestic chick is a model of both endogenous and experience-induced lateralisation driven by light exposure. Following the endogenous rightward rotation of the embryo, the asymmetrical position in the egg results in a greater exposure of the right eye to environmental light. To identify the genetic pathways activated by asymmetric light stimulation, and their time course, we exposed embryos to different light regimes: darkness, 6 hours of light and 24 hours of light. We used RNA-seq to compare gene expression in the right and left retinas and telencephalon. As expected, no differential expression between left and right was present in darkness. We detected differential gene expression in right vs left retina after 6 hours of light exposure. This difference disappeared before 24 hours of light exposure, suggesting that light-induced activation is a self-terminating phenomenon. This transient effect of light exposure was associated with a downregulation of the sensitive-period mediator gene DIO2 (iodothyronine deiodinase 2) in the right retina. No differences between genes expressed in the right vs. left telencephalon were detected. Gene networks associated with lateralisation were connected to vascularisation, cell motility, and the extracellular matrix. Interestingly, we know that the extracellular matrix– including the differentially expressed PDGFRB (platelet-derived growth factor receptor β) gene – is involved in both sensitive periods and in the endogenous chiral mechanism of primary cilia, that drives lateralisation. Our data show a similarity between endogenous and experience-driven lateralisation, identifying functional gene networks that affect lateralisation in a specific time window.

Abstract The frequency of left-handedness in humans is ∼10% worldwide and slightly higher in males than females. Twin and family studies estimate the heritability of human handedness at around 25%. The low but substantial frequency of left-handedness has been suggested to imply negative frequency-dependent selection, e.g. owing to a “surprise” advantage of left-handers in combat against opponents more used to fighting right-handers. Because such game-theoretic hypotheses involve social interaction, here, we perform an analysis of the evolution of handedness based on kin-selection, which is understood to play a major role in the evolution of social behaviour generally. We show that: (1) relatedness modulates the balance of right-handedness versus left-handedness, according to whether left- handedness is marginally selfish versus marginally altruistic; (2) sex differences in relatedness to social partners may drive sex differences in handedness; (3) differential relatedness of parents and offspring may generate parent-offspring conflict and sexual conflict leading to the evolution of maternal and paternal genetic effects in relation to handedness; and (4) differential relatedness of maternal-origin versus paternal-origin genes may generate intragenomic conflict leading to the evolution of parent-of-origin-specific gene effects—such as “genomic imprinting”—and associated maladaptation.