Background

 Intellectual disability (ID) is characterised by an extreme genetic heterogeneity. Several hundred genes have been associated to monogenic forms of ID, considerably complicating molecular diagnostics. Trio-exome sequencing was recently proposed as a diagnostic approach, yet remains costly for a general implementation. 

Methods

 We report the alternative strategy of targeted high-throughput sequencing of 217 genes in which mutations had been reported in patients with ID or autism as the major clinical concern. We analysed 106 patients with ID of unknown aetiology following array-CGH analysis and other genetic investigations. Ninety per cent of these patients were males, and 75% sporadic cases. 

Results

 We identified 26 causative mutations: 16 in X-linked genes (ATRX, CUL4B, DMD, FMR1, HCFC1, IL1RAPL1, IQSEC2, KDM5C, MAOA, MECP2, SLC9A6, SLC16A2, PHF8) and 10 de novo in autosomal-dominant genes (DYRK1A, GRIN1, MED13L, TCF4, RAI1, SHANK3, SLC2A1, SYNGAP1). We also detected four possibly causative mutations (eg, in NLGN3) requiring further investigations. We present detailed reasoning for assigning causality for each mutation, and associated patients’ clinical information. Some genes were hit more than once in our cohort, suggesting they correspond to more frequent ID-associated conditions (KDM5C, MECP2, DYRK1A, TCF4). We highlight some unexpected genotype to phenotype correlations, with causative mutations being identified in genes associated to defined syndromes in patients deviating from the classic phenotype (DMD, TCF4, MECP2). We also bring additional supportive (HCFC1, MED13L) or unsupportive (SHROOM4, SRPX2) evidences for the implication of previous candidate genes or mutations in cognitive disorders. 

Conclusions

 With a diagnostic yield of 25% targeted sequencing appears relevant as a first intention test for the diagnosis of ID, but importantly will also contribute to a better understanding regarding the specific contribution of the many genes implicated in ID and autism.

Abstract Early-onset neurodevelopmental conditions (e.g., autism) affect males more frequently than females. Androgens may play a role in this male-bias by sex-differentially impacting early prenatal brain development, particularly neural circuits that later develop specialized roles in social cognition. Here, we find that increasing prenatal testosterone in humans is associated with later reduction of functional connectivity between social brain default mode (DMN) subsystems in adolescent males, but has no effect in females. Since testosterone can work directly via the androgen receptor (AR) or indirectly via the estrogen receptor through aromatase conversion to estradiol, we further examined how a potent non-aromatizable androgen, dihydrotestosterone (DHT), acts via the AR to influence gene expression in human neural stem cells (hNSC)—particularly for genes of high-relevance for DMN circuitry. DHT dysregulates a number of genes enriched for syndromic causes of autism and intellectual disability and for genes that in later development are expressed in anatomical patterns that highly correspond to the cortical midline DMN subsystem. DMN-related and DHT-affected genes (e.g., MEF2C ) are involved in a number of synaptic processes, many of which impact excitation-inhibition balance. Androgens have male-specific prenatal influence over social brain circuitry in humans and may be relevant towards explaining some component of male-bias in early-onset neurodevelopmental conditions.

Many early-onset neurodevelopmental conditions such as autism affect males more frequently than females and affect corresponding domains such as social cognition, social-communication, language, emotion, and reward. Testosterone is well-known for its role as a sex-related biological mechanism and affects these conditions and domains of functioning. Developmentally, testosterone may sex-differentially impact early fetal brain development by influencing early neuronal development and synaptic mechanisms behind cortical circuit formation, particularly for circuits that later develop specialized roles in such cognitive domains. Here we find that variation in fetal testosterone (FT) exerts sex-specific effects on later adolescent functional connectivity between social brain default mode network (DMN) subsystems. Increased FT is associated with dampening of functional connectivity between DMN subsystems in adolescent males, but has no effect in females. To isolate specific prenatal neurobiological mechanisms behind this effect, we examined changes in gene expression identified following a treatment with a potent androgen, dihydrotestosterone (DHT) in an in-vitro model of human neural stem cell (hNSC). We previously showed that DHT-dysregulates genes enriched with known syndromic causes for autism and intellectual disability. DHT dysregulates genes in hNSCs involved in early neurodevelopmental processes such as neurogenesis, cell differentiation, regionalization, and pattern specification. A significant number of these DHT-dysregulated genes shows spatial expression patterns in the adult brain that highly correspond to the spatial layout of the cortical midline DMN subsystem. These DMN-related and DHT-affected genes (e.g., MEF2C) are involved in a number of synaptic processes, many of which impact excitation/inhibition imbalance. Focusing on MEF2C, we find replicable upregulation of expression after DHT treatment as well as dysregulated expression in induced pluripotent stem cells and neurons of individuals with autism. This work highlights sex-specific prenatal androgen influence on social brain DMN circuitry and autism-related mechanisms and suggests that such influence may impact early neurodevelopmental processes (e.g., neurogenesis, cell differentiation) and later developing synaptic processes.

The Neuro-Oncological Ventral Antigen 2 NOVA2 protein is a major factor regulating neuron specific alternative splicing, previously associated with an acquired neurologic condition, the paraneoplastic opsoclonus-myoclonus ataxia (POMA). We report here six individuals with de novo frameshift variants in the NOVA2 gene affected with a severe neurodevelopmental disorder characterized by intellectual disability (ID), motor and speech delay, autistic features, hypotonia, feeding difficulties, spasticity or ataxic gait and abnormal brain MRI. The six variants lead to the same reading frame, adding a common 133 aa long proline rich C-terminus part instead of the last KH RNA binding domain. We detected forty-one genes differentially spliced after NOVA2 inactivation in human neural cells. The mutant NOVA2 protein shows decreased ability to bind a target RNA, to regulate specific splicing events and to rescue the phenotype of altered retinotectal axonal pathfinding induced by loss of NOVA2 ortholog in zebrafish. Our results suggest a partial loss-of-function mechanism rather than a full heterozygous loss of function, although a specific contribution of the novel C terminal extension cannot be excluded on the basis of the genetic findings.

Abstract Mutations in the PQBP1 gene (polyglutamine-binding protein 1) are responsible for a syndromic X-linked form of intellectual disability (XLID), the Renpenning syndrome. PQBP1 encodes a protein that plays a role in the regulation of gene expression, splicing and mRNA translation. To investigate the consequences of variants in PQBP1 , we performed transcriptomic studies in 1) patients’ lymphoblastoid cell lines (LCL) carrying pathogenic variants in PQBP1 and 2) in human neural stem cells (hNSC) knocked-down (KD) for PQBP1 . This led to the identification of a hundred dysregulated genes. In particular, we identified an increase in the expression of a non-canonical isoform of another XLID gene, UPF3B. UPF3B plays a crucial role during neurodevelopment by coding for an important actor of the nonsense mRNA mediated decay (NMD) system involved in regulation of protein translation, however, the exact function of the non-canonical isoform, UPF3B_S , is currently unknown. In order to investigate the role of UPF3B_S isoform, we compared the protein interactome of UPF3B_S to the canonical isoform (UPF3B_L). We confirmed that, on the contrary to UPF3B_L, UPF3B_S does not interact with the UPF2/UPF1 complex while it still interacts with exon junction complexes (EJC). However, no notable decrease of NMD pathways was observed in patient’s LCL or in hNSC KD for PQBP1 . We identified several additional protein interactors specific to UPF3B_S. Moreover, we used the increase of UPF3B_S mRNA as a molecular marker to test the pathogenicity of variants of unknown clinical significance identified in individuals with ID in PQPB1 . We analyzed patients’ LCL mRNA as well as blood mRNA samples and performed complementation studies in HeLa cells by overexpressing Wild-type and mutant PQBP1 cDNA. We showed that all these three approaches were efficient to test the effect of variants, at least for variants affecting the CTD domain of the protein. In conclusion, our study provides information on how PQBP1 deficiency may affect the expression of genes and isoforms, such as UPF3B . This informs about the pathological mechanisms involved in Renpenning syndrome but also allows to propose a functional test for variants of unknown significance identified in PQBP1 .