Identifying genetic causes and establishing a comprehensive diagnostic approach for WES-negative paediatric population with suspected neurodevelopmental disorder = 신경발달질환이 의심되는 전장 엑솜 시퀀싱 음성 소아 환자의 유전적 원인 규명 및 포괄적 진단 접근법 확립

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Introduction: Global developmental delay (GDD) and intellectual disability (ID) are frequently caused by genetic factors, yet many patients remain undiagnosed even after whole exome sequencing (WES). This study aimed to apply Optical Genome Mapping (OGM) and Illumina Complete Long Reads (ICLR) in pediatric patients with unexplained GDD/ID after negative WES, evaluate the diagnostic yield of each platform, and propose a practical diagnostic strategy for clinical implementation.
Methods: We conducted OGM and ICLR on 87 pediatric patients with unexplained GDD/ID despite prior WES. Pathogenic or likely pathogenic variants were analyzed, and discordant cases underwent further validation using gap-PCR or PacBio long-read sequencing. A minigene assay was also performed to confirm the pathogenicity of an intronic variant.
Results: Of the 87 patients, 8 were found to carry pathogenic or likely pathogenic variants, including 5 structural variants (SVs) and 3 single nucleotide variants (SNVs). OGM and ICLR provided additional diagnostic yields of 4.71% and 9.30%. While some variants were detected by both platforms, several were uniquely identified by either OGM or ICLR. OGM was effective in detecting complex, large-scale rearrangements, whereas ICLR performed well in cases with overlapping deletions and inverted duplication. Notably, all SVs detected by ICLR were also visually confirmed in short-read BAM files. For all SV burden, ICLR detected 8 SVs (mean 0.09 ± 0.33 per sample), and OGM identified 8 SVs (mean 0.09 ± 0.29 per sample), showing comparable results.
Conclusion: This study demonstrates the complementary utility of ICLR and OGM in detecting diverse classes of pathogenic variants in GDD/ID. ICLR was advantageous for intronic and overlapping structural variants, while OGM was effective for complex rearrangements and repetitive regions. ICLR demonstrated a higher additional diagnostic yield compared to OGM. These findings support a stepwise diagnostic strategy in which ICLR is employed as a first-line test, with OGM used as a second-line method for unresolved cases.

국문 초록 (Abstract)

연구배경 및 목적: 전반적 발달 지연(GDD)과 지적 장애(ID)는 유전적요인이 중요한 질환군이나, 많은 환자가 전장 엑솜 시퀀싱(WES) 후에도 진단되지 않은 채로 남아 있다. 본 연구는 WES 음성인 GDD/ID 소아 환자에서 Optical genome mapping (OGM)과 Illumina complete long reads (ICLR)를 적용해, 추가적인 병인을 탐색하고 두 검사법의 진단수율을 평가하며, 임상적용 가능한 진단적 전략을 제시하고자 하였다.
방법: WES로 진단되지 않은 87명의 GDD/ID 소아 환자에 대해 OGM과 ICLR을 시행하였고, 검출된 병원성 또는 병원성 의심 변이들을 분석하였다. 결과 간 불일치가 있는 경우 gap-PCR 또는 Pacbio long-read sequencing을 시행하였고, 병원성 확인을 위해 minigene assay를 시행하였다.
결과: 총 87명의 환자 중 8명에서 5개의 병원성 구조 변이와 3개의 단일염기변이가 검출되었다. OGM과 ICLR의 추가 진단 수율은 각각 4.71%와 9.30% 였다. 일부 변이는 OGM과 ICLR에서 모두 확인되었으나, 하나의 검사법에서만 검출된 변이도 존재하였다. OGM은 복잡한 재배열의 검출에 강점을 보였고, ICLR은 큰 크기의 역위와 결실 위치가 중복된 변이 검출 시 우수한 성능을 보였다. 그러나, ICLR로 검출된 구조 변이들은 short-read BAM 파일에서도 모두 확인 가능하였다. 전체 SV 수는 OGM과 ICLR 모두 8건으로, 각각 샘플당 평균 0.09 ± 0.29, 0.09 ± 0.33개로 유사한 결과를 보였다.
결론: 본 연구는 ICLR과 OGM이 상호보완적으로 다양한 유형의 병원성 변이를 검출할 수 있음을 보여주었다. ICLR은 인트론 변이 및 중첩된 구조 변이 검출에서, OGM은 복잡한 재배열 및 반복서열 영역 내 변이 검출에서 각각 강점을 보였다. ICLR은 OGM과 비교할 때 높은 추가 진단 수율을 보였다. 따라서, 임상에서는 ICLR과 같은 long-read sequencing을 1차 검사로, OGM을 보완적 검사로 활용하는 단계적 접근이 효율적인 전략이 될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract ⅰ
• Table of Contents ⅲ
• List of Tables ⅳ
• List of Figures ⅴ
• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Materials and Methods 4
• Chapter 3. Results 15
• Chapter 4. Discussion 40
• Chapter 5. Conclusion 47
• Bibliography 48
• Abstract in Korean 50