O desenvolvimento embrionário do cérebro humano é intrincado e altamente coordenado espacial e temporalmente, o que é primordial para seu correto funcionamento, assim como foi no passado ao longo da evolução dos primatas. Distúrbios neste processo podem comprometer função e tamanho do órgão, como na microcefalia, uma condição clínica caracterizada pela redução da circunferência occipitofrontal da cabeça em pelo menos 2 desvios-padrão (SD) da média para aquela idade e sexo. A microcefalia pode ser classificada em primária (congênita) ou secundária (pós-natal), sendo considerada leve (-2 a -3 SD) ou grave (≤ -3 SD); também pode ser classificada como sindrômica, se alterações externas ao sistema nervoso central estiverem presentes. Sua incidência é de 2-3% na população mundial e tem etiologias diversas, tanto ambiental quanto genética, com a maior parte dos casos permanecendo idiopática. Por se tratar de uma condição complexa que muitas vezes se apresenta associada a outros fenótipos, ainda há muito a ser explorado em relação às bases genéticas da microcefalia, previamente não investigadas na população brasileira. Este trabalho se propôs a avaliar uma coorte de indivíduos brasileiros afetados por microcefalia associada a distúrbios de neurodesenvolvimento, visando caracterizar as bases genéticas do fenótipo e quadros clínicos associados. Para tanto, realizamos análise cromossômica por microarranjo genômico (CMA) para investigação de alterações de número de cópias (CNVs), bem como sequenciamento de exoma completo (WES) para prospecção de variantes genômicos pontuais em um subgrupo de pacientes. No estudo por CMA, analisamos 185 pacientes microcefálicos, dos quais 39 tinham CNVs clinicamente relevantes. Compilamos uma lista inédita de genes reconhecidos como causa de microcefalia e realizamos o levantamento das síndromes de CNVs associadas. Neste estudo de CNVs raras causais, sugerimos novos genes candidatos para o fenótipo com base na caracterização das regiões afetadas no grupo avaliado de pacientes, assim como em pacientes microcefálicos descritos no banco de dados DECIPHER: genes reconhecidamente associados à microcefalia por SNVs e indels, mas não ainda por CNVs; aqueles com evidência ainda insuficiente para corroborar tal associação; genes conhecidos de macrocefalia; e novos candidatos, propostos no presente estudo, como OTUD7A, BBC3, CNTN6 e NAA15. No estudo por WES, investigamos 45 indivíduos (42 famílias) que tiveram resultado negativo no CMA (100 exomas analisados no total), resultando em uma taxa de diagnóstico molecular (variantes patogênicas ou provavelmente patogênicas) de 47,6%, similar à reportada na literatura. Em relação à apresentação clínica, deficiência intelectual e alterações cerebrais estruturais foram altamente prevalentes, com taxas similares a outras coortes de microcefalia, mas encontramos frequências superiores de dismorfismos faciais, alterações comportamentais, cardiovasculares e musculoesqueléticas, além de perda auditiva. Pela análise dos casos negativos no CMA e exoma, identificamos um gene novo causativo para o fenótipo (CCDC17), que requer estudos funcionais futuros para validação. Em conclusão, contribuímos para o diagnóstico molecular e aconselhamento genético de metade de um total de 48 famílias (no mínimo um indivíduo com microcefalia dentre seus sinais clínicos). Em seis casos, foram identificadas variantes patogênicas ou provavelmente patogênicas do tipo CNV, e em 20 casos foram detectadas variantes do tipo SNV/indel (taxa de diagnóstico molecular global de 54,2%). Estes achados corroboram a microcefalia como um importante indicador de alterações genômicas e evidenciam que o exoma como primeira linha de investigação seria a melhor estratégia para diagnóstico desta condição. Adicionalmente, trouxemos uma visão inédita das causas genéticas da condição na população brasileira e das comorbidades mais frequentes, bem como pudemos sugerir novos genes candidatos ao fenótipo que poderão ser explorados em pesquisas futuras. Ainda assim, aproximadamente metade dos casos avaliados permanece idiopático, apontando para a necessidade de estratégias complementares de investigação de alterações estruturais e não-codificadoras, baseadas em tecnologias como sequenciamento de genoma completo, sequenciamento de moléculas longas, mapeamento ótico, estudos epigenéticos e investigação de alterações mitocondriais.

The embryonic development of the human brain is intricate and spatially and temporally highly coordinated, which is essential for its proper performance, as it was in the past throughout the evolution of primates. Disturbances in this process can compromise the organ function and size, as occurs in microcephaly. It is a clinical condition characterized by reduction of the occipitofrontal circumference by at least 2 standard deviations (SD) from the mean for that age and sex. Microcephaly can be primary (congenital) or secondary (postnatal), considered mild (-2 to -3 SD) or severe (≤ -3 SD); it can also be classified as syndromic if alterations external to the central nervous system are present. Its incidence is 2-3% in the world population and has various etiologies, environmental and genetic, with most cases remaining idiopathic. Because it is a complex condition often associated with other phenotypes, there is still much to be explored about the genetic bases of microcephaly, previously not investigated in the Brazilian population. This work aimed to evaluate a cohort of Brazilian individuals affected by microcephaly associated with neurodevelopmental disorders, aiming to characterize the genetic bases of the phenotype, and associated clinical conditions. To this end, we performed chromosomal microarray analysis (CMA) to investigate copy number variants (CNVs), and, in a subgroup of patients, whole-exome sequencing (WES) to prospect for specific genomic variants. In the CMA study, we analyzed 185 microcephalic patients, of whom 39 had clinically relevant CNVs. We compiled a list of recognized microcephaly genes and surveyed associated CNV syndromes. In this study of rare causal CNVs, we suggested new candidate genes for the phenotype based on the characterization of the affected regions in the evaluated group of patients, as well as evaluating microcephalic patients reported in the DECIPHER database: genes known to be associated with microcephaly by SNVs and indels, but not yet by CNVs; those with insufficient evidence to corroborate such an association; known macrocephaly genes; and new candidates, such as OTUD7A, BBC3, CNTN6, and NAA15. In the WES study, we investigated 45 individuals (42 families) who tested negative for CMA (100 exomes analyzed in total), resulting in a molecular diagnosis rate (pathogenic or likely pathogenic variants) of 47.6%, similar to the yield reported in WES studies from the literature. Regarding the clinical presentation, intellectual disability, and structural brain alterations were highly prevalent, with rates similar to other cohorts of microcephaly, but we found higher frequencies of facial dysmorphisms, behavioral, cardiovascular, and musculoskeletal alterations, in addition to hearing loss. By analyzing the negative cases after CMA and exome analysis, we identified a novel gene for the microcephaly (CCDC17), which requires future functional studies for validation. In conclusion, we contributed to the molecular diagnosis and genetic counseling of half of a total of 48 families with at least one individual with microcephaly among its clinical signs. In six cases, pathogenic or probably pathogenic CNV variants were identified, and in 20 cases SNV/indel variants were detected (overall molecular diagnosis rate 54.2%). These findings have corroborated that microcephaly is an important indicator of genomic alterations and showed that using exome as the first-tier of investigation would be the best strategy for diagnosing this condition. Additionally, we brought an unprecedented view of the genetic causes of microcephaly in a Brazilian population, and the most frequent comorbidities, as well as suggested new candidate genes that could be explored in future research. Even so, approximately half of the evaluated cases remain idiopathic, pointing to the need for complementary strategies for the investigation of structural and non-coding variants, based on technologies such as whole-genome sequencing, sequencing of long reads, optical mapping, epigenetic studies, and investigation of mitochondrial variants.