Rare de novo single nucleotide variants in brain-expressed genes are found to be associated with autism spectrum disorders and to carry large effects. Although it is well accepted that genetics makes a strong contribution to autism spectrum disorder, most of the underlying causes of the condition remain unknown. Three groups present large-scale exome-sequencing studies of individuals with sporadic autism spectrum disorder, including many parent–child trios and unaffected siblings. The overall message from the three papers is that there is extreme locus heterogeneity among autistic individuals, with hundreds of genes involved in the condition, and with no single gene contributing to more than a small fraction of cases. Sanders et al. report the association of the gene SCN2A, previously identified in epilepsy syndromes, with the risk of autism. Neale et al. find strong evidence that CHD8 and KATNAL2 are autism risk factors. O'Roak et al. observe that a large proportion of the mutated proteins have crucial roles in fundamental developmental pathways, including β-catenin and p53 signalling. Multiple studies have confirmed the contribution of rare de novo copy number variations to the risk for autism spectrum disorders1,2,3. But whereas de novo single nucleotide variants have been identified in affected individuals4, their contribution to risk has yet to be clarified. Specifically, the frequency and distribution of these mutations have not been well characterized in matched unaffected controls, and such data are vital to the interpretation of de novo coding mutations observed in probands. Here we show, using whole-exome sequencing of 928 individuals, including 200 phenotypically discordant sibling pairs, that highly disruptive (nonsense and splice-site) de novo mutations in brain-expressed genes are associated with autism spectrum disorders and carry large effects. On the basis of mutation rates in unaffected individuals, we demonstrate that multiple independent de novo single nucleotide variants in the same gene among unrelated probands reliably identifies risk alleles, providing a clear path forward for gene discovery. Among a total of 279 identified de novo coding mutations, there is a single instance in probands, and none in siblings, in which two independent nonsense variants disrupt the same gene, SCN2A (sodium channel, voltage-gated, type II, α subunit), a result that is highly unlikely by chance.

Exome sequencing of patients with congenital heart disease (CHD) and their unaffected parents reveals an excess of strong-effect, protein-altering de novo mutations in genes expressed in the developing heart, many of which regulate chromatin modification in key developmental genes; collectively, these mutations are predicted to account for approximately 10% of severe CHD cases. This paper demonstrates that de novo mutations with large effect have a role in the pathogenesis of at least 10% of cases of congenital heart disease (CHD). Using exome sequence analysis in parent–offspring trios Richard Lifton and colleagues compared the frequency of de novo mutations, identified by exome sequencing, in 362 CHD parent–offspring trios and 264 control trios. Gene ontology analysis demonstrated significant enrichment of de novo protein-altering mutation of genes involved in chromatin modification, notably a marked enrichment of genes involved in the production, removal and reading of methylation of histone H3K4 and H3K27. Congenital heart disease (CHD) is the most frequent birth defect, affecting 0.8% of live births1. Many cases occur sporadically and impair reproductive fitness, suggesting a role for de novo mutations. Here we compare the incidence of de novo mutations in 362 severe CHD cases and 264 controls by analysing exome sequencing of parent–offspring trios. CHD cases show a significant excess of protein-altering de novo mutations in genes expressed in the developing heart, with an odds ratio of 7.5 for damaging (premature termination, frameshift, splice site) mutations. Similar odds ratios are seen across the main classes of severe CHD. We find a marked excess of de novo mutations in genes involved in the production, removal or reading of histone 3 lysine 4 (H3K4) methylation, or ubiquitination of H2BK120, which is required for H3K4 methylation2,3,4. There are also two de novo mutations in SMAD2, which regulates H3K27 methylation in the embryonic left–right organizer5. The combination of both activating (H3K4 methylation) and inactivating (H3K27 methylation) chromatin marks characterizes ‘poised’ promoters and enhancers, which regulate expression of key developmental genes6. These findings implicate de novo point mutations in several hundreds of genes that collectively contribute to approximately 10% of severe CHD.

Genetic Clues to Meningioma Meningiomas are the most common primary brain tumors in adults. Located within the layer of tissue covering the brain, these tumors are usually slow-growing and benign but can cause serious neurological complications. About half of these tumors have mutations in the neurofibromin 2 gene ( NF2 ). To identify other genes that contribute to meningioma pathogenesis, Clark et al. (p. 1077 , published online 24 January) performed genome sequence analysis on 300 tumors. Meningiomas fell into two general classes: benign tumors located at the skull base—which tend to harbor mutations in the TRAF7, KLF4, AKT1 , and SMO genes—and higher-grade tumors located in the cerebral and cerebellar hemispheres harbor mutations in NF2.

Loss-of-function variants in the angiopoietin-like 3 gene (ANGPTL3) have been associated with decreased plasma levels of triglycerides, low-density lipoprotein (LDL) cholesterol, and high-density lipoprotein (HDL) cholesterol. It is not known whether such variants or therapeutic antagonism of ANGPTL3 are associated with a reduced risk of atherosclerotic cardiovascular disease.

Elucidation of the genetic factors underlying chronic liver disease may reveal new therapeutic targets.We used exome sequence data and electronic health records from 46,544 participants in the DiscovEHR human genetics study to identify genetic variants associated with serum levels of alanine aminotransferase (ALT) and aspartate aminotransferase (AST). Variants that were replicated in three additional cohorts (12,527 persons) were evaluated for association with clinical diagnoses of chronic liver disease in DiscovEHR study participants and two independent cohorts (total of 37,173 persons) and with histopathological severity of liver disease in 2391 human liver samples.A splice variant (rs72613567:TA) in HSD17B13, encoding the hepatic lipid droplet protein hydroxysteroid 17-beta dehydrogenase 13, was associated with reduced levels of ALT (P=4.2×10-12) and AST (P=6.2×10-10). Among DiscovEHR study participants, this variant was associated with a reduced risk of alcoholic liver disease (by 42% [95% confidence interval {CI}, 20 to 58] among heterozygotes and by 53% [95% CI, 3 to 77] among homozygotes), nonalcoholic liver disease (by 17% [95% CI, 8 to 25] among heterozygotes and by 30% [95% CI, 13 to 43] among homozygotes), alcoholic cirrhosis (by 42% [95% CI, 14 to 61] among heterozygotes and by 73% [95% CI, 15 to 91] among homozygotes), and nonalcoholic cirrhosis (by 26% [95% CI, 7 to 40] among heterozygotes and by 49% [95% CI, 15 to 69] among homozygotes). Associations were confirmed in two independent cohorts. The rs72613567:TA variant was associated with a reduced risk of nonalcoholic steatohepatitis, but not steatosis, in human liver samples. The rs72613567:TA variant mitigated liver injury associated with the risk-increasing PNPLA3 p.I148M allele and resulted in an unstable and truncated protein with reduced enzymatic activity.A loss-of-function variant in HSD17B13 was associated with a reduced risk of chronic liver disease and of progression from steatosis to steatohepatitis. (Funded by Regeneron Pharmaceuticals and others.).

Richard Lifton and colleagues identify somatic and germline mutations in the CACNA1D calcium channel gene in aldosterone-producing adenomas and primary aldosteronism. Their functional studies show that these mutations result in channel activation at more hyperpolarized membrane potentials, implicating increased Ca2+ influx in disease pathogenesis. Adrenal aldosterone-producing adenomas (APAs) constitutively produce the salt-retaining hormone aldosterone and are a common cause of severe hypertension. Recurrent mutations in the potassium channel gene KCNJ5 that result in cell depolarization and Ca2+ influx cause ∼40% of these tumors1. We identified 5 somatic mutations (4 altering Gly403 and 1 altering Ile770) in CACNA1D, encoding a voltage-gated calcium channel, among 43 APAs without mutated KCNJ5. The altered residues lie in the S6 segments that line the channel pore. Both alterations result in channel activation at less depolarized potentials; Gly403 alterations also impair channel inactivation. These effects are inferred to cause increased Ca2+ influx, which is a sufficient stimulus for aldosterone production and cell proliferation in adrenal glomerulosa2. We also identified de novo germline mutations at identical positions in two children with a previously undescribed syndrome featuring primary aldosteronism and neuromuscular abnormalities. These findings implicate gain-of-function Ca2+ channel mutations in APAs and primary aldosteronism.

A major goal in human genetics is to use natural variation to understand the phenotypic consequences of altering each protein-coding gene in the genome. Here we used exome sequencing1 to explore protein-altering variants and their consequences in 454,787 participants in the UK Biobank study2. We identified 12 million coding variants, including around 1 million loss-of-function and around 1.8 million deleterious missense variants. When these were tested for association with 3,994 health-related traits, we found 564 genes with trait associations at P ≤ 2.18 × 10-11. Rare variant associations were enriched in loci from genome-wide association studies (GWAS), but most (91%) were independent of common variant signals. We discovered several risk-increasing associations with traits related to liver disease, eye disease and cancer, among others, as well as risk-lowering associations for hypertension (SLC9A3R2), diabetes (MAP3K15, FAM234A) and asthma (SLC27A3). Six genes were associated with brain imaging phenotypes, including two involved in neural development (GBE1, PLD1). Of the signals available and powered for replication in an independent cohort, 81% were confirmed; furthermore, association signals were generally consistent across individuals of European, Asian and African ancestry. We illustrate the ability of exome sequencing to identify gene-trait associations, elucidate gene function and pinpoint effector genes that underlie GWAS signals at scale.

Unleashing the power of precision medicine Precision medicine promises the ability to identify risks and treat patients on the basis of pathogenic genetic variation. Two studies combined exome sequencing results for over 50,000 people with their electronic health records. Dewey et al. found that ∼3.5% of individuals in their cohort had clinically actionable genetic variants. Many of these variants affected blood lipid levels that could influence cardiovascular health. Abul-Husn et al. extended these findings to investigate the genetics and treatment of familial hypercholesterolemia, a risk factor for cardiovascular disease, within their patient pool. Genetic screening helped identify at-risk patients who could benefit from increased treatment. Science , this issue p. 10.1126/science.aaf6814 , p. 10.1126/science.aaf7000

Richard Lifton, Barbara Kazmierczak and colleagues report the identification of a new enterocolitic and autoinflammatory syndrome, which they find is caused by de novo gain-of-function mutations affecting the inflammasome protein NLRC4. Cells with mutant NLRC4 produce elevated levels of cleaved caspase-1, which leads to cell death by pyroptosis. Upon detection of pathogen-associated molecular patterns, innate immune receptors initiate inflammatory responses. These receptors include cytoplasmic NOD-like receptors (NLRs) whose stimulation recruits and proteolytically activates caspase-1 within the inflammasome, a multiprotein complex. Caspase-1 mediates the production of interleukin-1 family cytokines (IL1FCs), leading to fever and inflammatory cell death (pyroptosis)1,2. Mutations that constitutively activate these pathways underlie several autoinflammatory diseases with diverse clinical features3. We describe a family with a previously unreported syndrome featuring neonatal-onset enterocolitis, periodic fever, and fatal or near-fatal episodes of autoinflammation. We show that the disease is caused by a de novo gain-of-function mutation in NLRC4 encoding a p.Val341Ala substitution in the HD1 domain of the protein that cosegregates with disease. Mutant NLRC4 causes constitutive IL1FC production and macrophage cell death. Infected macrophages from affected individuals are polarized toward pyroptosis and exhibit abnormal staining for inflammasome components. These findings identify and describe the cause of a life-threatening but treatable autoinflammatory disease that underscores the divergent roles of the NLRC4 inflammasome.

Abstract The UK Biobank is a prospective study of 502,543 individuals, combining extensive phenotypic and genotypic data with streamlined access for researchers around the world 1 . Here we describe the release of exome-sequence data for the first 49,960 study participants, revealing approximately 4 million coding variants (of which around 98.6% have a frequency of less than 1%). The data include 198,269 autosomal predicted loss-of-function (LOF) variants, a more than 14-fold increase compared to the imputed sequence. Nearly all genes (more than 97%) had at least one carrier with a LOF variant, and most genes (more than 69%) had at least ten carriers with a LOF variant. We illustrate the power of characterizing LOF variants in this population through association analyses across 1,730 phenotypes. In addition to replicating established associations, we found novel LOF variants with large effects on disease traits, including PIEZO1 on varicose veins, COL6A1 on corneal resistance, MEPE on bone density, and IQGAP2 and GMPR on blood cell traits. We further demonstrate the value of exome sequencing by surveying the prevalence of pathogenic variants of clinical importance, and show that 2% of this population has a medically actionable variant. Furthermore, we characterize the penetrance of cancer in carriers of pathogenic BRCA1 and BRCA2 variants. Exome sequences from the first 49,960 participants highlight the promise of genome sequencing in large population-based studies and are now accessible to the scientific community.