Summary

 Genetic changes causing brain size expansion in human evolution have remained elusive. Notch signaling is essential for radial glia stem cell proliferation and is a determinant of neuronal number in the mammalian cortex. We find that three paralogs of human-specific NOTCH2NL are highly expressed in radial glia. Functional analysis reveals that different alleles of NOTCH2NL have varying potencies to enhance Notch signaling by interacting directly with NOTCH receptors. Consistent with a role in Notch signaling, NOTCH2NL ectopic expression delays differentiation of neuronal progenitors, while deletion accelerates differentiation into cortical neurons. Furthermore, NOTCH2NL genes provide the breakpoints in 1q21.1 distal deletion/duplication syndrome, where duplications are associated with macrocephaly and autism and deletions with microcephaly and schizophrenia. Thus, the emergence of human-specific NOTCH2NL genes may have contributed to the rapid evolution of the larger human neocortex, accompanied by loss of genomic stability at the 1q21.1 locus and resulting recurrent neurodevelopmental disorders.

Underweight and obese phenotypes can both pose health risks. But whereas obesity has been associated with a number of genetic variants, little is known about the genetic basis of underweight. A large-scale screen of data from 28 cytogenetic centres in Europe and North America now shows that being underweight is frequently associated with duplication of a short region on chromosome 16. Deletion of this same chromosomal region has previously been associated with obesity. The observed associated phenotypes are opposites, or mirrors, of those reported in carriers of deletions at this locus, and correlate with changes in transcript levels for genes within the duplication but not within the adjacent regions. The suggestion is that severe obesity and being underweight could have mirror etiologies, possibly through contrasting effects on energy balance. Both obesity and being underweight have been associated with increased mortality1,2. Underweight, defined as a body mass index (BMI) ≤ 18.5 kg per m2 in adults and ≤ −2 standard deviations from the mean in children, is the main sign of a series of heterogeneous clinical conditions including failure to thrive3,4,5, feeding and eating disorder and/or anorexia nervosa6,7. In contrast to obesity, few genetic variants underlying these clinical conditions have been reported8,9. We previously showed that hemizygosity of a ∼600-kilobase (kb) region on the short arm of chromosome 16 causes a highly penetrant form of obesity that is often associated with hyperphagia and intellectual disabilities10. Here we show that the corresponding reciprocal duplication is associated with being underweight. We identified 138 duplication carriers (including 132 novel cases and 108 unrelated carriers) from individuals clinically referred for developmental or intellectual disabilities (DD/ID) or psychiatric disorders, or recruited from population-based cohorts. These carriers show significantly reduced postnatal weight and BMI. Half of the boys younger than five years are underweight with a probable diagnosis of failure to thrive, whereas adult duplication carriers have an 8.3-fold increased risk of being clinically underweight. We observe a trend towards increased severity in males, as well as a depletion of male carriers among non-medically ascertained cases. These features are associated with an unusually high frequency of selective and restrictive eating behaviours and a significant reduction in head circumference. Each of the observed phenotypes is the converse of one reported in carriers of deletions at this locus. The phenotypes correlate with changes in transcript levels for genes mapping within the duplication but not in flanking regions. The reciprocal impact of these 16p11.2 copy-number variants indicates that severe obesity and being underweight could have mirror aetiologies, possibly through contrasting effects on energy balance.

Importance Uncombable hair syndrome (UHS) is a rare hair shaft anomaly that manifests during infancy and is characterized by dry, frizzy, and wiry hair that cannot be combed flat. Only about 100 known cases have been reported so far. Objective To elucidate the genetic spectrum of UHS. Design, Setting, and Participants This cohort study includes 107 unrelated index patients with a suspected diagnosis of UHS and family members who were recruited worldwide from January 2013 to December 2021. Participants of all ages, races, and ethnicities were recruited at referral centers or were enrolled on their own initiative following personal contact with the authors. Genetic analyses were conducted in Germany from January 2014 to December 2021. Main Outcomes and Measures Clinical photographs, Sanger or whole-exome sequencing and array-based genotyping of DNA extracted from blood or saliva samples, and 3-dimensional protein modeling. Descriptive statistics, such as frequency counts, were used to describe the distribution of identified pathogenic variants and genotypes. Results The genetic characteristics of patients with UHS were established in 80 of 107 (74.8%) index patients (82 [76.6%] female) who carried biallelic pathogenic variants in PADI3 , TGM3 , or TCHH (ie, genes that encode functionally related hair shaft proteins). Molecular genetic findings from 11 of these 80 individuals were previously published. In 76 (71.0%) individuals, the UHS phenotype were associated with pathogenic variants in PADI3 . The 2 most commonly observed PADI3 variants account for 73 (48.0%) and 57 (37.5%) of the 152 variant PADI3 alleles in total, respectively. Two individuals carried pathogenic variants in TGM3 , and 2 others carried pathogenic variants in TCHH . Haplotype analyses suggested a founder effect for the 4 most commonly observed pathogenic variants in the PADI3 gene. Conclusions and Relevance This cohort study extends and gives an overview of the genetic variant spectrum of UHS based on molecular genetic analyses of the largest worldwide collective of affected individuals, to our knowledge. Formerly, a diagnosis of UHS could only be made by physical examination of the patient and confirmed by microscopical examination of the hair shaft. The discovery of pathogenic variants in PADI3 , TCHH , and TGM3 may open a new avenue for clinicians and affected individuals by introducing molecular diagnostics for UHS.

Genetic changes causing dramatic brain size expansion in human evolution have remained elusive. Notch signaling is essential for radial glia stem cell proliferation and a determinant of neuronal number in the mammalian cortex. We find three paralogs of human-specific NOTCH2NL are highly expressed in radial glia cells. Functional analysis reveals different alleles of NOTCH2NL have varying potencies to enhance Notch signaling by interacting directly with NOTCH receptors. Consistent with a role in Notch signaling, NOTCH2NL ectopic expression delays differentiation of neuronal progenitors, while deletion accelerates differentiation. NOTCH2NL genes provide the breakpoints in typical cases of 1q21.1 distal deletion/duplication syndrome, where duplications are associated with macrocephaly and autism, and deletions with microcephaly and schizophrenia. Thus, the emergence of hominin-specific NOTCH2NL genes may have contributed to the rapid evolution of the larger hominin neocortex accompanied by loss of genomic stability at the 1q21.1 locus and a resulting recurrent neurodevelopmental disorder.