Transcriptome sequencing improves the diagnostic rate for Mendelian disease in patients for whom genetic analysis has not returned a diagnosis.

Previous studies have shown that copy-number variants (CNVs) contribute to the risk of complex developmental phenotypes. However, the contribution of global CNV burden to the risk of sporadic congenital heart disease (CHD) remains incompletely defined. We generated genome-wide CNV data by using Illumina 660W-Quad SNP arrays in 2,256 individuals with CHD, 283 trio CHD-affected families, and 1,538 controls. We found association of rare genic deletions with CHD risk (odds ratio [OR] = 1.8, p = 0.0008). Rare deletions in study participants with CHD had higher gene content (p = 0.001) with higher haploinsufficiency scores (p = 0.03) than they did in controls, and they were enriched with Wnt-signaling genes (p = 1 × 10−5). Recurrent 15q11.2 deletions were associated with CHD risk (OR = 8.2, p = 0.02). Rare de novo CNVs were observed in ∼5% of CHD trios; 10 out of 11 occurred on the paternally transmitted chromosome (p = 0.01). Some of the rare de novo CNVs spanned genes known to be involved in heart development (e.g., HAND2 and GJA5). Rare genic deletions contribute ∼4% of the population-attributable risk of sporadic CHD. Second to previously described CNVs at 1q21.1, deletions at 15q11.2 and those implicating Wnt signaling are the most significant contributors to the risk of sporadic CHD. Rare de novo CNVs identified in CHD trios exhibit paternal origin bias. Previous studies have shown that copy-number variants (CNVs) contribute to the risk of complex developmental phenotypes. However, the contribution of global CNV burden to the risk of sporadic congenital heart disease (CHD) remains incompletely defined. We generated genome-wide CNV data by using Illumina 660W-Quad SNP arrays in 2,256 individuals with CHD, 283 trio CHD-affected families, and 1,538 controls. We found association of rare genic deletions with CHD risk (odds ratio [OR] = 1.8, p = 0.0008). Rare deletions in study participants with CHD had higher gene content (p = 0.001) with higher haploinsufficiency scores (p = 0.03) than they did in controls, and they were enriched with Wnt-signaling genes (p = 1 × 10−5). Recurrent 15q11.2 deletions were associated with CHD risk (OR = 8.2, p = 0.02). Rare de novo CNVs were observed in ∼5% of CHD trios; 10 out of 11 occurred on the paternally transmitted chromosome (p = 0.01). Some of the rare de novo CNVs spanned genes known to be involved in heart development (e.g., HAND2 and GJA5). Rare genic deletions contribute ∼4% of the population-attributable risk of sporadic CHD. Second to previously described CNVs at 1q21.1, deletions at 15q11.2 and those implicating Wnt signaling are the most significant contributors to the risk of sporadic CHD. Rare de novo CNVs identified in CHD trios exhibit paternal origin bias.

Familial recurrence studies provide strong evidence for a genetic component to the predisposition to sporadic, nonsyndromic Tetralogy of Fallot (TOF), the most common cyanotic congenital heart disease phenotype. Rare genetic variants have been identified as important contributors to the risk of congenital heart disease, but relatively small numbers of TOF cases have been studied to date.We used whole exome sequencing to assess the prevalence of unique, deleterious variants in the largest cohort of nonsyndromic TOF patients reported to date.Eight hundred twenty-nine TOF patients underwent whole exome sequencing. The presence of unique, deleterious variants was determined; defined by their absence in the Genome Aggregation Database and a scaled combined annotation-dependent depletion score of ≥20. The clustering of variants in 2 genes, NOTCH1 and FLT4, surpassed thresholds for genome-wide significance (assigned as P<5×10-8) after correction for multiple comparisons. NOTCH1 was most frequently found to harbor unique, deleterious variants. Thirty-one changes were observed in 37 probands (4.5%; 95% CI, 3.2%-6.1%) and included 7 loss-of-function variants 22 missense variants and 2 in-frame indels. Sanger sequencing of the unaffected parents of 7 cases identified 5 de novo variants. Three NOTCH1 variants (p.G200R, p.C607Y, and p.N1875S) were subjected to functional evaluation, and 2 showed a reduction in Jagged1-induced NOTCH signaling. FLT4 variants were found in 2.4% (95% CI, 1.6%-3.8%) of TOF patients, with 21 patients harboring 22 unique, deleterious variants. The variants identified were distinct to those that cause the congenital lymphoedema syndrome Milroy disease. In addition to NOTCH1, FLT4 and the well-established TOF gene, TBX1, we identified potential association with variants in several other candidates, including RYR1, ZFPM1, CAMTA2, DLX6, and PCM1.The NOTCH1 locus is the most frequent site of genetic variants predisposing to nonsyndromic TOF, followed by FLT4. Together, variants in these genes are found in almost 7% of TOF patients.

Abstract Exome and whole-genome sequencing are becoming increasingly routine approaches in Mendelian disease diagnosis. Despite their success, the current diagnostic rate for genomic analyses across a variety of rare diseases is approximately 25-50%. Here, we explore the utility of transcriptome sequencing (RNA-seq) as a complementary diagnostic tool in a cohort of 50 patients with genetically undiagnosed rare muscle disorders. We describe an integrated approach to analyze patient muscle RNA-seq, leveraging an analysis framework focused on the detection of transcript-level changes that are unique to the patient compared to over 180 control skeletal muscle samples. We demonstrate the power of RNA-seq to validate candidate splice-disrupting mutations and to identify splice-altering variants in both exonic and deep intronic regions, yielding an overall diagnosis rate of 35%. We also report the discovery of a highly recurrent de novo intronic mutation in COL6A1 that results in a dominantly acting splice-gain event, disrupting the critical glycine repeat motif of the triple helical domain. We identify this pathogenic variant in a total of 27 genetically unsolved patients in an external collagen VI-like dystrophy cohort, thus explaining approximately 25% of patients clinically suggestive of collagen VI dystrophy in whom prior genetic analysis is negative. Overall, this study represents a large systematic application of transcriptome sequencing to rare disease diagnosis and highlights its utility for the detection and interpretation of variants missed by current standard diagnostic approaches. One Sentence Summary Transcriptome sequencing improves the diagnostic rate for Mendelian disease in patients for whom genetic analysis has not returned a diagnosis.

Genetic variants that cause rare disorders may remain elusive even after expansive testing, such as exome sequencing. The diagnostic yield of genome sequencing, particularly after a negative evaluation, remains poorly defined.

Cytoplasmic and nuclear iron-sulfur (Fe-S) enzymes that are essential for genome maintenance and replication depend on the cytoplasmic Fe-S assembly (CIA) machinery for cluster acquisition. The core of the CIA machinery consists of a complex of CIAO1, MMS19 and FAM96B. The physiological consequences of loss of function in the components of the CIA pathway have thus far remained uncharacterized. Our study revealed that patients with biallelic loss of function in CIAO1 developed proximal and axial muscle weakness, fluctuating creatine kinase elevation, and respiratory insufficiency. In addition, they presented with CNS symptoms including learning difficulties and neurobehavioral comorbidities, along with iron deposition in deep brain nuclei, mild normocytic to macrocytic anemia, and gastrointestinal symptoms. Mutational analysis revealed reduced stability of the variants compared with WT CIAO1. Functional assays demonstrated failure of the variants identified in patients to recruit Fe-S recipient proteins, resulting in compromised activities of DNA helicases, polymerases, and repair enzymes that rely on the CIA complex to acquire their Fe-S cofactors. Lentivirus-mediated restoration of CIAO1 expression reversed all patient-derived cellular abnormalities. Our study identifies CIAO1 as a human disease gene and provides insights into the broader implications of the cytosolic Fe-S assembly pathway in human health and disease.

 There is strong evidence from familial recurrence studies for a genetic predisposition to sporadic, non-syndromic Tetralogy of Fallot (TOF). TOF is the most common, cyanotic congenital heart disease (CHD) phenotype yet the cause for the majority of cases remains elusive. Rare genetic variants have been identified as important contributors to the risk of CHD, but relatively small numbers of TOF cases have been studied to date. 829 TOF patients underwent whole exome sequencing (WES), the largest cohort of non-syndromic TOF patients reported to date. The prevalence of unique, deleterious variants was determined; defined by their absence in the Genome Aggregation Database (gnomAD) and a scaled combined annotation-dependent depletion (CADD) score of ≥20. Clustering analysis of variants revealed that two genes, NOTCH1 and FLT4, surpassed thresholds for genome-wide significance (assigned as P<5 × 10^-8), after correction for multiple comparisons. NOTCH1 was most frequently found to harbour unique, deleterious variants. 31 variants were observed in 37 probands (4.5%; 95% confidence interval [CI]: 3.2–6.1%) and included seven loss-of-function variants, 22 missense variants and two in-frame indels. Sanger sequencing of the unaffected parents of seven cases identified five de novo variants. Three NOTCH1 variants (p.G200R, p.C607Y and p.N1875S) were subjected to functional evaluation and two showed a reduction in Jagged1-induced NOTCH signalling. FLT4 variants were found in 2.4% (95% CI:1.6–3.8%) of TOF patients, with 21 patients harbouring 22 unique, deleterious variants. The variants identified were distinct to those that cause the congenital lymphoedema syndrome Milroy disease. In addition to NOTCH1, FLT4 and the well-established TOF gene, TBX1, we identified potential association with variants in several other biologically plausible candidate genes. In summary, the NOTCH1 locus is the most frequent site of genetic variants predisposing to non-syndromic TOF, followed by FLT4. Together, variants in these genes are found in almost 7% of TOF patients.

Abstract Background and purpose Pathogenic variants in the RYR1 gene have been associated with a variety of conditions, ranging from congenital myopathy to adult manifestations. Our aim was to characterize the p.Leu2286Val variant in 17 Basque patients, to accurately determine its correlation with clinical features and to explore the possible founder effect of the variant. Methods Families harbouring the p.Leu2286 RYR1 variant underwent a detailed clinical evaluation, including muscle magnetic resonance imaging, electromyography and muscle biopsy. Haplotypes were analysed in available patients and their relatives. Results Individuals carrying the p.Leu2286Val shared a common haplotype, suggesting a founder event in the Basque Country population. The most prevalent features were exertional myalgia, high creatine kinase (CK) levels, cramps and muscle hypertrophy. None of the patients carrying only the p.Leu2286Val showed progression to severe muscle weakness and muscle magnetic resonance imaging showed a heterogeneous muscle involvement. Muscle biopsy revealed non‐specific findings in two patients and features associated with central core disease in one patient carrying only the p.Leu2286Val and two patients harbouring an additional RYR1 variant. Three individuals carrying an in trans RYR1 variant presented with an earlier onset and more severe phenotype. Conclusion Here, it is shown that the dominantly inherited p.Leu2286Val RYR1 founder variant is associated with a milder phenotype of exercise intolerance, myalgia and hyperCKemia.

HNRNPA1 variants are known to cause degenerative motoneuron and muscle diseases which manifests in middle age or later. We report on a girl with early childhood onset, rapidly progressive generalized myopathy including ultrastructural findings in line with a proteinopathy. Proteomics of patient-derived muscle and combined screening of genomic data for copy number variations identified a HNRNPA1 de novo intragenic deletion as causative for the phenotype. Our report expands the spectrum of HNRNPA1-related diseases towards early-childhood onset and adds HNRNPA1 to the growing list of ALS and myopathy genes for which certain mutations may cause severe pediatric phenotypes.