Exome sequencing of 175 autism spectrum disorder parent–child trios reveals that few de novo point mutations have a role in autism spectrum disorder and those that do are distributed across many genes and are incompletely penetrant, further supporting extreme genetic heterogeneity of this spectrum disorder. 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. Autism spectrum disorders (ASD) are believed to have genetic and environmental origins, yet in only a modest fraction of individuals can specific causes be identified1,2. To identify further genetic risk factors, here we assess the role of de novo mutations in ASD by sequencing the exomes of ASD cases and their parents (n = 175 trios). Fewer than half of the cases (46.3%) carry a missense or nonsense de novo variant, and the overall rate of mutation is only modestly higher than the expected rate. In contrast, the proteins encoded by genes that harboured de novo missense or nonsense mutations showed a higher degree of connectivity among themselves and to previous ASD genes3 as indexed by protein-protein interaction screens. The small increase in the rate of de novo events, when taken together with the protein interaction results, are consistent with an important but limited role for de novo point mutations in ASD, similar to that documented for de novo copy number variants. Genetic models incorporating these data indicate that most of the observed de novo events are unconnected to ASD; those that do confer risk are distributed across many genes and are incompletely penetrant (that is, not necessarily sufficient for disease). Our results support polygenic models in which spontaneous coding mutations in any of a large number of genes increases risk by 5- to 20-fold. Despite the challenge posed by such models, results from de novo events and a large parallel case–control study provide strong evidence in favour of CHD8 and KATNAL2 as genuine autism risk factors.

Summary

 We present the largest exome sequencing study of autism spectrum disorder (ASD) to date (n = 35,584 total samples, 11,986 with ASD). Using an enhanced analytical framework to integrate de novo and case-control rare variation, we identify 102 risk genes at a false discovery rate of 0.1 or less. Of these genes, 49 show higher frequencies of disruptive de novo variants in individuals ascertained to have severe neurodevelopmental delay, whereas 53 show higher frequencies in individuals ascertained to have ASD; comparing ASD cases with mutations in these groups reveals phenotypic differences. Expressed early in brain development, most risk genes have roles in regulation of gene expression or neuronal communication (i.e., mutations effect neurodevelopmental and neurophysiological changes), and 13 fall within loci recurrently hit by copy number variants. In cells from the human cortex, expression of risk genes is enriched in excitatory and inhibitory neuronal lineages, consistent with multiple paths to an excitatory-inhibitory imbalance underlying ASD.

Despite significant heritability of autism spectrum disorders (ASDs), their extreme genetic heterogeneity has proven challenging for gene discovery. Studies of primarily simplex families have implicated de novo copy number changes and point mutations, but are not optimally designed to identify inherited risk alleles. We apply whole-exome sequencing (WES) to ASD families enriched for inherited causes due to consanguinity and find familial ASD associated with biallelic mutations in disease genes (AMT, PEX7, SYNE1, VPS13B, PAH, and POMGNT1). At least some of these genes show biallelic mutations in nonconsanguineous families as well. These mutations are often only partially disabling or present atypically, with patients lacking diagnostic features of the Mendelian disorders with which these genes are classically associated. Our study shows the utility of WES for identifying specific genetic conditions not clinically suspected and the importance of partial loss of gene function in ASDs.

The RNA-guided endonuclease Cas9 can be converted into a programmable transcriptional repressor, but inefficiencies in target-gene silencing have limited its utility. Here we describe an improved Cas9 repressor based on the C-terminal fusion of a rationally designed bipartite repressor domain, KRAB–MeCP2, to nuclease-dead Cas9. We demonstrate the system’s superiority in silencing coding and noncoding genes, simultaneously repressing a series of target genes, improving the results of single and dual guide RNA library screens, and enabling new architectures of synthetic genetic circuits. The fusion of dead Cas9 with KRAB and the transcriptional repressor domain of the chromatin modifier MeCP2 leads to an efficient transcriptional silencer that can be applied to genome-scale screens and genetic circuits.

Exome sequencing studies in complex diseases are challenged by the allelic heterogeneity, large number and modest effect sizes of associated variants on disease risk and the presence of large numbers of neutral variants, even in phenotypically relevant genes. Isolated populations with recent bottlenecks offer advantages for studying rare variants in complex diseases as they have deleterious variants that are present at higher frequencies as well as a substantial reduction in rare neutral variation. To explore the potential of the Finnish founder population for studying low-frequency (0.5–5%) variants in complex diseases, we compared exome sequence data on 3,000 Finns to the same number of non-Finnish Europeans and discovered that, despite having fewer variable sites overall, the average Finn has more low-frequency loss-of-function variants and complete gene knockouts. We then used several well-characterized Finnish population cohorts to study the phenotypic effects of 83 enriched loss-of-function variants across 60 phenotypes in 36,262 Finns. Using a deep set of quantitative traits collected on these cohorts, we show 5 associations (p<5×10−8) including splice variants in LPA that lowered plasma lipoprotein(a) levels (P = 1.5×10−117). Through accessing the national medical records of these participants, we evaluate the LPA finding via Mendelian randomization and confirm that these splice variants confer protection from cardiovascular disease (OR = 0.84, P = 3×10−4), demonstrating for the first time the correlation between very low levels of LPA in humans with potential therapeutic implications for cardiovascular diseases. More generally, this study articulates substantial advantages for studying the role of rare variation in complex phenotypes in founder populations like the Finns and by combining a unique population genetic history with data from large population cohorts and centralized research access to National Health Registers.

De novo mutations affect risk for many diseases and disorders, especially those with early-onset. An example is autism spectrum disorders (ASD). Four recent whole-exome sequencing (WES) studies of ASD families revealed a handful of novel risk genes, based on independent de novo loss-of-function (LoF) mutations falling in the same gene, and found that de novo LoF mutations occurred at a twofold higher rate than expected by chance. However successful these studies were, they used only a small fraction of the data, excluding other types of de novo mutations and inherited rare variants. Moreover, such analyses cannot readily incorporate data from case-control studies. An important research challenge in gene discovery, therefore, is to develop statistical methods that accommodate a broader class of rare variation. We develop methods that can incorporate WES data regarding de novo mutations, inherited variants present, and variants identified within cases and controls. TADA, for Transmission And De novo Association, integrates these data by a gene-based likelihood model involving parameters for allele frequencies and gene-specific penetrances. Inference is based on a Hierarchical Bayes strategy that borrows information across all genes to infer parameters that would be difficult to estimate for individual genes. In addition to theoretical development we validated TADA using realistic simulations mimicking rare, large-effect mutations affecting risk for ASD and show it has dramatically better power than other common methods of analysis. Thus TADA's integration of various kinds of WES data can be a highly effective means of identifying novel risk genes. Indeed, application of TADA to WES data from subjects with ASD and their families, as well as from a study of ASD subjects and controls, revealed several novel and promising ASD candidate genes with strong statistical support.

The combination of ataxia and hypogonadism was first described more than a century ago, but its genetic basis has remained elusive.We performed whole-exome sequencing in a patient with ataxia and hypogonadotropic hypogonadism, followed by targeted sequencing of candidate genes in similarly affected patients. Neurologic and reproductive endocrine phenotypes were characterized in detail. The effects of sequence variants and the presence of an epistatic interaction were tested in a zebrafish model.Digenic homozygous mutations in RNF216 and OTUD4, which encode a ubiquitin E3 ligase and a deubiquitinase, respectively, were found in three affected siblings in a consanguineous family. Additional screening identified compound heterozygous truncating mutations in RNF216 in an unrelated patient and single heterozygous deleterious mutations in four other patients. Knockdown of rnf216 or otud4 in zebrafish embryos induced defects in the eye, optic tectum, and cerebellum; combinatorial suppression of both genes exacerbated these phenotypes, which were rescued by nonmutant, but not mutant, human RNF216 or OTUD4 messenger RNA. All patients had progressive ataxia and dementia. Neuronal loss was observed in cerebellar pathways and the hippocampus; surviving hippocampal neurons contained ubiquitin-immunoreactive intranuclear inclusions. Defects were detected at the hypothalamic and pituitary levels of the reproductive endocrine axis.The syndrome of hypogonadotropic hypogonadism, ataxia, and dementia can be caused by inactivating mutations in RNF216 or by the combination of mutations in RNF216 and OTUD4. These findings link disordered ubiquitination to neurodegeneration and reproductive dysfunction and highlight the power of whole-exome sequencing in combination with functional studies to unveil genetic interactions that cause disease. (Funded by the National Institutes of Health and others.).